礦井大傾角綜采工作面過地質構造帶技術研究

＊周煒鋒

（晉能控股煤業(yè)集團煤峪口礦 山西 037000）

綜采工作面在開采過程中，由于斷層、褶曲等構造的存在，極易產(chǎn)生冒頂、片幫等現(xiàn)象，尤其在煤層傾角大的情況下，極易引起綜采裝置的失穩(wěn)，從而對煤礦的正常開采產(chǎn)生影響。通常在開采過程中，遇到大落差的斷裂，由于斷裂的上盤和下盤的錯動，造成了煤層的不連續(xù)性。采用各種輔助性措施，如松動、爆破等方法，雖弱化了圍巖的強度，使采煤機切屑得以正常進行。但在回采中，極易發(fā)生冒頂、滑移、支架移動困難、片幫等事故。特別是大傾角煤層在穿越斷層時，受采場條件的制約，極易發(fā)生支架傾斜、采煤機頭嚴重磨損、刮板輸送機打滑等事故，嚴重影響了煤礦的安全、高效生產(chǎn)。山西某煤礦31102綜放開采過程中，發(fā)現(xiàn)了DF37斷裂（153°∠70°，H=0～10m），該斷裂屬于逆性斷裂，其走向和傾角的擾動范圍分別為400m和120m左右。31102綜放開采的11號煤，由于斷裂的存在，其部分傾角達到25°～30°，極大地限制了開采。文章結合31102綜采工作面穿越DF37斷裂的工程實例，對大傾斜度綜放穿越地質結構的工藝進行了論述，可供其它煤礦在大傾斜度綜放開采時參考。

1.工程概況

31102綜采工作面的設計為前進2230m、切眼長度218m，在采面上開采的11號煤層厚度平均為2.8m。煤層的穩(wěn)定性較好，頂?shù)装宓膸r性主要是粉砂巖、砂巖及炭質泥巖，在采面內布置的液壓支架型號為ZF4800/17/30、采煤機型號MG250/700-1.1D。從鄰近采面回采揭示和地球物理數(shù)據(jù)來看，在31102綜采工作面前行到800～1200m的區(qū)域時，將會揭露DF37斷裂（153°∠70°，H=0～10m），其具體的斷裂位置如圖1所示。與DF37斷裂相鄰的小斷裂及褶曲等地質結構密切相關。31102綜放開采由于受斷裂的影響，其煤層的傾斜程度將發(fā)生很大的改變。在大傾斜度的情況下，怎樣安全穿越DF37斷裂，是煤礦生產(chǎn)中必須要解決的一個重要問題。

圖1 斷層位置示意

2.采面過斷層關鍵技術

（1）采面坡度調整。31102綜放開采采用MG250/700-1D系列采煤機，其適用范圍為30°內，如果煤層傾斜角度大于35°，則會造成較大的攀爬難度。DF37斷裂對采面煤層傾角產(chǎn)生影響，這是煤礦生產(chǎn)過程中需要關注的一個問題。煤層傾角在40～80號支架內通常在23°～30°之間，這對采煤機的割煤和前進都會造成一定的阻力，具體的采面傾角如圖2（a）所示，因此需要調整采面坡度來降低這種阻力。為了克服這種阻力，采用單向割煤、單向推溜的方式割煤是比較有效的方法。具體的截割進刀方法為從機尾向機頭割煤，并跑空刀至機尾處，再逆向割煤至機頭。這種割煤方法可以減少割煤時機器的阻力，并且可以保證采出的煤炭質量。對于部分煤層傾斜程度大的部位，采用25mm/刀下壓來達到調整采面斜率的目的。如圖2（b）所示，臥底分布在45號至102號托架之間。在回采工作臺下，40～80層頂板工作面傾斜角度可以從23°～30°調節(jié)到17°～21°，從而改善了綜采裝置的穩(wěn)定性。當部分工作面傾斜角度大于25°時，可采用多次回采和輔助爆破來降低工作面傾斜角度。

