復(fù)雜地質(zhì)條件工作面構(gòu)造探測及智能化開采技術(shù)

梁文彬，范 凱，卓 軍

（四川華鎣山龍灘煤電有限責(zé)任公司，四川 廣安638020）

煤礦智能化是適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)革命發(fā)展趨勢(shì)、保障國家能源安全，實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐[1]。智能化綜采作為領(lǐng)跑者，目前已在國內(nèi)基于成熟，已建成145 個(gè)智能化綜采工作面，如黃陵一礦、紅柳林礦、兗礦轉(zhuǎn)龍灣礦、寧煤金鳳礦、淮南張集礦、棗莊濱湖礦等[2-3]。智能化綜采作為煤礦開采發(fā)展的方向，目前已在全國各地推廣，但這主要建立在地質(zhì)條件簡單、煤層賦存條件較好的綜采工作面[4-8]。為提高智能化綜采過地質(zhì)構(gòu)造適應(yīng)性，以龍灘煤電公司3124S 智能化綜采工作面過地質(zhì)構(gòu)造為工程背景，分析地質(zhì)構(gòu)造條件及開采難點(diǎn)，制定構(gòu)造探測及開采技術(shù)方案，并經(jīng)過工業(yè)實(shí)踐，智能化綜采工作面地質(zhì)構(gòu)造探測及開采取得顯著效果，實(shí)現(xiàn)工作面地質(zhì)構(gòu)造段安全高效開采，提高智能化綜采適應(yīng)性。

1 工作面概況

龍灘煤電公司3124S 工作面是四川省第1 個(gè)智能化綜采工作面，布置于礦井312 采區(qū)第1 階段南翼，工作面走向長1 486 m，傾向長197.5 m。該工作面煤層傾角3°～7°，平均傾角5°，煤層總厚0.7～2.57 m，平均1.55 m，工作面面積294 434 m2，地質(zhì)儲(chǔ)量65.99 萬t，可采儲(chǔ)量為64.01 萬t。工作面煤層頂板基本穩(wěn)定，偽頂厚度為0～0.4 m，深灰色砂質(zhì)泥巖；直接頂厚度為4.6～6.5 m，深灰色砂質(zhì)泥巖；基本頂厚度為4.95～7.4 m，深灰色層狀泥晶灰?guī)r，深灰色泥巖。該工作面采用巷道遠(yuǎn)程集中控制、采煤機(jī)記憶割煤、自動(dòng)跟機(jī)拉架推溜等智能化綜采工藝，機(jī)巷橋轉(zhuǎn)機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)機(jī)尾自動(dòng)推移，智能化控制平臺(tái)、綜保電源與變壓器等輔助設(shè)備均布置于機(jī)巷串聯(lián)成車整體隨移。工作面機(jī)、風(fēng)巷按煤層走向沿頂板按中線布置，機(jī)巷K0+940 m～K1+160 m段在掘進(jìn)施工過程中遇地質(zhì)構(gòu)造，并向工作面延伸，巷道內(nèi)煤層紊亂、起伏不定、頂板破碎，初步判斷為走向斷層。

2 開采難點(diǎn)

1）工作面內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)不清，不能準(zhǔn)確地判斷地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層破壞及安全智能開采的影響程度。

2）工作面受構(gòu)造影響，煤層及頂板存在破碎帶，回采過程中容易引起煤壁片幫和頂板垮冒事故。

3）機(jī)巷構(gòu)造段巷道坡度起伏較大，局部段形成高冒區(qū)，機(jī)巷超前支護(hù)容易出現(xiàn)接頂不實(shí)等現(xiàn)象。

