開(kāi)切眼掏矸助采過(guò)斷層技術(shù)

周 波，金志遠(yuǎn)，尹 磊，李 鑫，張 旺

(1.貴州灣田煤業(yè)集團(tuán)有限公司 湘橋煤礦，貴州 盤州 553503； 2.貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550007；3.盤州市能源局，貴州 盤州 553503)

斷層是煤礦開(kāi)采中常見(jiàn)的地質(zhì)構(gòu)造，斷層的存在常常導(dǎo)致工作面難以推進(jìn)，而且加大了工作面的安全生產(chǎn)難度。目前在工作面過(guò)斷層的技術(shù)中有幾種較為常見(jiàn)的方法：①在工作面中挑頂或者臥底直接強(qiáng)行推過(guò)[1]，但常在斷層落差小于3 m時(shí)采用；②在斷層一邊重新開(kāi)切眼，該方法常在斷層落差較大，開(kāi)采影響范圍較大時(shí)進(jìn)行采用；③在斷層之間預(yù)掘巷道過(guò)斷層技術(shù)[2-4]，該方法經(jīng)常在工作面頂?shù)装遢^為堅(jiān)硬時(shí)采用。每種方法在特定地質(zhì)環(huán)境下都有其優(yōu)劣性，選擇合適的方法過(guò)斷層可在安全生產(chǎn)的條件下大大加快礦井的生產(chǎn)，為礦井帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

1 采煤工作面概況

11001切眼布置在1號(hào)煤層中，煤層傾角為3°，煤層厚度平均2.4 m。切眼直接頂為頁(yè)巖，厚度為1.8 m；基本頂為細(xì)砂巖，厚度5.3 m。直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度為2.1 m；基本底為細(xì)砂巖，厚度4.3 m。切眼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為120 m；斷面形狀為矩形，設(shè)計(jì)凈寬3.6 m，凈高2.4 m；原斷面支護(hù)形式為錨網(wǎng)索支護(hù)，錨桿間排距為800 mm×800 mm，錨索間排距為1 600 mm×3 200 mm。切眼掘進(jìn)25 m處遇到F7斷層(圖1)。

圖1 沿切眼軸向的斷層剖面布置Fig.1 Layout of the fault section along the axis of the incisional eye

為探明斷層產(chǎn)狀，根據(jù)工程地質(zhì)條件，布置了13個(gè)探孔，根據(jù)打鉆成果得出，F(xiàn)7斷層為正斷層，走向?yàn)楸?6°西，傾向?yàn)槟衔?14°，傾角為35°(圖2)，斷層落差為0～8 m，工作面推進(jìn)方向上距離切眼越遠(yuǎn)，斷層落差越小，距離切眼16.7 m處，斷層落差降低至3 m，距離切眼29.3 m處尖滅。

2 過(guò)斷層技術(shù)方案分析

為了減少煤炭資源浪費(fèi)，降低過(guò)斷層期間含矸率，提高過(guò)斷層效率，減少爆破對(duì)采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備的損害，根據(jù)11001切眼斷層發(fā)育情況，綜合考慮各種過(guò)斷層技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，首先排除重新開(kāi)切眼法。因?yàn)樵摲N方法一般在斷層落差較大的地質(zhì)背景中使用，這種方法需要工作面搬家，通常搬家需要2～3個(gè)月，甚至更長(zhǎng)時(shí)間，而在該工程背景下采用此方法可能將導(dǎo)致工作面圍巖弱化、資源浪費(fèi)等結(jié)果；另外，如果強(qiáng)行直接推過(guò)，會(huì)對(duì)采煤機(jī)截齒造成巨大損害，導(dǎo)致采煤成本增加。

圖2 采煤工作面F7斷層產(chǎn)狀示意Fig.2 The occurrence of F7 fault in coal mining face

根據(jù)11001切眼斷層遇到的F7斷層產(chǎn)狀特點(diǎn)，礦領(lǐng)導(dǎo)組織相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行了多次會(huì)診，最終提出2種可行的過(guò)斷層方法再進(jìn)行對(duì)比分析。①預(yù)掘巷道法。在斷層影響范圍內(nèi)沿工作面推進(jìn)方向上布置預(yù)掘巷道，根據(jù)斷層產(chǎn)狀，設(shè)計(jì)2條預(yù)掘巷道，提前將工作面推采層位上的部分堅(jiān)硬巖石提前掘出，留下巖柱支撐頂板，巖柱要基本完全壓塑，而且具有一定承載力，保證采煤機(jī)在預(yù)設(shè)推采層位上能夠正常安全推采，如圖3所示。②不規(guī)則切眼法。如圖4所示，根據(jù)揭露的F7斷層產(chǎn)狀特征，沿?cái)鄬佑绊戇吔缤獾拿簩觾?nèi)布置，且橫穿斷層區(qū)域的切眼軸向方向預(yù)斷層走向斜交，此區(qū)域斷層落差小于3.0 m。