圖2 采面坡度調節(jié)示意（m）

（2）爆破輔助破煤巖。根據(jù)前次穿越斷層的經(jīng)驗，對31102綜采工作面穿越DF37斷層，采取“一炮兩采”的方法，先進行一茬鉆爆，再進行采煤機切2次。在受斷層影響的區(qū)域，按照五花眼布置炮眼，如圖3所示，為了減小爆破對圍巖的干擾，同時爆破的炮眼不超過20個。在爆炸之前，為了防止對電纜和支架等設備的破壞，需要使用防護簾布。在穿越斷層的過程中，可以采取多點炮眼，降低每個炮眼添加的藥量，盡量避免爆破對采煤機組造成嚴重的沖擊。

圖3 炮眼布置示意（mm）

（3）頂板注漿加固。31102綜放開采通過DF37斷裂時，由于地應力和構造應力的共同影響，在采煤過程中，煤層的結構會變得松散，產(chǎn)生大量的裂隙，容易產(chǎn)生冒頂和片幫。從現(xiàn)場的數(shù)據(jù)來看，采面的片幫最大寬度為1.8m、長度為3～8m，并且在通過斷裂的過程中，采面呈現(xiàn)了一種傾斜的狀態(tài)。在煤巖交界部位，頂板漏頂和片幫等問題更加嚴重，如果僅僅通過傳統(tǒng)的單體支柱、超前拉架、鋪設金屬網(wǎng)等方法，很難對頂板進行有效的控制。為此，在開采通過巖層破裂帶時，采取了鋪放兩層鐵絲網(wǎng)和進行超前灌漿的方法來加強破裂帶的穩(wěn)定性。注漿鉆井的布置密度為間隔4個液壓支架，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，也可進行適時的調整，注漿孔徑統(tǒng)一限制為28mm，注漿鉆井開孔離采面底板2400mm，仰角大小為45°，鉆孔深度為7000mm。圖4為注漿鉆孔的實際布置情況。采用了馬麗散作為灌漿材料。

圖4 頂板注漿布置示意（mm）

根據(jù)實際情況，將灌漿壓力設定在3～5MPa之間，如果在灌漿過程中發(fā)生漏漿現(xiàn)象，就應該停止灌漿，或使用間歇灌漿方法。同時，為了達到對頂板的有效控制，采用了鋼板和π形梁等措施。實踐證明，在31102綜采工作面上，在穿越斷層的過程中，對頂板進行了有效的管理。

（4）采面調斜。為了防止刮板輸送機在采面通過斷層時發(fā)生上竄、滑落現(xiàn)象，必須在采面傾斜的情況下，對刮板輸送機進行調斜。綜采工作面1-102支架的平均傾角為22°，如果不能及時調整，將導致綜采工作面的支架和刮板輸送機的滑落，從而影響綜采工作面的安全。采面傾斜調整時，可以根據(jù)公式（1）進行計算：

式中：S為調斜距離，m；L為采面斜長，m；α為煤層傾角，°。

根據(jù)31102綜采工作面現(xiàn)場實際情況的測量結果，取L=216m，α=22°，計算出S=37m，也就是在過DF37斷層時，采面調斜37m。

（5）采面綜采設備防滑。在大傾角條件下，單純通過調整采面傾角、調斜、加固頂板等措施來控制綜采設備的滑移效果相當有限。對于液壓支架、采煤機及刮板輸送機等裝置，在過斷層時，應采取相應的防滑移技術。

①液壓支架防倒技術。將防滑千斤頂安裝到液壓支架的頂梁上，并在相鄰兩架液壓支架間增設一對拉千斤頂。千斤頂?shù)囊欢擞脢A板和螺栓固定在托架橫梁下的吊環(huán)上，另一端則固定在托架的基座上。為了增強液壓支架的穩(wěn)定性，對防滑器進行了張緊。在拉架（向機頭）的時候，將兩個單體固定在托架的左上方，作為支撐柱，通過遠程輸送液體；當支架完成后，才能拆卸支架。在拉架過程中，應使用帶壓力的移架，并在移架結束后，應及時提起支撐，以確保其初支撐力超過24MPa。

