以“避、讓”為中心的綜采工作面過斷層方法的研究與實踐

王振偉，張假妮

(1.臨沂礦業(yè)集團有限責任公司，山東 臨沂 276017；2.山東能源集團魯西礦業(yè)有限公司，山東 菏澤 274700)

斷層是影響煤礦生產(chǎn)的重要因素，主要表現(xiàn)在影響產(chǎn)量、煤質、推進速度、設備完好程度以及由其帶來的次生災害。在綜合機械化工作面推采過程中，工作面遇到斷層時一般會采用“強推硬過”和“避、讓”兩種方式，同時輔以調整采高、挑頂臥底、爆破落矸、加強支護、注漿加固、重開切眼跳采等工藝手段[1-5]。在“強推硬過”方式中，張東升等[6]提出在工作面斷層巖石中垂直于工作面的位置布置預掘巷道，產(chǎn)出的矸石堆放在順槽下幫煤壁預掘貯矸硐室內，充分減少回采過程中巖石切割量，并通過置換回收部分煤炭資源；李永升[7]、馬立強等[8]提出在工作面斷層巖石中與工作面斜交的位置布置預掘巷道群，利用工作面超前支承壓力使預掘巷間巖柱完全發(fā)生塑性變形，實現(xiàn)采煤機直接切割巖柱，降低回采期間的矸石采出量，提高推采速度，避免推采期間的爆破作業(yè)。在“避、讓”方式中，盧前明等[9]、梁希峰等[10]通過施工改造巷縮小工作面或新開切眼避開斷層，缺點是需要回撤支架。在頂板管理方面，常景保等[11]提出在工作面巖石段通過爆破破巖，頂部用錨桿金屬網(wǎng)加強支護方式強過斷層；戴偉[12]提出采用預注水泥、化學漿加固頂板方式強過斷層?？偨Y上述各類方法的優(yōu)劣可知，采用“強推硬過”的方式可以避免搬家撤架，但需要進行爆破破巖，進而導致煤質差、安全管理難度大、對設備損壞較大等問題[13]；采用“避、讓”的方式過斷層時，局部“避、讓”會出現(xiàn)頻繁加(減)支架影響工作面正常推采速度，導致安全管理難度大等問題，整體“避、讓”會使得工作面安裝(回撤)周期長，造成回采脫節(jié)、煤炭回收率低等問題?；谝陨涎芯砍晒蛦栴}，本文提出了以采煤工作面整體“避、讓”為中心的過斷層方法，在對影響工作面的斷層和工作面內煤層的空間賦存狀態(tài)進行詳細分析的基礎上，重新對工作面兩巷和采煤工作面回采區(qū)域進行調整改造，最大可能避免斷層巖石段對回采區(qū)域的影響，可以有效兼顧煤炭采出量、工作面推進速度、安全管理等各方面。基于這一原則在確定工作面改造方案中提出“掘新巷、改舊巷、不安撤、保儲量、提煤質、定產(chǎn)量”的原則，通過改變工作面推進方向來避開巖石，實現(xiàn)工作面過斷層的安全、經(jīng)濟、高效開采。

1 工程概況

古城煤礦位于兗州礦區(qū)北部，屬華北賦煤區(qū)魯西南含煤區(qū)(HB21)[14]，主要含煤地層為石炭-二疊紀太原組、山西組。礦井主采3煤層，3煤層平均厚度8.49 m，傾角∠7°～22°；該煤層易自燃，自燃發(fā)火期28 d。受地面村莊影響，采用條帶采煤法開采，工作面采寬100 m，煤柱留寬100 m。各工作面的位置在兼顧采區(qū)邊界大斷層情況下，在采區(qū)設計中均已確定。研究區(qū)位于礦井-850 m水平22采區(qū)2201工作面，煤層厚度8.75 m。采用綜采放頂煤開采技術，支架選用ZF6200/16.5/26.5型低位放頂煤液壓支架，共裝配68架(含端頭架、過度架)，采高1 650～2 650 mm。工作面兩順槽已掘進完成，共揭露斷層20條，其中對工作面推采影響較大的斷層群1處，斷層4條，斷層參數(shù)見表1，斷層分布如圖1所示。

表1 工作面改造區(qū)斷層參數(shù)

根據(jù)探明的斷層可以看出，工作面受影響距離約為495 m，總儲量為58.47萬t。如果采用常規(guī)的“強推硬過”方式，則無法放頂煤，估計可采煤量為15.9萬t。受3DF15斷層斜交18°侵入工作面影響，采用縮面減架方式進行回采。根據(jù)斷層侵入皮帶順槽的實際情況，計劃按照50 m寬度進行減架，預計多采出煤炭10.69萬t。但回撤工時需要94 d，預計用工3 411個，經(jīng)濟效益較差。