4）工作面內(nèi)構(gòu)造段瓦斯抽放存在盲區(qū)，可能造成因瓦斯治理不到位影響智能化工作面正常生產(chǎn)。

5）工作面受構(gòu)造走向影響區(qū)域較長，傾向起伏變化較大，制約智能化設(shè)備安全高效開采。

3 構(gòu)造探測及開采方案

3.1 地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)探測

為準(zhǔn)確掌握3124S 工作面煤層賦存狀況，查清斷裂構(gòu)造空間基本形態(tài)，為智能化安全高效開采提供依據(jù)，對(duì)機(jī)巷地質(zhì)構(gòu)造采用鉆孔進(jìn)行探查。地質(zhì)探查鉆孔于機(jī)巷巷幫煤層開口，按垂直于工作面走向、間隔10～20 m 布置1 組，每組設(shè)計(jì)1～3 個(gè)鉆孔，深度為100 m，鉆孔傾角按煤層傾角和±5°進(jìn)行布置。通過現(xiàn)場施工12 組22 個(gè)地質(zhì)探查鉆孔資料分析，3124S 機(jī)巷K0+940 m～K1+160 m 范圍內(nèi)共發(fā)育2 條斷裂構(gòu)造，分別為3124SJ-1 正斷層及3124SJ-2逆斷層。其中3124SJ-1 正斷層發(fā)育于3124S 機(jī)巷K0+940 m～K1+160 m 段，實(shí)測地層斷距0.2～2.8 m，斷層傾角30°～80°、斷層傾向275°～285°，該斷層自3124S 機(jī)巷K0+970 m 處進(jìn)入工作面，K1+146 m 重新進(jìn)入巷道內(nèi)，切割工作面走向長度共計(jì)176 m，切割工作面最遠(yuǎn)17.78 m；3124SJ-2 逆斷層發(fā)育于3124S 機(jī)巷K1+21 m～K1+145 m 段，實(shí)測地層斷距0～0.8 m，斷層傾角60°～70°、斷層傾向285°～295°，該斷層未切割工作面，大致沿巷道方位發(fā)育、直至尖滅，地質(zhì)鉆孔平剖面布置探測成果圖如圖1。

圖1 地質(zhì)鉆孔平剖面布置探測成果圖Fig.1 Exploration results of geological drilling plane section layout

3.2 構(gòu)造頂板注漿加固

工作面斷層附近煤層及頂板受壓變形形成破碎帶，回采推進(jìn)過程中易發(fā)生煤壁片幫及頂板垮冒，需提前進(jìn)行注漿加固[9]。注漿加固參數(shù)主要包括滲透半徑、封孔長度、注漿壓力、注漿量、注漿時(shí)間等。注漿漿液選用水灰比為1∶1 的水泥-水玻璃混合漿液，根據(jù)有關(guān)理論公式計(jì)算，漿液的擴(kuò)散半徑在壓力為4 MPa 時(shí)為12 m，以擴(kuò)散半徑10 m 為依據(jù)，注漿孔終孔間距為20 m，即在機(jī)巷間隔20 m 沿工作面傾向向斷層施工1 組注漿鉆孔，每組布置3 個(gè)鉆孔，分別對(duì)斷層煤層及上、下5 m 進(jìn)行注漿，斷層注漿加固示意圖如圖2。 封孔長度參照夠承受孔內(nèi)漿液壓力和防止孔內(nèi)煤巖松散區(qū)漿液外滲流失為依據(jù)，一般為鉆孔長度的1/3。

圖2 斷層注漿加固示意圖Fig.2 Schematic diagram of fault grouting reinforcement

3.3 巷道優(yōu)化挑頂改造

根據(jù)3124S 機(jī)巷地質(zhì)構(gòu)造鉆孔探測結(jié)果，3124SJ-1 正斷層切斷工作面最遠(yuǎn)17.78 m，斷距達(dá)到2.8 m，對(duì)后期工作面瓦斯防突和智能化高效開采構(gòu)成安全威脅，需對(duì)該段巷道進(jìn)行挑頂改造。巷道挑頂高度以3124SJ-1 正斷層下盤煤層頂板延伸線作為參考，保證回采工作面平直度。巷道改造斷面及支護(hù)方式與原巷道一致，挑頂后的矸石回填底板，并用水泥灌注硬化，防止軟底影響智能化開采過程中橋轉(zhuǎn)機(jī)、帶式輸送機(jī)機(jī)尾推移。巷道挑頂改造示意如圖3。

