15110 大采高綜采工作面過斷層技術(shù)研究

段春陽

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000）

受地質(zhì)作用影響，工作面回采過程經(jīng)常會遇到斷層等地質(zhì)構(gòu)造[1-2]。斷層的存在將在一定程度上影響工作面安全生產(chǎn)，同時(shí)導(dǎo)致工作面推進(jìn)速度大幅降低[3]。當(dāng)斷層落差較小時(shí)（小于工作面采高），一般可以采取直接通過的方法[4-5]。斷層落差較大時(shí)，工作面采煤機(jī)截割巖石將直接影響工作面的正常推進(jìn)，同時(shí)對采煤機(jī)滾筒造成損傷，而若選擇避開斷層則會造成煤炭資源的大量損失[6]。針對寺家莊煤礦15110 大采高綜采工作面回采期間遇到DSF006斷層問題，對大采高工作面過斷層技術(shù)進(jìn)行研究，研究結(jié)果對類似條件工作面的順利回采具有良好的參考價(jià)值。

1 概況

15110 工作面走向長度2090 m，傾向長度為178 m，煤層平均厚度為5.29 m，采用走向長壁大采高一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法。工作面共安裝105 架液壓支架，其中機(jī)頭配備3 架ZYD12000-22.5/45DA 型端頭支架、2 架ZYG12000-26/56DA型過渡支架，機(jī)尾配備4 架ZYD12000-30/68D 型端頭支架，中部配備96 架ZY12000-30/68D 型大采高液壓支架，工作阻力均為12 000 kN。15110 工作面回采過程中揭露DSF006 逆斷層，影響工作面機(jī)頭至73#支架，最大落差在工作面40～51 架之間，落差最大約為12.2 m。斷層圍巖巖性為砂巖，硬度系數(shù)f 為3.8～4.6。結(jié)合公司現(xiàn)場管理水平、技術(shù)裝備水平、斷層預(yù)測情況、經(jīng)濟(jì)效益等因素綜合考慮，最終確定硬過逆斷層方案。

2 工作面回采工藝優(yōu)化

受工作面范圍內(nèi)斷層影響，工作面傾斜角度將發(fā)生一定的改變，導(dǎo)致工作面部分區(qū)域煤層走向角度增大，同時(shí)，煤層及頂板結(jié)構(gòu)較破碎，因此有必要對工作面過斷層期間的開采工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 工作面調(diào)斜

由于回采工作面布置方向與斷層方向有一定差異，為使工作面回采過程中可以最大范圍與斷層相接，需采取工作面調(diào)斜措施。調(diào)斜后，斷層對工作面布置方向的影響范圍將降至最小，有利于工作面生產(chǎn)期間的管理，同時(shí)在一定程度上減少煤壁片幫的發(fā)生頻率。工作面調(diào)斜角度主要由斷層走向角度確定，并在工作面推進(jìn)至距斷層5 m 前完成調(diào)斜。例如工作面推進(jìn)至DSF006 斷層時(shí)，由于斷層走向角度為125°，正常生產(chǎn)情況下機(jī)頭與機(jī)尾的傾斜角度為133°，為使工作面與斷層相接，工作面機(jī)頭推進(jìn)速度應(yīng)高于機(jī)尾，機(jī)頭超前機(jī)尾18～25 m。

2.2 調(diào)整采高

過斷層前，應(yīng)根據(jù)斷層具體情況設(shè)計(jì)相應(yīng)的工作面推進(jìn)方案。圖1 為15110 工作面過斷層期間的推進(jìn)方案，由圖1可知，工作面推進(jìn)至距斷層面L時(shí)，根據(jù)煤層在該處的傾斜角度以及工作面開采裝備性能情況，工作面將呈一定仰角進(jìn)行仰斜開采，仰采期間工作面需推進(jìn)距離L的計(jì)算方式為：

圖1 工作面過斷層處

式中：H為該位置斷層落差，m；α為煤層傾角，（°）；β為工作面仰斜開采角度，（°），根據(jù)工作面裝備情況，β應(yīng)小于12°。

DSF006 斷層的落差為12.5 m，工作面仰斜開采角度β按12°計(jì)算，則工作面應(yīng)在距離斷層面36 m 處開始仰采開采，采取挑頂留底煤的方法推進(jìn)。同時(shí)，在工作面仰采前將采高調(diào)整為4.0 m，并在仰斜開采過程中保證4.0 m 采高不變。在工作面推過斷層面后，逐漸減小仰斜角度直至恢復(fù)至正?；夭山嵌?，同時(shí)將采高調(diào)整至原始采高。

