厚煤層綜放工作面過斷層施工工藝研究

徐晚生

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

斷層是煤礦最為常見的地質(zhì)構(gòu)造，給安全生產(chǎn)帶來了威脅[1-3]，同時斷層破壞煤體的連續(xù)性，給正?；夭稍斐奢^大困難[4]。針對落差較大的斷層，通常會采用變更設(shè)計避開斷層，而落差較小的斷層則直接通過。但是落差在5～7 m 的斷層，對回采影響較大且出現(xiàn)頻率較高，如果回采工藝選擇不當(dāng)，容易造成煤炭資源的損失，甚至發(fā)生生產(chǎn)事故，對回采造成嚴(yán)重影響。為解決這些問題，通過分析工作面地質(zhì)條件，對回采工藝進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計完善的過斷層技術(shù)措施，為類似的工作面回采提供可借鑒的方案。

1 工作面概況

伯方煤礦3305 工作面為綜采放頂煤工作面，全部垮落法管理頂板，主采煤層為山西組3#煤，煤層平均厚度5.3 m，單斜構(gòu)造，平均傾角8°，平均埋深480 m。工作面走向長度2250 m，傾斜長度225 m。

3305 工作面地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，回采范圍內(nèi)揭露多條近正交斷層，斷層落差0.8～3 m，具體參數(shù)見表1。由于斷層落差較大，且斷層影響范圍頂?shù)装遢^為破碎，在不采取措施的情況下強(qiáng)行通過不但會造成回采率和煤質(zhì)降低，同時容易產(chǎn)生片幫冒頂?shù)仁鹿?，對工作面安全高效回采影響較大。

表1 工作面斷層參數(shù)表

2 過斷層回采工藝優(yōu)化

由于受到斷層的影響，工作面煤層頂?shù)装寰植勘粩嚅_，煤層傾角發(fā)生變化，最大傾角達(dá)到11°。在斷層影響帶內(nèi)頂?shù)装鍘r層破碎，給回采帶來影響。為了解決這些問題，需要對回采工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 旋轉(zhuǎn)回采工藝

工作面回采通過斷層時，由于斷層發(fā)育方向和切眼走向存在差異，斷層會在工作面的不同位置陸續(xù)揭露，通過斷層的時間較長，需要連續(xù)采取措施確保安全過斷層，這不但降低回采速度，也增加了回采勞動組織難度。為此，通過旋轉(zhuǎn)回采可以使工作面走向與斷層發(fā)育方向基本一致，整個工作面可以同時采取相應(yīng)的過斷層措施，迅速通過斷層，縮短過斷層時間，同時減少片幫冒頂現(xiàn)象。

旋轉(zhuǎn)回采參數(shù)要根據(jù)斷層的發(fā)育方向來確定，主要是通過刮板輸送機(jī)最大彎折角和采煤機(jī)單刀進(jìn)尺進(jìn)行計算，采用局部回采空刀返回，多個循環(huán)后使工作面兩巷的回采長度發(fā)生變化，最終使工作面走向平行于斷層。通常情況下，在回采工作面揭露斷層前5 m 要完成工作面的旋轉(zhuǎn)。以F56 斷層為例，斷層走向與工作面走向相差約8°，需要通過反復(fù)的局部回采，使工作面機(jī)頭超前機(jī)尾約20 m，使工作面與斷層平行，一次性通過斷層。

2.2 工作面回采高度及傾角調(diào)整

工作面回采過斷層之前，要根據(jù)斷層落差和煤層傾角等參數(shù)對回采方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案見圖1。根據(jù)圖1 可知，當(dāng)工作面回采到與斷層距離L時，綜采設(shè)備需抬高一定角度。根據(jù)此位置煤層傾角和綜采設(shè)備參數(shù)，L的計算公式如下：

式中

H-斷層落差，m；

α-煤（巖）層傾角，（°）；

β-綜采設(shè)備仰角，β最大取值12°。

通過對3305 工作面斷層參數(shù)進(jìn)行分析，該工作面在通過F56、F44 和F42 這三條斷層時需要進(jìn)行仰采，為減少通過斷層的時間，最大限度地提供回采率和煤質(zhì)，β取值12°。計算可得其L 值分別為10.2 m、12.1 m、13.6 m。為減少破巖量，在通過斷層前，首先將采高降低為4 m，在通過斷層期間保持采高穩(wěn)定，在進(jìn)行仰采之前采用破頂留底煤方式推進(jìn)，在通過斷層后，逐漸減少仰角并提高采高，恢復(fù)至正常狀態(tài)。

