地质构造对采煤机械设备的影响及探测

姚 宇

（山西潞安集团余吾煤业有限责任公司， 山西 长治 046103）

引言

在地壳运动过程中，受内部挤压产生的不同作用力的影响，不同地区会形成不同形态的地质构造。而在采煤机械设备作业过程中，各种形态的地质构造都将会给煤矿开采带来一定的影响，甚至会引发煤矿安全事故。因此，应加强对地质构造给采煤机械设备带来的影响分析，并通过采取有效探测措施确认煤矿地质构造，以便通过合理安排实现采煤机械设备安全作业。

1 地质构造对采煤机械设备的影响

煤矿开采的环境相对恶劣，容易发生各种安全事故。而采煤机械设备多为液压支架和大功率采煤机等重型机械设备，对煤矿提出了较高的地质条件要求。就目前来看，机械化采煤将主要受到断层、褶皱和顶底板三方面地质构造的影响。加强对这些地质构造的特征分析，能够更好地进行采煤地质构造的探测，从而采取有效措施预防安全事故的发生。

1.1 断层的影响

在煤矿开采过程中，很容易遭遇小断层。比如在开采过程中出现煤层厚度递减或顶板移位等情况，都预示着小断层的出现。在煤矿断层落差不同的情况下，地质勘查开采难度不同，机械开采设备受到的影响也并不相同。就目前来看，不同采煤机可以适应不同复杂工作面底板标高落差。在煤厚1.25～3.5cm范围内，可以较好地满足机械化采煤要求，采煤机械机身长度和参数调整范围所受的过机空间限制较小。但是如果煤层过薄，采煤机械和人员则将受到诸多限制，使机械采煤难以实现。所以在煤矿开采之前，需加强断层探测，做好生产准备。具体来讲，需要对采煤机工作机构结构、调高范围、机身高度和过机空间等参数进行分析，明确支架最小高度和伸缩量，以便为机械设备的选择提供数据依据。另外，还要对采煤机的作业方式进行分析，以确认采煤机是否会受到地质构造影响。比如采用综合机械化采煤工艺，通过延长综采工作面提升采煤机的割煤量，减小采煤机在端头作业和工作面斜切进刀过程中受到的影响。而几乎所有综采工作面都会遭遇小断层，一旦发现小断层密集，可能直接导致工作面被迫停产搬家。即便小断层并不密集，在发现时也要加强顶板控制，所以工作面单产和生产进度都会受到影响[1]。此外，遭遇断层会导致顶板活动加剧，必要时需利用采煤机进行顶底板岩石切割，因此会给工作面生产带来安全、效率等多方面影响。

1.2 褶皱的影响

在机械化采煤过程中，也时常遭遇褶皱现象。在拥有向斜和背斜结构的煤矿地质构造中，煤层顶板通常存在挠曲构造形式。而该种构造不规则性较强，并且有较大规模，将给煤矿支护带来较大的难度。在褶皱构造作用下，煤层也可能发生倾角变化，导致液压支架的适应范围被超出，进而给机械化开采带来阻碍。此外，褶皱的产生，主要是受到煤层构造应力的作用。而煤层与顶底板岩石存在一定的力学差异，由于煤层塑性较强，容易在褶皱形成的过程中出现煤层厚度变薄的情况。如果小褶皱在煤矿开采过程中频繁出现，煤层将会出现急剧产状变化，突破综采机架型的承载范围，继而给煤矿运输带来困难。此外，次级褶皱的出现，将导致煤层呈波浪形，致使煤矿开采人员难以把握煤层分层厚度，造成部分段顶煤厚薄不均，最终引发顶底板破裂的情况。面对这种情况，可以考虑采用短壁综合机械化采煤方式，在使用双滚筒采煤机的工作面利用中部斜进刀或单向割煤方式进行作业。

1.3 顶底板的影响

在煤矿开采过程中，煤层顶底板具有稳定性和冒落性。在煤层顶底板为坚硬砂岩或砾岩的情况下，煤层具有较高的抗压强度，约在80～120 MPa范围内，可以使煤矿整体稳定性得到提高。实现机械化采煤，可以采用打孔注水和放炮等措施进行强制性放顶处理，以减小采煤机械受到的压力和硬度影响。如在暴露宽度达到0.6 m的稳定顶板煤矿中，可以采用刨煤机。但是如果煤层顶板不稳，还应采用机身较窄的刨煤机。该类刨煤机的机身梯度较小，适合在无立柱采煤空间中采用，可以实现分段刨煤或缩小位移。在实际进行综合机械化采煤阶段，还要进行分段挖掘，以减小顶底板岩石给综采机械带来的影响。如果顶底板存在水潮湿，也会给采煤机械设备带来影响，因此，还要利用具有较大发掘力度的采煤机械，以实现顺利运输。想要具体确定工作面煤层底顶板的稳定性，还要加强对顶底板岩石厚度、成本和结构等因素的分析，以确定采用哪种机械化采煤技术。如果顶底板岩石为岩质泥岩，利用综采机械可以直接过断层[2]。