圖3 巷道挑頂改造示意圖Fig.3 Schematic diagram of roadway roof lifting transformation

3.4 機(jī)巷超前鋪設(shè)假頂

在巷道挑頂過程中，由于頂板層理發(fā)育、頂板破碎，頂板容易離層垮冒形成高冒區(qū)，工作面回采過程中超前支護(hù)難以接頂[10]。該段頂板在回采前采用單體支柱配合11#工字鋼、鋼筋網(wǎng)、笆片、枕木等架設(shè)木垛的方式進(jìn)行支護(hù)。采用3 根11#工字鋼順巷道走向布置在高冒區(qū)下方，兩端采用錨索、錨桿鎖至頂板；再采用11#工字鋼順巷道傾向鋪設(shè)在上方，排距800 mm；并在11#工字鋼上方鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、笆片；最后在搭好的支護(hù)平臺(tái)上用枕木按“#”字型方式架設(shè)木垛接頂；枕木采用抓釘連成整體，木垛保證接頂嚴(yán)實(shí)，最后將傾向鋼梁兩端采用單體液壓支柱支撐固定在頂板上，并采用防倒繩將單體支柱連接固定。

3.5 災(zāi)害治理補(bǔ)充強(qiáng)化

按照工作面局部存在地質(zhì)構(gòu)造，采取“區(qū)域性強(qiáng)化預(yù)抽+局部補(bǔ)充治理”的思路對(duì)該構(gòu)造段進(jìn)行治理。工作面區(qū)域防突措施采取順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯措施，鉆孔由機(jī)、風(fēng)巷順煤層傾向平行布置，孔間距1.5～2 m，孔深100 m，孔徑94 mm 或115 mm，每間隔10 m 實(shí)施1 個(gè)水力壓裂孔，孔深90 m。機(jī)巷構(gòu)造段在巷道改造前后分別對(duì)3124SJ-1正斷層上、下盤進(jìn)行災(zāi)害治理。挑頂改造前，在3124S 機(jī)巷構(gòu)造段實(shí)施抽排孔措施，鉆孔按1.5 m 孔間距布置，孔徑115 mm，孔深施工至斷層面見矸為止；改造后采取高密度鉆孔預(yù)抽方案，在構(gòu)造段按1 m 孔間距施工鉆孔，孔深100 m，孔徑94 mm，預(yù)抽斷層下盤煤層瓦斯。區(qū)域性強(qiáng)化預(yù)抽主要采取深孔預(yù)裂爆破措施，按40 m 孔間距施工80 m 深孔預(yù)裂爆破孔，進(jìn)行預(yù)裂爆破增透促抽。局部補(bǔ)充治理主要采取加強(qiáng)排放孔與淺孔注水措施，工作面推至距構(gòu)造段前10 m 直至過完構(gòu)造后10 m 期間的區(qū)域驗(yàn)證均采取加強(qiáng)排放孔與淺孔注水措施，加強(qiáng)排放孔個(gè)數(shù)、深度以及注水孔重點(diǎn)布置在工作面斷層影響范圍內(nèi)或局部抽采盲區(qū)以及煤層瓦斯異常、瓦斯涌出量大的局部區(qū)域。