在對2201工作面探明斷層進行詳細分析的基礎上，充分考慮工作面整體“避、讓”情況，對工作面布置進行了重新調整。以工作面支架最低采高1 650 mm為基準，選擇3DF15斷層侵入工作面尖滅區(qū)落差為7.1 m位置作為擬改造工作面轉折點；沿斷層走向布置工作面改造皮帶順槽，同時按照工作面寬度相應布置工作面軌道順槽，改造方案見圖2。由圖2可以看出，改造后方案存在兩個問題：①2201工作面與2202工作面煤柱存在被開采三角區(qū)，是否影響煤柱穩(wěn)定性；②2201工作面改造后部分區(qū)域進入斷層煤柱，是否會引起斷層出水問題。

圖2 工作面改造方案

2 工作面間煤柱穩(wěn)定性分析

煤柱穩(wěn)定性可以通過煤柱強度計算得出，一般采用Wilson核區(qū)約束理論進行校核[15]。由于區(qū)內兩順槽和端頭段在回采時均不放頂煤，因此計算時相應考慮增大煤柱尺寸。

煤柱極限荷載計算見式(1)[16]。

P極=4γH(a-4.92mH)

(1)

式中：P極為煤柱承受極限荷載，kN/m；γ為上覆巖層容重，kN/m3；H為采深，m；a為留設條帶的寬度，m；m為與采出煤層厚度相關系數(shù)。

煤柱實際荷載計算見式(2)。

(2)

式中：P實為煤柱實際承受荷載，kN/m；b為采出條帶的寬度，m。

極限強度系數(shù)計算見式(3)。

(3)

式中，K為極限強度系數(shù)。

以2201工作面皮帶順槽停采線為起點，侵入煤柱區(qū)總長度117 m，劃分為5個塊段(斜長23.4 m)，按照正常推采進行計算，經(jīng)計算停采線前46 m塊段內，K值小于1.3，采出率為50%～56%。根據(jù)天地科技股份有限公司編制的22采區(qū)開采方法論證“本區(qū)域頂板為砂泥巖，易于冒落，對煤柱穩(wěn)定性有利，本區(qū)K值采用不小于1.3以上的采留比尺寸，采出率小于50%”，決定該塊段在回采時采取限高開采處理，經(jīng)計算，改造區(qū)內采高沿推進方向按塊段分別選取8.75 m(塊段5)、8 m(塊段4)、7 m(塊段3)、6 m(塊段2)、5 m(塊段1)時能夠滿足要求。計算結果見表2。

表2 工作面改造區(qū)煤柱穩(wěn)定性檢核計算表

由于改造區(qū)中部擴大了煤柱范圍，采用概率積分法對地面沉降進行計算時可見地面沉降變形并無明顯變化。計算參數(shù)見表3，計算結果見表4，地面沉降等值線見圖3。

圖3 采區(qū)預測采后地表沉陷曲線

表3 工作面沉降計算參數(shù)

表4 工作面沉降計算結果

3 斷層煤柱穩(wěn)定性及防治水分析

改造后工作面與F14斷層最小距離為20 m，-850 m北大巷掘進揭露斷層不含水，研究區(qū)距大巷670 m，3煤層下距奧灰210.5 m，F(xiàn)14斷層落差123 m，由于在掘進和采動影響下斷層易于發(fā)生活化[17]，因此該處防治水成為工作重點，斷層含水導水性采用電法勘探輔以井下鉆探進行探查。

斷層探水首先在巷道未掘進前以軌道巷預掘巷道設計拐彎處為基準點，前后延伸50 m，用瞬變電磁法進行勘探，共布置測線100 m，設計11×3=33個物理點。經(jīng)探測在7號測點處，煤層頂板方向60～100 m深度范圍有一相對低阻異常區(qū)；順煤層方向在3號測點～7號測點之間，距巷道水平距離50～75 m的范圍內有一低阻異常體；煤層頂板方向7號測點處，60～100 m深度范圍有一相對低阻異常區(qū)；總體上分析該斷層為不含水斷層或局部弱含水斷層，瞬變電磁視電阻率斷面圖如圖4所示。