2 影响采煤机械设备地质构造的探测方法

2.1 开展震波探测

在选择采煤机械设备前，考虑到一些煤矿的煤层较厚且复杂地段较多，需完成长距离探测，还需利用便携式矿井地质探测设备进行煤矿地质构造探测。采用震波探测法，可利用弹性波勘探原理，将地震及声波当成弹性波波源，加强被探测介质厚度和距离的探测[3]。利用折射解析法、自激自收解析法等多种方法对探测结果进行解析，则能实现复杂地段煤层厚度等数据的有效探测。就目前来看，采用该种探测手段，使复杂地段的煤层厚度变化得到准确反映，并且能够使煤层底板起伏情况得到连续反映，因此，为研究煤层地质构造提供技术支撑。结合探测得到的煤矿基本构造形态数据，可以进行煤矿工作面的科学布置。比如在一水平矿井位于背斜区和向斜西翼的范围内，探测得到的煤层厚度在18～40 m范围内，煤层倾角则5～16°之间时，可以选用综采机械设备，利用倾斜分层综采放顶煤开采法进行煤矿开采，将水平矿井划分为两个采区，分别按照走向进行工作面布置，使工作面穿过背斜轴，并由南部沿倾向布置。

2.2 强化现场观察

在采煤机械设备作业过程中，还应加强现场观察，以确认地质构造给采煤机械设备带来的影响。为此，在工作面掘进和煤矿回采作业过程中，还应加强对工作面煤壁、巷道两帮等位置的观测，并加强对井内断层、顶底板等构造的观察。比如在观测揭露夹矸时，还应加强对薄细泥岩线的观测，对其倾角进行测量和编录。结合夹矸走向和倾角变化，通过分析得到煤矿次级褶皱发育规律，并对前方褶皱发育趋势进行判断和预测。结合预测结果，进一步加强煤矿地质构造的探测，并对巷道的方位和坡度进行合理调整。例如在某煤矿沿煤层走向存在次级褶皱和底板隆起等情况时，通过加强现场观测可以发现煤层底板等高线为“S”形。面对这种情况，还要在底板侧沿着走向进行工作面分段布置，并在顶板侧将回风巷布置在同一高程。采取该种措施，能够避免按照等高线变化进行回风巷布置，以免煤矿工作面分段过多，造成过多采煤机械设备被占用，进而导致采煤机械设备作业需求无法得到满足。此外，考虑到采煤机械设备作业速度较快，同时也容易受锚网支护等问题的干扰，造成煤矿地质现象被毁坏，因此在现场观测的过程中，还要加强地质编录，实现地质现象的准确记录，并结合原始地质资料进行科学分析，加强煤矿地质情况的准确判断。

2.3 实现钻孔探测

在采煤机械设备作业中，还要加强钻孔探测，以确认煤矿的各种地质构造。具体来讲，就是利用转矩较大的架柱支撑启动手持式钻机进行煤矿钻探。采取该种探测方法，可以利用5～10 min达到20～30 m的钻探深度。通过每隔50 m对各工作面靠煤层底板侧进行垂直向下钻探，并且每隔100 m完成一次顶板向上钻探，可以完成工作面切面图绘制。结合切面图，可以进一步了解煤层走向变化，从而为煤矿下一工作面的设计提供数据指导[4]。结合钻探得到的数据，也可以加强对隐蔽式小地质构造的预防。比如在打顶板锚杆和锚索的过程中，结合数据可以制定合理的锚杆钻进速度。如果钻到某位置发现钻进速度更快，还应进一步加强对该位置的探测，以便明确该位置的地质结构。通过加强探测数据记载和分析，并结合探测结果制定各种应急机制，有效预防各种安全事故的发生。

3 结语

通过分析可以发现，在机械化采煤过程中，断层、褶皱和顶底板等各种地质构造都将给采煤机械设备作业带来一定影响，严重时不仅会造成机械设备损坏，还可能引发严重的安全生产事故，从而给煤矿开采企业带来较大损失。因此，应加强对地质构造给采煤机械设备带来的影响分析，并通过加强震波探测、现场观测和钻孔探测实现有效预防，为煤矿生产提供更多安全保障。

[1] 王强.地质构造对综合机械化采煤的影响[J].企业导报，2013（15）：197.

[2] 李志海.18305工作面过地质构造的方法及支护研究[J].科技创新与应用，2013（31）：93.

[3] 赵晋强，乔颖.影响综合机械化采煤的煤层因素分析[J].中国高新技术企业，2012（10）：157-158.

[4] 王卿.综合机械化采煤的影响因素与经验分析[J].机械管理开发，2016，31（12）：142-143.