3 過斷層技術(shù)措施

3.1 過斷層割煤方案

受斷層影響，其附近煤層及頂?shù)装鍘r層一般十分破碎，工作面推進(jìn)過程中極易發(fā)生片幫、冒頂?shù)仁鹿?。大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，工作面在斷層區(qū)域割煤時(shí)，煤壁較為雜亂，這導(dǎo)致液壓支架護(hù)幫板無法與煤壁充分接觸，致使難以對煤壁形成穩(wěn)定的控制，進(jìn)而導(dǎo)致片幫、冒頂?shù)仁鹿?。基于此，根?jù)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)情況，提出不在斷層區(qū)域進(jìn)刀割煤的單向割煤工藝，通過將進(jìn)刀位置提前至斷層區(qū)以外的方法實(shí)現(xiàn)工作面的順利割煤，工藝流程如圖2。

圖2 斷層影響區(qū)域進(jìn)刀及割煤方式

割煤流程為：

（1）在工作面機(jī)頭向工作面機(jī)尾割煤過程中，當(dāng)即將揭露斷層時(shí)，斷層區(qū)域外及時(shí)移架支護(hù)工作面頂板，而斷層區(qū)域內(nèi)不推移刮板輸送機(jī)及支架；

（2）采煤機(jī)從工作面機(jī)尾向機(jī)頭運(yùn)行時(shí)，在斷層區(qū)域跑空刀，當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行至斷層區(qū)域以外時(shí)，采煤機(jī)開始斜切進(jìn)刀，此時(shí)推移斷層區(qū)域內(nèi)的刮板輸送機(jī)與液壓支架支護(hù)頂板，然后調(diào)換采煤機(jī)滾筒，反向割煤；

（3）當(dāng)采煤機(jī)割完斷層區(qū)域的煤體后，調(diào)換滾筒方向，從工作面機(jī)尾向機(jī)頭運(yùn)行，在斷層區(qū)域跑空刀，到達(dá)斷層區(qū)域外時(shí)正常割煤直至完成一個(gè)割煤循環(huán)。

3.2 工作面松動爆破切割矸石

工作面過斷層期間，采煤機(jī)需要對煤層頂?shù)装鍘r石進(jìn)行截割，而斷層區(qū)巖石強(qiáng)度要大于煤體，這將對采煤機(jī)滾筒造成損傷。因此，需要對工作面范圍內(nèi)硬度較大（f＞3）的巖石進(jìn)行松動爆破，然后使用采煤機(jī)截割過斷層。

工作面炮孔布置方式如圖3，共布置炮孔4 排，炮孔間排距為1.0 m×0.9 m，炮孔深度為1.5 m。最上排炮孔距工作面頂板距離為0.8 m，炮孔軸線與水平面夾角為5°～10°，炮孔向上傾斜，最下排炮孔距工作面底板距離為0.5 m，炮孔軸線與水平面夾角為10°～15°，炮孔向下傾斜，中間兩排炮孔軸線垂直于煤壁。

圖3 爆破炮孔布置圖

工作面松動爆破后，采煤機(jī)再進(jìn)行截割，截割深度為0.8 m。每次爆破后采煤機(jī)共截割3 刀，截割期間采煤機(jī)牽引速度保持在5 m/min。當(dāng)完成3刀截割后，再進(jìn)行下一循環(huán)預(yù)裂爆破，直至工作面通過斷層區(qū)域。

3.3 過斷層期間頂板控制措施

為確保過斷層期間工作面頂板不出現(xiàn)冒頂?shù)仁鹿?，現(xiàn)場生產(chǎn)中應(yīng)對液壓支架的支護(hù)性能進(jìn)行嚴(yán)格控制。工作面端頭支架應(yīng)及時(shí)接頂，并支護(hù)好側(cè)護(hù)板，防止支架出現(xiàn)倒架、咬架等問題。移架過程應(yīng)盡可能減少頂板沉降量，采用帶壓移架方式，快速移動支架支護(hù)頂板。若工作面松動爆破后出現(xiàn)冒頂?shù)葐栴}，支架應(yīng)及時(shí)伸出伸縮梁支護(hù)工作面頂板。

3.4 效果分析

采取上述技術(shù)后，過斷層期間工作面推進(jìn)效率顯著提升，相比以往過斷層方法，工作面推進(jìn)速度提升1 倍以上。同時(shí)，工作面過斷層期間，未出現(xiàn)冒頂、片幫等事故。這表明該技術(shù)方案取得了良好的應(yīng)用效果，能夠有效保證工作面安全、快速通過斷層。

4 結(jié)論

通過對大采高工作面過大型斷層技術(shù)進(jìn)行研究，提出了一整套過斷層期間的技術(shù)措施。在回采工藝方面，采用工作面調(diào)斜與調(diào)整采高進(jìn)行仰斜開采的工藝有效降低了工作面過斷層的技術(shù)難度；同時(shí)，通過采用松動爆破等技術(shù)對斷層巖石進(jìn)行爆破弱化，避免了采煤機(jī)滾筒受損，提高了工作面的推進(jìn)速度。