圖4 F14斷層瞬變電磁視電阻率斷面圖

改造巷道掘進后，在拐彎點處安設鉆機對瞬變電磁低阻地點進行鉆探，均未見水。且斷層向工作面外側平移12 m，工作面開采不存在水患。

4 2201工作面開采實踐

調整工作面實現(xiàn)少割巖石或不割巖石的關鍵在于摸清工作面內部斷層空間形態(tài)，在設計新巷道前在現(xiàn)有兩條巷道中充分利用鉆探、預掘探煤巷等手段基本查清了改造區(qū)內的斷層形態(tài)，并對新改造工作面兩巷層位高程進行了調整。在設計過程中，針對工作面改造區(qū)共布置5個剖面，將改造前工作面狀態(tài)和改造后工作面狀態(tài)進行了比較，并通過工程實踐進行了驗證(圖5和圖6)。

圖5 工作面改造剖面布置圖

圖6 工作面改造剖面圖

在推采過程中，當采煤工作面推進至D1-1、D2-1位置時，開始實行調面管理，此時D1-1處改造工作面與原工作面夾角為9.16°，刮板輸送機機頭距離調整完工作面推進線為8.063 m，按照采煤機截深共劃分為13個循環(huán)進行進刀；此時D2-1處調面夾角為23.2°，共分2次調面。單次調面距離為10.265 m，兩次共34個循環(huán)進行進刀。

2201工作面改造區(qū)長度304 m，一直保持正常推進度，日均推進量為1.87 m，6.4個月推采完畢，推進速度正常，有效避免了采空區(qū)自燃發(fā)火。工作面回采期間未進行爆破作業(yè)，除煤機在個別地段出現(xiàn)割底板巖石外，未出現(xiàn)其他割巖石情況，煤機、支架無爆破損傷、刮板輸送未運輸巖石溜槽磨損情況正常。過斷層面期間未發(fā)生冒頂事故，僅在調采期間采取了嚴格考核調采進度、保持好設備面貌、嚴防刮板輸送機“上竄、下溜”等措施，其他時間均按照正常工作面進行管理，安全管理難度低。工作面回采期間除停采線前46 m塊段因限采及改造區(qū)d-d剖面處前后約17 m范圍因3DF15斷層、3DF152斷層形成地塹影響，工作面基本沿頂板推進未放頂煤外，其他區(qū)域均正常放頂煤進行開采，煤炭采出率高。

5 2201工作面地面巖移觀測

2201工作面改造區(qū)于2009年8月開始回采，2010年3月份回采結束，地面測站于2009年7月開始設立，至2010年11月結束。2201工作面觀測站布置平面圖見圖7。

圖7 觀測站布置平面圖

經(jīng)觀測計算LB線最大下沉點位于改造區(qū)外LB26點，最大下沉值297 mm，改造區(qū)內最大下沉點為LB35點，下沉值107.048 mm，沉降值沿L線向LB26處增大，該處傾斜值為-0.29 mm/m、傾斜變形值為-0.09 mm/m、曲率為0.232×10-3/m、水平變形值為0.01 mm/m、水平移動值為-82.33 mm。S線下沉值沿L線向S9方向減小，向S1方向增大，最大變形值位于LB37處，為76.85 mm。該處傾斜值為0.15 mm/m、傾斜變形值為-0.30 mm/m、曲率為0.073×10-3/m、水平變形值為0.03 mm/m、水平移動值為13 mm。地表下沉值、拉伸變形值均在預測范圍內，工作面改造對地面巖移基本沒有產(chǎn)生影響，地面房屋斑裂符合預期。

6 結 論

本文針對古城煤礦-850 m水平22采區(qū)2201工作面厚煤層開采過程提出了詳細的“避、讓”過斷層群的施工改造方法。對改造區(qū)的防水性及煤柱穩(wěn)定性進行了理論計算，并在實際工程中得到了良好的驗證，取得了較為理想的經(jīng)濟效益，較常規(guī)方法多采出放頂煤15.9萬t，增產(chǎn)煤量38.7萬t。為同類型礦井過復雜斷層群提供了一定的參考。

1)帶開采情況下遇到復雜斷層群時利用拐彎、調整兩巷標高等手段通過調整工作面推進區(qū)位置“避、讓”開斷層巖石的方法。工程實踐證明，“避、讓”斷層是采煤工作面過斷層期間減少斷層影響的有效手段。

2)在設計采煤工作面過斷層方案時要以回采區(qū)域作為重點，必要時兩巷均能布置在巖石層位中。

3)當承載煤柱在小區(qū)域內承載面積不變時，煤柱位置的變化對地面整體沉降影響較小。