方案1(預(yù)掘巷道法)是一種過(guò)斷層新方法，近些年才提出，在一些礦也有一定的應(yīng)用，這種方法有幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：在過(guò)斷層層位上設(shè)置若干預(yù)掘巷道，通過(guò)巷道掘進(jìn)提前處理或部分處理斷層面附近影響回采的矸石，將巖石提前掏出，降低采煤工作面過(guò)斷層影響。

與方案2相比，預(yù)掘巷道法施工成本低，可借助綜掘機(jī)械掘進(jìn)一個(gè)巷道即可，不需要來(lái)回搬運(yùn)綜采機(jī)器，避免了設(shè)備損耗、成本較高以及煤體損失量較多等問(wèn)題。因此對(duì)11001綜采工作面選用方案一(預(yù)掘巷道法)更為合理。

圖3 方案1：預(yù)掘巷道法Fig.3 Option 1：pre-dug roadway method

圖4 方案2：不規(guī)則切眼法Fig.4 Option 2：irregular notch method

合理的預(yù)掘巷斷面及巷間巖柱尺寸，既可以保證巖柱在工作面超前支承壓力作用下完全處于塑性變形區(qū)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)直接、連續(xù)切割巖柱，減少對(duì)設(shè)備的損害；又能利用巖柱存在的殘余承載能力，結(jié)合各種支護(hù)方式，保證預(yù)掘巷道圍巖得到有效控制，滿足安全使用的要求，從而使工作面達(dá)到正常生產(chǎn)。因此，本文將從預(yù)掘巷道斷面參數(shù)、巷間巖柱尺寸以及支護(hù)方案入手進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 過(guò)斷層參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)掘巷道參數(shù)確定

F7斷層上盤進(jìn)行施工預(yù)掘巷道，巷道沿?cái)鄬觾A角減小方向掘進(jìn)，并與斷層間隔一定距離，一般為2 m，一邊掘進(jìn)一邊對(duì)斷層進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)發(fā)現(xiàn)斷層方位發(fā)生變化時(shí)，第一時(shí)間對(duì)掘進(jìn)方位做出調(diào)整，保持預(yù)掘巷道與斷層方向一致。當(dāng)巷道掘進(jìn)至斷層的上盤煤層頂板與斷層下盤煤層底板對(duì)接時(shí)，此時(shí)斷層落差為3 m，停止掘進(jìn)。第一條掏矸巷道掘進(jìn)完成后，在工作面的推進(jìn)方向依次平行布置預(yù)掘巷道，布置至斷層不影響工作面正常生產(chǎn)的位置[5-7]。

(1)根據(jù)斷層產(chǎn)狀，預(yù)掘巷道1設(shè)計(jì)長(zhǎng)度23 m，預(yù)掘巷道2設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為44 m。

(2)巷道設(shè)計(jì)坡度為8°。

(3)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)斷層的上下盤進(jìn)行觀察、取樣分析，得出斷層上下兩盤的巖石性質(zhì)、硬度、裂隙發(fā)育情況、破碎程度的實(shí)際情況[8-10]，通過(guò)鉆孔對(duì)該位置的偽頂、直接頂和基本頂?shù)暮穸忍綔y(cè)，結(jié)合該處相鄰工作面過(guò)斷層的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，通過(guò)理論分析與專家論證，確定預(yù)掘巷道的斷面為矩形，設(shè)計(jì)尺寸為：凈寬3 m，凈高2.6 m。

3.2 預(yù)掘巷道間巖柱尺寸設(shè)計(jì)

為了探究最合理的預(yù)掘巷道間巖柱尺寸，得出不同巖柱留設(shè)尺寸時(shí)的應(yīng)力變化情況以及不同尺寸巖柱內(nèi)塑性區(qū)的分布情況。本文在施工前采用UDEC數(shù)值模擬軟件，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行研究。

(1)模型的建立。建立數(shù)值模擬的模型長(zhǎng)300 m、高40 m，考慮到邊界效應(yīng)的影響，兩端預(yù)留40 m的邊界煤柱寬度來(lái)抵消邊界效應(yīng)。模型的下部為固定約束，兩端設(shè)定為輥支撐，上部設(shè)為自由邊界，數(shù)值模型整體服從摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則，該模型的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在留設(shè)的巖柱中心位置，用來(lái)監(jiān)測(cè)不同尺寸巖柱的應(yīng)力變化情況。