3.6 煤機(jī)破巖智能開采

根據(jù)斷層結(jié)構(gòu)形態(tài)及巷道挑頂改造，工作面需通過3124SJ-1 正斷層上盤煤層頂板巖石區(qū)域。由于智能化工作面設(shè)備精密，管纜線布置較多，若采用松動(dòng)爆破破巖，需撤除部分精密設(shè)備，并對(duì)部分無法撤出設(shè)備構(gòu)成破壞性影響。因此，采用高強(qiáng)度大直徑肯納金屬重型破巖滾筒，實(shí)施割煤機(jī)破巖智能化開采。斷層上盤區(qū)域巖石采取多循環(huán)、淺截深方式破巖，工作面每刀增加破巖高度0～100 mm，以保證機(jī)巷頂板與斷層下盤煤層頂板平直為基準(zhǔn)。工作面斷層至機(jī)巷影響范圍內(nèi)，采高控制縮小至最低，減少割矸量。智能化綜采端部自動(dòng)切割和跟機(jī)拉架加強(qiáng)人工干預(yù)，采煤機(jī)切割速度控制在3 m/min 以內(nèi)。工作面在進(jìn)入和退出斷層期間，支架上方頂板破碎易漏矸，采取在支架上方背鋼梁、木料、芭片等措施；過斷層過程中，割煤后采取跟機(jī)、帶壓移架，溜子彎曲長度大于15 m；斷層面煤巖交接處易片幫，采取貼幫支柱；工作面底板煤層較軟，采用單體支柱和支架抬底裝置輔助移架，防止支架插底；割煤機(jī)進(jìn)刀避開斷層面和頂板破碎段。

4 實(shí)踐效果

龍灘煤電公司3124S 智能化綜采工作面于2019 年9 月26 日開始進(jìn)入3124SJ-1 正斷層，于11月15 日完成斷層構(gòu)造段回采，剔除影響，實(shí)際回采用時(shí)42 d?；夭蛇^程中，工作面采用“兩采一準(zhǔn)”開采工藝，實(shí)測斷距0.2～2.3 m，沿巷道走向切割工作面，含破碎帶影響工作面傾向50 m，斷層對(duì)下段30 m 及機(jī)巷影響較大。通過前期的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)探測、構(gòu)造頂板注漿加固、巷道優(yōu)化挑頂改造、機(jī)巷超前鋪設(shè)假頂、災(zāi)害治理補(bǔ)充強(qiáng)化、煤機(jī)破巖智能開采等一系列技術(shù)方案實(shí)施，智能化綜采工作面實(shí)現(xiàn)了安全高效推過斷層，回采期間未發(fā)生輕傷及以上安全事故、瓦斯未突未超、頂板未垮未漏，工作面月產(chǎn)量達(dá)到7.8 萬t，取得了顯著效果。

5 結(jié) 論

1）根據(jù)巷道揭露構(gòu)造情況進(jìn)行預(yù)判，利用地質(zhì)鉆孔進(jìn)行補(bǔ)充探測，查清工作面內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)，為準(zhǔn)確判斷地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層破壞及安全開采影響程度提供依據(jù)。

2）在機(jī)巷分段對(duì)工作面受構(gòu)造影響煤層及頂?shù)装迤扑閲鷰r進(jìn)行鉆孔注水泥-水玻璃混合漿，加固破碎圍巖，解決了回采過程中易出現(xiàn)煤壁片幫和破碎頂板易垮冒的問題。

3）結(jié)合已探測斷層沿工作面走向延伸較長、影響傾向距離較短特性，以斷層落差為依據(jù)按遠(yuǎn)端煤層頂板延伸線做參考實(shí)施巷道挑頂改造，減少了工作面起伏變化，實(shí)現(xiàn)了智能化綜采過斷層安全高效開采。

4）在機(jī)巷構(gòu)造段超高段采用“工字鋼抬棚+錨索梁+木垛鋪設(shè)假頂”主動(dòng)與被動(dòng)相結(jié)合的支護(hù)方式，有效解決了巷道超高或頂板不平超前支護(hù)接頂不實(shí)的難題。

5）在機(jī)巷挑頂改造前后分別對(duì)斷層上、下盤實(shí)施順層傾向鉆孔瓦斯抽采治理，實(shí)施深孔預(yù)裂爆破區(qū)域性強(qiáng)化和加密排放孔與淺孔注水局部補(bǔ)充治理措施，有效解決了工作面內(nèi)構(gòu)造段瓦斯抽放易存在盲區(qū)制約工作面正常生產(chǎn)的問題。