深部復(fù)合頂板大采高工作面回采過(guò)斷層技術(shù)研究

張曉新

（汾西礦業(yè)兩渡煤業(yè)，山西 靈石 031302）

隨著淺部煤炭資源逐漸枯竭，煤礦采深逐漸增加，部分礦井進(jìn)入到深部開(kāi)采階段。在深部開(kāi)采時(shí)地質(zhì)構(gòu)造數(shù)量、影響程度會(huì)隨之不斷增加，其中斷層就是最為常見(jiàn)的地質(zhì)構(gòu)造類(lèi)型[1-3]。在斷層破碎帶及影響區(qū)域內(nèi)煤炭體完整性較差，呈現(xiàn)出黏聚力低、膠結(jié)性差特點(diǎn)[4]。現(xiàn)階段煤礦井下常用采面過(guò)斷層技術(shù)包括有調(diào)整采高法、綜合法、跳采法、挑頂臥底法等，當(dāng)開(kāi)采煤層頂板為復(fù)合頂板時(shí)，在斷層、采動(dòng)影響等因素疊加作用下容易引起煤壁失穩(wěn)、頂板冒落等問(wèn)題，增加頂板管理難度并給采面安全生產(chǎn)帶來(lái)影響[5-8]。結(jié)合山西某礦51103 綜采工作面過(guò)斷層為例，對(duì)復(fù)合頂板綜采工作面過(guò)斷層技術(shù)進(jìn)行分析探討，以期為其他礦井類(lèi)似采面過(guò)斷層工作開(kāi)展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

51103 綜采工作面回采的11# 煤層埋深均值720 m，煤層厚度6.0 m、傾角3°～8°、均值6°，煤質(zhì)為灰分低、發(fā)熱量高的優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤，開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益較好。11#煤層頂板巖為砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖等互層，為復(fù)合頂板，頂板承載力較差，隨采隨垮；底板以粉砂巖、炭質(zhì)泥巖為主。51103 綜采工作面受區(qū)域褶曲構(gòu)造影響，回采范圍內(nèi)斷層等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。依據(jù)采面回采巷道掘進(jìn)揭露以及鉆探、物探成果顯示，在采面開(kāi)采范圍內(nèi)發(fā)育有F2、F3、F4 及F8 等多條斷層，具體斷層分布位置，如圖1 所示。其中F8 斷層對(duì)采面回采影響較為顯著。由于斷層影響范圍內(nèi)煤巖體承載能力較差加之回采的11#煤層頂板為復(fù)合頂板，采面在回采過(guò)斷層期間煤壁片幫、冒頂以及支架間漏頂?shù)葐?wèn)題較為突出。

圖1 斷層分布示意圖

2 采面過(guò)斷層技術(shù)

2.1 過(guò)斷層技術(shù)方案比對(duì)

51103 綜采工作面開(kāi)采的11# 煤層經(jīng)濟(jì)效益顯著，煤層厚度大且煤質(zhì)優(yōu)越，F(xiàn)8 斷層基本橫穿整個(gè)采面。若采用跳采方式過(guò)F8 斷層，雖然可降低斷層對(duì)采面生產(chǎn)影響，但是需要留設(shè)保護(hù)煤柱、重新開(kāi)切眼以及綜采設(shè)備搬家等，不僅導(dǎo)致煤炭資源浪費(fèi)而且經(jīng)濟(jì)性偏差；同時(shí)留設(shè)的斷層保護(hù)煤柱存在有一定程度的應(yīng)力集中，給下覆13# 煤層（與11# 煤層層間距為35 m）帶來(lái)一定影響。

F8 斷層落差為5.6 m，11#煤層厚度均值為6 m，斷層未能錯(cuò)斷煤層，結(jié)合以往采面過(guò)斷層經(jīng)驗(yàn)以及51103 綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出采用挑頂臥底+調(diào)整采高方法回采過(guò)斷層。在過(guò)斷層期間，使用采煤機(jī)直接截割煤層頂?shù)装寮捌扑閹?nèi)巖體，確保采面順利通過(guò)斷層；調(diào)整采高可降低過(guò)斷層破碎帶期間采煤機(jī)割巖量，降低過(guò)斷層難度、綜采設(shè)備磨損程度、頂板及煤壁管理難度。

2.2 過(guò)斷層技術(shù)方法

2.2.1 采面起坡點(diǎn)確定

51103 綜采工作面內(nèi)分布的F8 斷層未能斷開(kāi)11#煤層，同時(shí)頂板本身承載能力、穩(wěn)定性較差，在斷層影響下頂板更為破碎。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況采用留底割頂方式過(guò)F8 斷層，如圖2 所示。為確保采面采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等設(shè)備平穩(wěn)、安全運(yùn)行，確定過(guò)斷層期間最大起坡角為7°，具體采面開(kāi)采起坡位置可通過(guò)公式（1）、式（2）確定：

