浅谈综采工作面过断层形态控制原则

姚炜东,邱照辉

(鸡西矿业集团梨树煤矿)

·试验研究·

浅谈综采工作面过断层形态控制原则

姚炜东①,邱照辉

(鸡西矿业集团梨树煤矿)

各矿都在总结综采过断层工作面形态控制原则,但都没有形成经验和理论。综采放顶煤工作面过断层的速度和效益关键在于如何把握最佳的工作面形态,本文是在结合梨树煤矿生产实践基础之上,针对综采过断层工作面形态控制原则问题进行研究。

综采;断层;形态控制

到目前为止,如何提高工作面过断层的速度和效益依然是没有妥善解决的重要课题,没有可以借鉴的理论基础和成型经验。目前,仅对综采工作面落差较小的断层总结了一部分开采原则,较大落差的断层一般建议重新施工开切眼,搬家。要最大限度发挥综采设备的优势,加大采面过断层的能力,就必须对工作面过断层的形态控制原则问题进行分析研究。

1 现场应用案例

鸡西矿业集团梨树煤矿主采层30#层煤,煤厚4～6.5 m、落差2.5 m以上断层密度1条/75 m,主要为褶曲的伴生构造。该矿东八左四片工作面位于两道大断层中间,沿走向褶曲断层连续伴生并赋存有其它灾害性地质构造;2006年,使用18.3 t的重型综采装备在13.2 m落差的大断层的块段成功进行了回采;2007年,使用18.3 t的重型综采装备在16#层东二采区三片,在一个由63道断层,其中落差3.0 m以上断层11道、和巨型底板隆起组成的走向158 m,工作面全岩最大达到174 m复杂断层区,成功地进行了回采,平均日进度达到2.2 m;其它工作面的情况与其类似,只是程度上略有轻重,在全国综采开采史上也是罕见的复杂地质条件矿井。下面以梨树矿30#层、16#层为例,对以上问题进行研究。

1)东八左四片概况。东八左四片工作面位于东八采区中下部,上临DF91断层,落差3～6 m,下临DF41断层,落差0～47 m,两个断层间距 138 m,该工作面长118 m,走向长1 040 m,沿走向整个工作面为两道背斜、一道向斜构造,上下巷共揭露落差1.5 m以上断层21道;两巷为全岩状况巷道4处,累计137 m,半煤岩巷道3处,累计 97 m;经实际揭露,工作面长期赋存2～3道上下巷均未揭露的隐性走向断层,并赋存有底鼓、基底不平等其它灾害性地质构造。

2)方案的选择。该矿初步研究采取以下3套方案过该地质构造。

a)搬家、回撤、跳面通过该地质构造。

b)将工作面缩短35 m后,沿走向推进78 m后,再将工作面恢复原长度,绕过该地质构造。

c)工作面直接通过该地质构造。

方案一。优点:(1)施工技术可靠。(2)顶板管理简单。(3)对综采支架的损害小。(4)煤质好。

缺点:(1)施工工期长,预计停产50天。(2)储量损失大,预计储量损失4.6万 t。

方案二。优点:(1)地质储量损失较小,少回收1.85万t煤。(2)顶板管理简单。(3)对综采支架的损害小。(4)煤质好。

缺点:(1)需补送的掘进巷道长,预计110 m。(2)地质条件不确定,该地垒构造沿倾向侵入工作面长度不祥。(3)施工复杂,施工工期较长,预计停产30天。

方案三。优点:(1)地质储量损失率为0。(2)停产时间为0。(3)无需补送掘进施工巷道。

缺点:(1)顶板管理困难。(2)对支架损害大。(3)没有成熟的技术和施工组织方式。(4)原煤含矸率高。(5)地质条件变化对施工的影响程度不确定。

经济指标比较:

方案一:跳眼施工预计费用支出50万元,少回采4.6万 t煤,估计减少收入460万元。

方案二:缩面施工预计费用支出25万元,少回采1.85万 t煤,估计减少收入185万元。

方案三:直接通过,增加施工费用8.5万元。

根据以上两项比较可以看出方案三虽然在技术上可靠性差、地质条件不确定因素多,但是储量损失少、停产时间短、经济效益巨大,在该矿三量关系严重紧张、年度生产计划压力极大的情况下,研究决定:采取第三套方案即掏槽施工方案直接通过。

3)工艺及应用措施。

综采工作面通过断层施工的主要工艺为:

a)风动凿岩机打眼、火工爆破落岩。

b)采煤机装岩,辅助人工装岩。

c)运煤系统外运岩石。

d)综采支架支护顶板。

总的来说,综采工作面在断层施工区就是用炮采的落岩方式、综采的支护、装岩、运输方式施工。

4)针对第三套方案的缺陷,该矿采取了以下措施:

a)工作面50号支架以上部分随煤层产状变化尽量向高抬起(以运输机形态允许为原则),以减少岩石钻爆工作量。

b)在工作面上巷铺设4吋专用风管1趟,以确保工作面3台凿岩机同时作业有足够的风量。

c)钻爆施工段严格执行超前拉架,控制顶板。

d)确保地面风选系统在回采期间连续正常开车,将绝大部分矸石选出,确保煤质。

采取以上措施后,综采一队过该地垒构造时,平均原班推进速度达到了2.9 m,17 m全岩巷道6天施工完毕,回采期间矿外运煤炭灰分不大于20%、发热量22.19 MJ以上,取得了较为优秀的施工效果。与第一套方案相比较,减少施工费用支出41.5万元,由于储量增加,增收460万元,少停产50天,可多生产原煤7.5万 t,增加经济效益300万元,该套方案的实施为梨树煤矿创效801.5万元,应用该方案该矿成功完成了东十采区二、东二采区三片的开采任务。

