綜采工作面快速過斷層構(gòu)造帶的方法與措施

張雁波

(陽(yáng)泰集團(tuán)屯城煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048100)

在煤礦開采過程中，斷層帶地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件較為特殊，且斷層帶周邊區(qū)域瓦斯?jié)舛绕?，?duì)煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成潛在威脅。綜采工作面由于會(huì)受到斷層結(jié)構(gòu)落差、傾斜方向與角度等條件的影響，加大了開采難度。

1 綜采工作面過斷層方法的原理與優(yōu)勢(shì)

1.1 調(diào)整采高法的原理與優(yōu)勢(shì)

調(diào)整采高法是指通過調(diào)整采煤高度控制液壓支架高度，與生產(chǎn)條件相適應(yīng)。調(diào)整采高法適用于落差參數(shù)小的斷層結(jié)構(gòu)。但需要注意的是，應(yīng)調(diào)整斷層上盤煤與下盤煤的間隔距離，以便支架順利通過。本文以落差小于1 m的斷層結(jié)構(gòu)為探究對(duì)象。

在煤層開采過程中，若綜采工作面從右至左通過斷層，則需緩慢提升工作面水平高度，降低采高，并選擇預(yù)留底煤的方法讓工作面順利通過斷層。若綜采工作面從左至右通過斷層，則需緩慢降低工作面，以防在斷層線上出現(xiàn)割頂現(xiàn)象，并采取留頂煤的方式過斷層。綜采工作面通過落差小于1 m的小斷層結(jié)構(gòu)時(shí)，采用調(diào)整采高法。

此外，綜采工作面所選用支架結(jié)構(gòu)的高度也會(huì)受斷層參數(shù)的影響。綜采工作面水平高度限定標(biāo)準(zhǔn)，集中表現(xiàn)為支架設(shè)計(jì)下限高度、斷層落差及不可預(yù)見的情況。在綜采工作面過斷層結(jié)構(gòu)時(shí)，采取調(diào)整采高法，其具有操作流程簡(jiǎn)便、不間斷生產(chǎn)作業(yè)等特征。其次，應(yīng)用調(diào)整采高法可以降低原煤含矸量，提升煤炭質(zhì)量等級(jí)，并減小機(jī)械設(shè)備零構(gòu)配件磨損率。該方法的弊端是斷層上盤煤與下盤煤間隔距離控制難度較大[1]。

1.2 挑頂臥底法的原理與優(yōu)勢(shì)

在綜采工作面通過大落差煤層時(shí)，不適宜直接通過煤層，而要結(jié)合實(shí)際情況，采取合理的方式避開斷層，然后另掘巷道。綜采工作面通過大落差煤層時(shí)，采取挑頂臥底法的作業(yè)流程，如圖1所示。

圖1 挑頂臥底法

如果綜采工作面無法躲避大落差斷層結(jié)構(gòu)，采取挑頂臥底法較為合理。挑頂臥底法的原理是依靠煤機(jī)截隔頂板與底板的巖層，直至順利通過斷層。要保證過斷層上盤煤與下盤煤間隔距離小于液壓支架通行下限，采取調(diào)整采高法存在一定不足。為此，要綜合分析斷層頂板與底板巖石結(jié)構(gòu)的性能，選擇挑頂臥底法[2]。

若斷層頂板與底板的破碎巖層結(jié)構(gòu)為砂質(zhì)泥，直接采取挑頂臥底法，并借助煤機(jī)的協(xié)調(diào)配合即可順利通過斷層。此時(shí)必須嚴(yán)格控制挑頂臥底的高度與臥底量。一旦臥底量過大，就會(huì)使煤機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，增加煤機(jī)零構(gòu)配件磨損率；相反的，若臥底量過小，也會(huì)影響綜采工作面的過斷層作業(yè)。

若多斷層頂板與底板的巖層結(jié)構(gòu)過硬，則可采取超前處理法。例如，通過深孔爆破的方式，破除巖石層整體結(jié)構(gòu)，然后使用煤機(jī)進(jìn)行截割。如果預(yù)先處理不到位，直接截割，則會(huì)增加采煤機(jī)磨損率，造成負(fù)面影響。