②采煤機防滑技術。在采面部分大斜度的地面采煤機，采取的是一種單向割煤的方法，也就是采取下行割煤、上行走空刀的方法，同時配合挑頂、臥底等方法來降低采面的斜率，臥底的時候，刀量要控制在25mm/刀之內。為提高采煤機的平順性，在其走行電機上增加一套制動器，可使其達到雙制動器的目的。根據(jù)采煤機輪齒的大小，做好防滑動銷子，在采煤機正常運行時，防滑動銷子懸掛在機體上。停車時，可將防滑動銷子適時地插進軌道中，以免發(fā)生不穩(wěn)定的滑坡問題。在切煤機停穩(wěn)后，要把切煤滾筒全部插進煤壁上，使切煤輥充分吃光，進而在切煤過程中產(chǎn)生一定的受力，防止切煤滾筒滑落。

③刮板輸送機防滑。除調整斜度、單向頂滑外，刮板輸送機還使用了一種特殊的防滑器，即在每隔5個槽道上增加一套防滑千斤頂，每5個槽道上都有一個大鏈環(huán)，將防滑千斤頂?shù)膬啥朔謩e與托架底座及滑槽底部的隔板相連。防滑千斤頂?shù)奈恢每梢愿鶕?jù)實際情況進行調整。

④防滾巖措施。將1條（高，寬各1m）的防滑金屬網(wǎng)安裝在采面機道上，每隔10個液力支架上，所述金屬網(wǎng)狀物的兩端安裝于所述托架的所述前立柱及所述線纜槽處。將由廢棄傳送帶制成的擋沙簾（高為1.5m，寬為1.0m）固定在液壓支撐柱上。擋巖用的鐵絲網(wǎng)和擋巖簾，可以有效地防止巖石的滾落和煤塊的傷害。

3.現(xiàn)場應用效果

在31102綜放開采中，經(jīng)過DF37斷裂時，采取了過斷層技術，該方案解決了斜坡大、巖體破碎等問題，取得了較為顯著的應用效果。

（1）減少資金投入。通過采用過斷層技術，與綜采設備移位或重新繞巷相比，明顯降低了人力、設備和材料的投資，預期節(jié)約資金245萬元左右。（2）采面得以持續(xù)推進。在該礦區(qū)，采用過斷層工藝，可以實現(xiàn)工作面的連續(xù)開采，預期可多回收30多萬噸煤，產(chǎn)生6000多萬元的直接經(jīng)濟效益。（3）綜采設備保持穩(wěn)定。在采面使用過斷層技術之后，綜采裝備和采面頂板等都一直維持著一個穩(wěn)定的狀態(tài)，沒有發(fā)生頂板冒落、片幫等情況，采面花了100d時間才能穿過DF37斷裂的影響區(qū)，在此過程中，每一次前進的速度都是4.0m/d。在此基礎上，采用爆炸法對采煤機進行破碎，可顯著提高其破碎率，減少切割齒的損失率。

4.結語

（1）大傾斜煤層開采通過斷裂時，保證采煤裝置和采面頂板的穩(wěn)定性，是保證大傾斜煤層開采順利進行的關鍵。本文以31102綜采工作面過DF37斷層的現(xiàn)場情況為基礎，綜合運用了采面坡度調整、采面調斜、頂板注漿以及綜采設備防滑技術等，最后，實現(xiàn)了綜采工作面與頂板的穩(wěn)定性，為工作面跨斷提供了良好的條件。為了增加破碎效果，降低綜采裝置的損耗，在穿越斷層時，對其進行輔助性的松散爆破。

（2）經(jīng)過DF37斷裂后，31102綜采工作面上的設備及頂板始終處于平穩(wěn)狀態(tài)，未出現(xiàn)設備失穩(wěn)、滑移及頂板冒落現(xiàn)象。開采過程中，用了100d時間，成功穿越了DF37斷裂的影響范圍。