(2)參數(shù)賦值。參數(shù)賦值見(jiàn)表1和表2。

表1 煤巖層參數(shù)Tab.1 Assignment of coal and rock parameters

(3)模擬方案。根據(jù)鄰近工作面遇到斷層的經(jīng)驗(yàn)，分別模擬留設(shè)1、2、3 m巖柱時(shí)預(yù)掘巷道及巖柱的變化情況。

表2 節(jié)理面參數(shù)Tab.2 Assignment of joint surface parameters

通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的分析，當(dāng)巖柱的留設(shè)寬度為1 m時(shí)，巖柱中心位置的應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示，應(yīng)力的變化不明顯，變化值在3%～5%，這說(shuō)明該尺寸大小的巖柱已處于破壞狀態(tài)，對(duì)頂板的支撐能力已完全喪失。留設(shè)寬度1 m的巖柱最大應(yīng)力值為5 MPa，為原巖應(yīng)力值的一半；當(dāng)巖柱的留設(shè)寬度為2 m時(shí)，巖柱中心位置的處的應(yīng)力值最大，垂直方向的應(yīng)力由中心向周圍遞減，留設(shè)寬度2 m的巖柱最大應(yīng)力值為8 MPa，是原巖應(yīng)力值的80%，此尺寸的留設(shè)巖柱承載了上覆巖層的大部分壓力，巖柱被壓脆、壓酥，采煤機(jī)可輕松切割巖柱；當(dāng)巖柱的留設(shè)寬度為3 m時(shí)，巖柱內(nèi)的最大應(yīng)力值為12 MPa，已大于原巖應(yīng)力值，表明巷道開(kāi)挖引起的側(cè)向應(yīng)力在巖柱內(nèi)集中，由于應(yīng)力峰值區(qū)域位于巖柱中心，這表明巖柱可承載住上覆巖層的巨大壓力，但是尺寸的巖柱硬度過(guò)大，采煤機(jī)切割困難，造成設(shè)備磨碎，由此可得，此尺寸不合理[11-12]。

留設(shè)不同尺寸巖柱時(shí)的塑性區(qū)分布如圖5所示。由圖5不同尺寸的受力狀態(tài)可知，巖柱尺寸為2 m時(shí)，最為合理。為驗(yàn)證這一結(jié)論，本文從塑性區(qū)分布范圍進(jìn)行分析。當(dāng)巖柱的留設(shè)寬度為1 m時(shí)，圖5(a)塑性區(qū)分布顯示，巖柱已全部處于塑性狀態(tài)，此尺寸的巖柱已被壓垮，上覆巖層的壓力直接傳導(dǎo)至采煤支架，造成支架壓死，工作面無(wú)法繼續(xù)推過(guò)斷層；當(dāng)巖柱的留設(shè)寬度為2 m時(shí)，圖5(b)塑性區(qū)分布顯示，巖柱大部分處于塑形區(qū)范圍，小部分為彈性區(qū)范圍，此尺寸的留設(shè)巖柱仍可撐起上覆巖層的巨大壓力，但也出現(xiàn)了一定程度的破壞；當(dāng)巖柱的留設(shè)寬度為3 m時(shí)，圖5(c)塑性區(qū)分布顯示，巖柱大部分處于彈性區(qū)范圍，小部分為塑性區(qū)范圍，說(shuō)明此尺寸的巖柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖5 留設(shè)不同尺寸巖柱時(shí)的塑性區(qū)分布Fig.5 Plastic zone distribution map when the size of the left rock pillar

(3)預(yù)掘巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)。首先對(duì)預(yù)掘巷道進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，前探梁為3根φ76.2 mm鋼管，前探梁上方采用4塊長(zhǎng)2 000 mm、寬120 mm、厚100 mm的小板梁接頂，并用木楔打牢，長(zhǎng)度最少大于4 m，固定裝置為螺紋錨桿和吊環(huán)，為了能承受49 kN拉力，使用3 根吊環(huán)將前探梁固定起來(lái)，每根采用相同的固定方式，3根吊環(huán)用配套的錨桿螺母與φ150 mm鋼管焊接起來(lái)。最大控頂距離2.1 m，最小控頂距0.5 m。