通常來說，在綜采工作面過斷層作業(yè)中，挑頂臥底法的應(yīng)用頻率相對(duì)較高。需要格外注意的是，斷層頂板與底板硬質(zhì)巖石層爆破預(yù)處理參數(shù)需符合標(biāo)準(zhǔn)要求，既要排除整體巖石層結(jié)構(gòu)，又應(yīng)盡可能的減小采煤機(jī)運(yùn)行阻力[3]。

1.3 割頂法的原理與優(yōu)勢(shì)

若斷層結(jié)構(gòu)較軟，頂板結(jié)構(gòu)較大，且壓力規(guī)律性變化，則可采取割頂法。割頂法以切割斷層上盤頂板巖石為主，然后預(yù)留上盤煤作為過渡，直至綜采工作面順利通過斷層結(jié)構(gòu)。綜采工作面通過斷層結(jié)構(gòu)時(shí)，采用割頂法的作業(yè)流程，如圖2所示。

圖2 割頂法作業(yè)流程示意圖

割頂法的基本技術(shù)操作為：在綜采工作面過斷層時(shí)，頂板巖石破巖量L，斷層落差H的參數(shù)變化規(guī)律公式：L>H/(σ×2/3)。

式中，σ為支架側(cè)護(hù)板的高度。由此可知，切割巖石量越小，頂板巖石破巖量與H/(σ×2/3)越接近。且伴隨綜采工作面的擴(kuò)張，斷層也隨之推移，并偏向機(jī)頭或機(jī)尾位置。

2 綜采工作面過斷層安全防護(hù)技術(shù)策略

2.1 工程實(shí)例

以某井田的5#回采煤層為例。該煤層回采厚度約為4.0 m，煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性較良好。其中4803工作面位于井田南側(cè)區(qū)域，整個(gè)工作面傾向長(zhǎng)度約為220 m，且煤層均傾角為4.5°。該綜采工作面煤層結(jié)構(gòu)以泥質(zhì)巖為主，巖層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，平均厚度為4.5 m。據(jù)地質(zhì)環(huán)境勘察報(bào)告可知，工作面回采至860 m將揭露一條F0逆斷層，且斷層落差為1.85 m，斷層傾角為55°。該綜采工作面過斷層作業(yè)采取強(qiáng)行切割與帶壓過斷層相協(xié)調(diào)的方式。經(jīng)過前期實(shí)踐工作積累可知，采取帶壓過斷層法會(huì)增加頂板負(fù)荷壓力，破壞支架頂梁結(jié)構(gòu)。由此，不僅降低了回采速率，還有可能導(dǎo)致工作面頂板坍塌?；?803工作面過斷層作業(yè)，綜合分析采用強(qiáng)行帶壓過斷層法存在的技術(shù)缺陷，并提出相應(yīng)的安全技術(shù)策略，以期順利完工。

2.2 分析強(qiáng)行帶壓過F0斷層技術(shù)存在的缺陷

根據(jù)34803工作面F0斷層剖面結(jié)構(gòu)示意圖(圖3)可知，過F0斷層操作的推進(jìn)方向?yàn)閿鄬酉卤P。該F0斷層結(jié)構(gòu)為逆斷層，且斷層上盤煤上移，下層煤下移。4803工作面煤層結(jié)構(gòu)以炭質(zhì)泥巖為主，此類泥巖脆性較大，極易受到外界作用力的影響。如果采用強(qiáng)行帶壓過斷層法，將會(huì)影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力條件，導(dǎo)致工作面坍塌。

圖3 4803工作面F0斷層剖面結(jié)構(gòu)示意圖

在精確測(cè)量后了解到，F(xiàn)0斷層的平均落差值在1.7 m左右，也就是說，在工作面延展作業(yè)中，當(dāng)延展作業(yè)推進(jìn)到斷層上盤帶位置時(shí)，煤層頂板的預(yù)留厚度則在1.7 m左右，這時(shí)實(shí)施煤層回采作業(yè)時(shí)，就會(huì)造成煤炭資源的較大損耗，且由于預(yù)留頂板位置在采空區(qū)范圍內(nèi)，所以很容易導(dǎo)致自然現(xiàn)象的發(fā)生，增強(qiáng)回采作業(yè)的危險(xiǎn)性[4]。