圖2 采面過(guò)斷層起坡位置計(jì)算示意圖

式中：H 為F8 斷層落差，取5.6 m；α 為F8 斷層傾角，取47°；β 為起坡角，取7°；M 為11#煤層厚度，取6.0 m。將上述參數(shù)帶入公式（1）（2）求得L1=40.4 m、L2=34.8 m。51103 綜采工作面應(yīng)在與F8 斷層相距34.8 m 位置起坡。采面推進(jìn)至起坡點(diǎn)位置后開(kāi)始緩慢抬升采煤機(jī)，采煤機(jī)滾筒單次提升幅度在0.02 m 以?xún)?nèi)，在回采過(guò)斷層后采煤機(jī)滾筒降幅也應(yīng)在0.02 m以?xún)?nèi)。在斷層影響范圍內(nèi)采煤機(jī)滾筒割走勢(shì)應(yīng)與頂板走勢(shì)保持一致。

2.2.2 采高調(diào)節(jié)

在51103 綜采工作面過(guò)F8 斷層期間通過(guò)留底煤方式將采高緩慢降至4.5 m，以便減少采煤機(jī)割巖量及磨損情況，提高采面過(guò)斷層速度；同時(shí)適當(dāng)降低采高有助于頂板及煤壁管理。具體采面過(guò)F8 斷層期間采高控制情況，如圖3 所示。采面使用的ZF15000/33/72D液壓支架護(hù)壁高度可達(dá)到3.65 m、最大支撐力500 kN，過(guò)斷層前通過(guò)支架護(hù)煤壁可有效避免片幫情況出現(xiàn)。

圖3 采高控制示意圖

2.3 頂板及煤壁管理措施

51103 綜采工作面為復(fù)合頂板、本身承載能力及穩(wěn)定性較差，在斷層影響區(qū)內(nèi)回采時(shí)更容易冒落，提升頂板穩(wěn)定性是采面過(guò)斷層期間需要重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。具體增強(qiáng)頂板穩(wěn)定性措施包括有適當(dāng)增加液壓支架工作阻力、煤壁及頂板注漿。

2.3.1 增加液壓支架工作阻力

適當(dāng)增加液壓支架工作阻力，使得支架頂梁與采面頂板更為貼合，提升采面頂板管理效果。采面液壓支架設(shè)計(jì)初撐力為10 000 kN，在過(guò)斷層期間可輔助采用砌筑木垛等方式強(qiáng)化頂板支撐。過(guò)斷層期間應(yīng)注意檢查乳化液供液系統(tǒng)以及液壓支架各部件情況，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)及時(shí)維護(hù)，確保液壓支架始終處于完好狀態(tài)。

2.3.2 頂板及煤壁注漿

在采面煤壁上布置2 排注漿鉆孔，具體如圖4 所示，上排鉆孔與頂板間距0.3 m、仰角15°，下排鉆孔與底板間距2.0 m、仰角5°，鉆孔按三花眼形式布置，2 排注漿鉆孔相互配合實(shí)現(xiàn)頂板及采面上部煤體加固。采面內(nèi)布置的注漿孔間距均為8 m，孔深10 m、封孔長(zhǎng)度2 m，注漿選用水泥單液漿，壓力為3～5 MPa。在注漿時(shí)可在煤壁及頂板巷鋪設(shè)柔性纖維網(wǎng)，起到維護(hù)頂板及煤壁穩(wěn)定性效果，同時(shí)采煤機(jī)可直接截割柔性纖維網(wǎng)，不會(huì)影響正常割煤。

圖4 注漿孔布置示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在51103 綜采工作面過(guò)F8 斷層時(shí)采取挑頂臥底、調(diào)整采高方式過(guò)斷層，期間采用適當(dāng)提升支架工作阻力、頂板及煤壁注漿等方式提高頂板、煤壁穩(wěn)定性?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，采面可保持4.8 m/d 推進(jìn)速度，期間綜采設(shè)備均平穩(wěn)運(yùn)行，頂板及煤壁始終保持穩(wěn)定。在51103 綜采工作面采用的過(guò)斷層技術(shù)措施不僅可提高了采面煤炭產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益，而且安全性較高。

4 結(jié)論

1）依據(jù)51103 綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)情況以及F8 斷層分布情況，為提高采面煤炭產(chǎn)量及推進(jìn)速度，降低過(guò)斷層期間設(shè)備磨損及投入，提出采用挑頂臥底以及調(diào)整采高法過(guò)斷層。在采面與斷層相互34.8 m 位置時(shí)即按照7°仰角起坡，起坡回采期間綜采設(shè)備可始終保持穩(wěn)定。

2）由于回采的11#煤層為復(fù)合頂板加之?dāng)鄬佑绊懛秶鷥?nèi)頂板破碎、煤巖體承載能力較差，為此提出適當(dāng)增加液壓支架工作阻力、頂板及煤壁注漿、頂板及煤壁掛網(wǎng)方式提高頂板及煤壁穩(wěn)定性；同時(shí)由于將采高由6 m 調(diào)整至4.5 m，液壓支架護(hù)壁高度可達(dá)到3.65 m，通過(guò)護(hù)壁可避免煤壁片幫。

3）采面在F8 斷層影響范圍內(nèi)回采時(shí)，推進(jìn)速度保持4.8 m/d，期間綜采設(shè)備始終保持平穩(wěn)運(yùn)行、頂板及煤壁始終保持穩(wěn)定，取得較為顯著的應(yīng)用效果。