當(dāng)巷道掘進(jìn)完成后，再采用多種支護(hù)方式混合支護(hù)，二次支護(hù)的方案如下：①在巷道頂板上方打設(shè)由礦用12號(hào)雙工字鋼焊接而成的錨索梁，橫向布置在巷道中，長(zhǎng)度3.0 mm，每1.6 m打設(shè)1根，每根錨索梁打設(shè)錨索2根，其中錨索之間的距離為1.2 m，長(zhǎng)度6.0 m。②再配合單體液壓支柱進(jìn)行支護(hù)，單體液壓支柱沿巷道方向打設(shè)4排，其間排距為600 mm×700 mm，所有支柱“穿鞋戴帽”。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 預(yù)掘巷道圍巖變形規(guī)律

為了驗(yàn)證預(yù)掘巷道支護(hù)方案的合理性，在預(yù)掘巷道1和預(yù)掘巷道2內(nèi)，分別布置2個(gè)測(cè)站，觀測(cè)頂?shù)装逡平浚源_保預(yù)掘巷道頂?shù)装逡平靠刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，保障采煤機(jī)過(guò)斷層期間能夠正常推過(guò)。預(yù)掘巷道觀測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 預(yù)掘巷道圍巖變形規(guī)律Fig.6 Deformation law of surrounding rock of pre-dug roadway

觀測(cè)結(jié)果表明，過(guò)F7斷層期間預(yù)掘巷道1累計(jì)頂?shù)装逡平繛?03 mm，預(yù)掘巷道2累計(jì)頂?shù)装逡平繛?8 mm，頂?shù)装逡平靠刂圃诤侠矸秶鷥?nèi)，說(shuō)明提出的支護(hù)方案是合理的，采煤機(jī)過(guò)斷層期間能夠正常通過(guò)預(yù)掘巷道。

4.2 過(guò)斷層應(yīng)用效果分析

預(yù)掘巷過(guò)斷層技術(shù)在工作面應(yīng)用實(shí)施后，當(dāng)工作面通過(guò)F7斷層時(shí)，預(yù)掘巷道間2 m的巖柱被直接壓脆，采煤機(jī)輕松切割巖柱，設(shè)備基本無(wú)損耗，加之有效的支護(hù)手段以及合理的巷道參數(shù)設(shè)計(jì)，有效提高了預(yù)掘巷道頂板的穩(wěn)定性，大大減小了頂板的破碎程度，節(jié)約了工作面的回采時(shí)間，很大程度上增加了工作面的產(chǎn)量。同時(shí)，減少了破矸石量，保證了工作面煤質(zhì)，提前處理了斷層區(qū)域矸石，有效減少了對(duì)工作面機(jī)械設(shè)備的消耗。與方案2(不規(guī)則切眼法)比較，節(jié)約了搬運(yùn)采煤設(shè)備以及設(shè)備磨損所造成的費(fèi)用，同時(shí)縮短了處理不規(guī)則區(qū)域的時(shí)間。

5 結(jié)論

(1)在借鑒現(xiàn)有采煤工作面過(guò)斷層技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析了各種過(guò)斷層技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合工程遇到的F7斷層特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)礦技術(shù)人員多次會(huì)診討論，最終確定采用預(yù)掘巷道法過(guò)斷層。

(2)根據(jù)揭露的F7斷層產(chǎn)狀特點(diǎn)，確定預(yù)掘巷道1設(shè)計(jì)長(zhǎng)度23 m，預(yù)掘巷道2設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為44 m；巷道設(shè)計(jì)坡度為8°；設(shè)計(jì)凈寬3.0 m、凈高2.6 m。采用數(shù)值模擬方法，制定預(yù)掘巷道間柱分別為1、2、3 m，通過(guò)預(yù)掘巷道間柱塑性區(qū)分布特點(diǎn)分析，考慮預(yù)掘巷道間柱的穩(wěn)定性，確定合理的間柱寬度為2 m。預(yù)掘巷道支護(hù)方式采用雙工字鋼+錨索梁+單體支護(hù)方式，現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)站測(cè)試結(jié)果表明，預(yù)掘巷道最大累計(jì)頂?shù)装逡平繛?03 mm，預(yù)掘巷道斷面能夠滿足采煤機(jī)對(duì)預(yù)掘巷道的要求。

(3)確定預(yù)掘采用預(yù)掘巷道法過(guò)斷層，避免了工作面諸多設(shè)備的搬運(yùn)、撤出以及設(shè)備上井檢修費(fèi)用，有效解決了遇到斷層時(shí)接續(xù)緊張局面。與此同時(shí)，過(guò)斷層期間未對(duì)原煤回收率和煤質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響。通過(guò)對(duì)預(yù)掘巷道過(guò)斷層時(shí)巷道參數(shù)、留設(shè)巖柱尺寸以及支護(hù)方式的研究，積累了過(guò)斷層的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后綜采工作面過(guò)斷層具有很好的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 李凱，萬(wàn)振華，李小昌，等.復(fù)雜條件下綜掘面過(guò)斷層技術(shù)[J].煤礦安全，2011，42(3)：50-52.