在F0工作面進(jìn)入到煤層上盤區(qū)域后，需要破除的底板巖層厚度在1.7 m左右。不過由于該區(qū)域內(nèi)底板巖層主要是由粗砂巖構(gòu)成的，所以巖石硬度較大，如果直接采用煤機(jī)切割作業(yè)，勢(shì)必會(huì)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響。再加上底板煤層中還混有一定量的原煤，所以更是增加了作業(yè)難度。

2.3 綜采工作面過F0斷層的安全防護(hù)技術(shù)策略

技術(shù)部在分析小峪煤礦傳統(tǒng)過斷層帶回采方法存在的技術(shù)缺陷后，決定采用仰斜回采法。具體施工方法為：

1) 在綜采工作面延展至F0斷層20 m處時(shí)，應(yīng)調(diào)整工作面液壓支架仰斜角度，并控制采煤機(jī)作業(yè)方向，適當(dāng)提升支架水平高度，預(yù)留底煤。

2) 在綜采工作面延展至斷層帶840 m處時(shí)，調(diào)整液壓支架配置點(diǎn)位，將其設(shè)置在F0斷層上盤煤體頂板處。在此階段，嚴(yán)格控制支架仰斜角度，以及采煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向，確保支架底座和頂梁完全處于工作面煤體頂板或底板處[5]。

3) 由于綜采工作面頂板結(jié)構(gòu)缺乏穩(wěn)固性，在過斷層環(huán)節(jié)，極易受到環(huán)境因素、技術(shù)因素與人為因素的干預(yù)導(dǎo)致局部塌陷。對(duì)此，在綜采工作面過F0斷層帶時(shí)，要采用撞楔超前支護(hù)方式預(yù)處理工作面頂板。具體流程為：在綜采工作面延展至距離斷層帶835 m時(shí)，采用撞楔超前支護(hù)法預(yù)處理工作面頂板。撞楔超前支護(hù)結(jié)構(gòu)主要由鋼針按照一定規(guī)律排列布置而成。一般情況下，單排鋼針共有10根，間隔距離保持在4.5 m左右，鋼針長(zhǎng)度約5.5 m，且鋼針與工作面頂板呈6°夾角；在第一排鋼針施工完畢，且工作面回采進(jìn)度達(dá)到3 m時(shí)，開展第二排鋼針施工。需要格外注意的是，第一排、二排鋼針需按照既定規(guī)律有序排列，直至工作面順利通過斷層帶。

2.4 工作面過斷層期間的安全管理策略

1) 當(dāng)4803工作面回采至800 m時(shí)，在各班組正式施工前，需對(duì)工作面進(jìn)行鉆孔操作，全面掌握斷層結(jié)構(gòu)的基本特征，且明確工作面頂板壓力條件與有害氣體濃度條件。

2) 當(dāng)4803工作面過斷層前50 m時(shí)，各班組要如實(shí)記錄頂板結(jié)構(gòu)及其壓力參數(shù)的變化情況，尤其是工作面壓力的周期性變化規(guī)律，要以此為基準(zhǔn)，掌握具體的參數(shù)信息。

3) 當(dāng)工作面過斷層前，以及過斷層期間，頂板結(jié)構(gòu)受到整體結(jié)構(gòu)的負(fù)荷壓力逐步加大，而這也對(duì)支架頂梁造成了嚴(yán)重的損害。對(duì)此，施工技術(shù)人員需加大液壓支架維護(hù)檢修力度，定期檢查支架液壓系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)潛在故障，要第一時(shí)間采取措施。

4) 綜采工作面過破碎帶時(shí)，若采用仰斜技術(shù)，應(yīng)在移動(dòng)防護(hù)支架時(shí)，采取科學(xué)合理的措施，在保證液壓支架使用性能的基礎(chǔ)上，增大安全作業(yè)系數(shù)。

5) 為避免工作面過斷層的負(fù)荷應(yīng)力對(duì)頂槽與底槽頂板結(jié)構(gòu)造成不利影響，應(yīng)在工作面過斷層延展至20 m時(shí)，對(duì)順槽頂板實(shí)施預(yù)支

3 結(jié)語

總之，在綜采工作面過斷層時(shí)，務(wù)必全面了解斷層結(jié)構(gòu)的基本概況，以確保工作面順利通過斷層。同時(shí)在此過程中，還需采取合理的過斷層安全防護(hù)措施，以保證煤礦開采作業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益最大化。