2 断层区域综采工作面形态控制分析

综采工作面在断层区域进行回采的速度和效果主要取决于以下4个方面因素:工作面全岩段长度和钻爆施工的难易程度、顶板控制的复杂程度、工作面设备的运转空间和环境、工作面和上下两巷的空间关系。

1)工作面全岩段长度和钻爆施工的难易程度。从理论上讲,如果不考虑施工工艺问题,工作面按断层走向剖面的煤层断裂方向,工作面与断层走向平行,可以取最短路径从断层一盘过渡到另一盘。可是如果这样控制工作面形态,那么全工作面都为岩石,即使不考虑其他工艺问题,单进行全工作面岩石的钻爆施工,在工艺上也是不可行的。

实际上绝大部分断层施工区域中(不包括进出断层区的区域)工作面同时暴露断层的上下两盘和断层层面,其伴生的褶曲形态也同时在工作面中暴露,并随工作面推进由工作面的一端逐渐向另一端移动,直至移出工作面以外。这样随着工作面形态不同,工作面全岩段的长度也随之不同。在综合考虑其他工艺环节和装备性能后,工作面有一个最佳曲线,并随着断层形态不同,该曲线的形状也不同。

2)顶板控制的复杂程度。为了迅速调整工作面形态,将工作面拟合到最佳曲线,主要通过工作面的里伪和外伪形态及角度。而工作面不论里伪还是外伪都必然影响到支架的形态。当支架的里外伪达到一定程度时,支架的顶梁支撑点必然前移或后移,使支架由面支撑变为线支撑,如果支架有倾倒趋势又会造成点支撑,支架的工况随之逐步恶化。而断层区无论是层面还是顶部揭煤区域,顶板都极为破碎。如果支架工况较差则必然引发大规模冒顶,极大影响断层区施工速度,所以工作面里外伪的角度控制必须考虑支架的工况问题。同时工作面为快速拟合到最佳曲线,则工作面的角度必然出现剧烈变化,该矿试验过将工作面角度调整到25°以上,工作面支架出现大面积倾倒,工作面顶板控制状态极度恶化。工作面与断层层面夹角过小,造成断层层面在工作面暴露面积过大,顶板破碎难以控制,经常造成大型恶性冒顶。所以在拟合最佳曲线时,必须优先考虑支架工况和顶板控制问题。同时在允许的条件下尽量加大工作面和断层层面间的夹角。

3)工作面设备的运转空间和环境。除顶板控制论述到的支架工况和运转环境问题,同时采煤机、刮板输送机也存在运转空间和环境问题,工作面翻越褶曲,必然进行里伪和外伪施工。

工作面从正常状态开始向外伪形态施工时,如果起坡角过大,支架和工作面输送机间会出现台阶高差,严重时会造成支架高度合理,而机道高度不能满足采煤机通过的最小高度要求。所以工作面开始调整形态时,第一次外伪起坡角不应过大。工作面输送机小角度起坡,待支架起坡后,在二次起坡直到工作面外伪角度达到设计要求。

4)工作面和上下两巷的空间关系。断层在与上下两巷相交时,根据断层的产状不同、与两巷的夹角不同,在两巷形成长度不一的全岩和半岩巷道。工作面的头、尾在两巷中经过全岩及半岩巷道施工时,除考虑一般性的施工原则,还要注意以下问题:

工作面尾部通过全岩、半岩巷道,除要注意岩石量最低原则和翻越原则,还应考虑到回风断面是否满足通风要求和综采上出口高度不得低于1.8 m的要求。

一般尾部过断层影响巷道时,不宜过多考虑岩石量问题,除保证上出口高度,通风断面外,上端口处顶板支护不宜出现台阶,必须考虑到工作面尾部过断层层面时破碎顶板的维护问题。总体来说,如果支架支撑高度大于上巷高度,可考虑在支架最大支撑高度满足情况下,尾部适度下卧;由于工作面输送机尾一般位于上巷中,所以通常不考虑工作面尾部抬起高于上巷底板。

3 控制原则综述

经过以上理论计算和机理分析以及大量的现场实际工艺现象的统计分析,得出了指导梨树煤矿综采工作面断层区施工、工作面形态控制的10项原则,现综述如下:

1)工作面岩石量最低原则。

2)基本上翻越局部穿越原则。

3)破软不破硬原则。

4)工作面与断层交角最大化原则。5)不降低采高原则。

6)上巷保证最小行人空间原则。

7)工作面凸凹角不超过设备使用极限原则。

8)下巷保证设备合理搭接和最小过货空间原则。

9)俯仰角保证装备最小通过空间原则。

10)整体工艺性配合优先考虑顶板控制的原则。

4 结 论

以上分析是在梨树煤矿综采工作面中的开采实践中得出,尤其对复杂区域综采工作面过断层方案的选取及形态控制具有直接的借鉴意义,可为相似条件下的其他矿井提供参考。

Shape Control Principle of Passing through Fault in Fully Mechanized Mining Face

Yao Wei-dong,Qiu Zhao-hui

The mines summarize the shape control principle of passing through fault in fully mechanized coal mining face,but have not formed the experience and theory.The key of the speed and efficiency of passing through the fault in fully mechanized caving coal face is how to grasp the best shape of the face,this article combines production practices of Lishu coal mine,in connection with the shape control principle of passing through fault in fully mechanized coal mining face,carries out the research.

Fully mechanized mining;Fault;Shape control

TD823.97

B

1672-0652(2010)05-0008-03

2010-04-12

姚炜东 男 1968年出生 1989年毕业于抚顺煤校 工程师 鸡西 158100