Li Kai，Wan Zhenhua，Li Xiaochang，et al.Techniques of passing through fault in fully-mechanized roadway excavation face under complex geological conditions[J].Safety in Coal Mines，2011，42(3)：50-52.

[2] 金志遠(yuǎn)，崔波，許猛堂.采煤工作面過(guò)斷層預(yù)掘巷道間巖柱尺寸研究[J].煤礦安全，2018，49(3)：202-204.

Jin Zhiyuan，Cui Bo，Xu Mengtang.Research on rock pillar dimension between two pre-driven roadways in passing through fault of coal mining face[J].Safety in Coal Mines，2018，49(3)：202-204.

[3] 馬立強(qiáng)，余伊河，金志遠(yuǎn)，等.大傾角綜放面預(yù)掘巷道群快速過(guò)斷層技術(shù)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2015，32(1)：84-89.

Ma Liqiang，Yu Yihe，Jin Zhiyuan，et al.Fast pushing through fault of the pre-driven roadway groups in fully-mechanized top-coal caving face with big dip angle[J].Journal of Mining and Safety Engineering，2015，32(1)：84-89.

[4] 王東林.超前預(yù)掘巷道爆破過(guò)斷層技術(shù)[J].煤炭科技，2019，40(6)：91-94.

Wang Donglin.Technology of blasting through fault in advanced pre-excavation roadway[J].Coal Science & Technology Magazine，2019，40(6)：91-94.

[5] 劉成虎，張明玉，曾現(xiàn)策.綜放工作面過(guò)斷層預(yù)掘巷道掏矸助采技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2014(7)：60-62.

Liu Chenghu，Zhang Mingyu，Zeng Xiance.Application of technology excavating waste to help mining by pre-driven roadway during fully-mechanized top coal caving working face crossing fault[J].Shandong Coal Science and Technology，2014(7)：60-62.

[6] 侯曉松，魏明華.高莊煤礦沿?cái)鄬宇A(yù)掘巷道掏矸助采技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2011(5)：118-119.

Hou Xiaosong，Wei Minghua.Research and application of gangue cutting and mining assistance technology in pre excavated roadway along fault in Gaozhuang Coal Mine[J].Shandong Coal Science and Technology，2011(5)：118-119.

[7] 鄧濤，姬生華，姜繼巧.綜放工作面沿?cái)鄬宇A(yù)掘巷道掏矸助采技術(shù)的研究應(yīng)用[J].水力采煤與管道運(yùn)輸，2011(3)：21-24.

Deng Tao，Ji Shenghua，Jiang Jiqiao.Research and application of gangue cutting and mining aid technology in pre excavating roadway along fault in fully-mechanized top coal caving face[J].Hydraulic Coal Mining & Pipeline Transportation，2011(3)：21-24.

[8] 馬震.斷層構(gòu)造影響帶巷道全錨索支護(hù)技術(shù)[J].能源與環(huán)保，2020，42(9)：244-249.

Ma Zhen.Full anchor cable supporting technology for roadway in the zone affected by fault structure[J].China Energy and Environmental Protection，2020，42(9)：244-249.

[9] 岳擁軍.工作面注漿加固技術(shù)在快速過(guò)斷層中的應(yīng)用[J].能源與環(huán)保，2020，42(7)：70-73.

Yue Yongjun.Application of grouting reinforcement for fast passing through fault in working face[J].China Energy and Environmental Protection，2020，42(7)：70-73.

[10] 李懿.韓家戶溝—馬家臺(tái)勘查區(qū)Fh-4斷層特征及其對(duì)煤層賦存的影響[J].能源與環(huán)保，2020，42(1)：71-74，80.

Li Yi.Characteristics of Fh-4fault in Hanjiahugou—Majiatai exploration area and its influence on coal seam occurrence[J].China Energy and Environmental Protection，2020，42(1)：71-74，80.

[11] 李玉輝.淺層地震勘探在城市活斷層探測(cè)中的應(yīng)用[J].能源與環(huán)保，2018，40(12)：93-97.

Li Yuhui.Application of shallow seismic exploration in urban active fault detection[J].China Energy and Environmental Protection，2018，40(12)：93-97.

[12] 朱江波.回采工作面過(guò)斷層預(yù)掘巷道間巖柱尺寸留設(shè)模擬分析[J].當(dāng)代化工研究，2018(12)：82-83.

Zhu Jiangbo.Simulation analysis of rock pillar size in mining roadway through fault pre excavation[J].Modern Chemical Research，2018(12)：82-83.