圖1 回采高度和傾角優(yōu)化

3 工作面過斷層回采技術(shù)方案

3.1 不連續(xù)單向進(jìn)刀割煤方案

在斷層影響范圍內(nèi)，煤層以及頂?shù)装迨軜?gòu)造運(yùn)動的影響較為破碎，在回采過程中容易出現(xiàn)冒頂。所以除了上述回采工藝優(yōu)化之外，還應(yīng)該對相應(yīng)回采方案進(jìn)行調(diào)整，確保工作面安全通過斷層。根據(jù)大量生產(chǎn)經(jīng)驗分析，回采至斷層區(qū)域時，煤壁比較雜亂，刮板輸送機(jī)和支架護(hù)板不能充分地與煤壁接觸，使煤壁支撐力不足，由于煤體結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致片幫。

針對這種情況，提出以斷層揭露點(diǎn)為分界進(jìn)行不連續(xù)的單向割煤方案，即從機(jī)尾進(jìn)刀改為從斷層影響區(qū)域以外位置進(jìn)刀的方法進(jìn)行回采?；夭闪鞒桃妶D2。

圖2 不連續(xù)單向進(jìn)刀方案

以F56 斷層處回采為例，其割煤流程如下：

（1）采煤機(jī)從機(jī)頭向機(jī)尾采煤時，工作面快要揭露斷層時，揭露點(diǎn)以上綜采支架正常移架對煤層頂板及時支撐，通過斷層預(yù)揭露點(diǎn)后，刮板輸送機(jī)和支架先不移動，將采煤機(jī)移至機(jī)尾。

（2）當(dāng)采煤機(jī)向機(jī)頭移動時，通過斷層影響帶時空刀移動，至斷層預(yù)揭露點(diǎn)后，采煤機(jī)進(jìn)行斜切進(jìn)刀，同時移動下側(cè)液壓支架和刮板輸送機(jī)，對煤層頂板進(jìn)行支撐，然后空刀返回對斷層影響帶內(nèi)的煤層進(jìn)行截割。

（3）斷層影響帶內(nèi)的煤層截割完畢后再次空刀返回至揭露點(diǎn)，并對揭露點(diǎn)以上至機(jī)頭段進(jìn)行正?；夭?。一個單向進(jìn)刀循環(huán)完成，開始下一個循環(huán)。

3.2 巖壁預(yù)裂爆破

在通過斷層過程中往往由于斷層落差導(dǎo)致回采斷面存在大塊巖石，特別是對于堅硬巖石若直接利用采煤機(jī)進(jìn)行截割，會對采煤機(jī)滾筒和截齒造成損壞。所以在工作面存在大量巖石時要對巖石進(jìn)行預(yù)裂爆破，破壞巖層的原生結(jié)構(gòu)使其產(chǎn)生大量裂隙，然后再利用采煤機(jī)進(jìn)行截割。在爆破的過程中要對綜采設(shè)備進(jìn)行防護(hù)。巖體爆破的炮眼布置圖見圖3。對于全巖斷面布置4 排松動爆破孔，炮孔間距1.0 m，排距0.9 m，深度1.5 m。最上部炮孔距頂板0.8 m，仰角5～10°；最下部炮孔距底板0.5 m，俯角10～15°；中間炮孔垂直于巖壁。

圖3 預(yù)裂爆破布置圖

采面進(jìn)行預(yù)裂爆破后，再利用采煤機(jī)進(jìn)行截割，運(yùn)行速度控制在4 m/min。在回采過程中，要按照過斷層設(shè)計方案調(diào)整采高，采煤機(jī)單次截割深度為0.6 m，則每3 刀完成一次截割循環(huán)，根據(jù)斷層情況再次進(jìn)行爆破，直到工作面完全通過斷層。

3.3 煤層頂板控制措施

為避免過斷層期間煤層頂板出現(xiàn)冒頂，要嚴(yán)格保證液壓支架的支撐效果。端頭支架必須及時接頂，并確保側(cè)護(hù)板支護(hù)良好，防止發(fā)生咬架、倒架。液壓支架要快速移動支撐頂板，采取措施減少支架沉降量。如果巖壁爆破后出現(xiàn)頂板冒頂，要及時伸出液壓支架的伸縮梁進(jìn)行超前支護(hù)。

3.4 應(yīng)用效果

工作面過斷層時采取上述技術(shù)方案后，大大減少了采面過斷層的時間。與傳統(tǒng)過斷層方案相比，通過時間平均減少6 d，且在回采通過斷層期間，未發(fā)生較大的片幫、冒頂事故，證明該技術(shù)方案具有良好的應(yīng)用效果，提高了過斷層效率。

4 結(jié)語

通過對伯方煤礦3305 工作面的地質(zhì)條件進(jìn)行分析，優(yōu)化回采過斷層的技術(shù)方案：調(diào)整回采工藝，采用旋轉(zhuǎn)回采使工作面與斷層平行，并調(diào)整工作面采高和傾角，使其快速通過斷層；設(shè)計了過斷層技術(shù)措施，通過不連續(xù)單向進(jìn)刀割煤、巖壁預(yù)裂爆破、加強(qiáng)頂板控制等措施，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采。該優(yōu)化方案大大提高了工作面回采效率，應(yīng)用效果較好。