回采工作面过地质构造带技术研究

2019-04-26李君建

山西冶金 2019年1期

李君建

（山西正诚矿山安全技术研究所（有限公司），山西太原 030006）

目前我国煤炭资源的开采状况不容乐观，由于开采强度大，一些年限较长的矿井浅部资源基本开采完毕，大部分已进入深部开采。由于开采条件复杂，工作面回采过程中会遇到复杂地质构造带，如断层、陷落柱、褶曲、破碎顶板等，如果不能及时处理，会影响矿井的正常回采进度，甚至会影响矿井安全。因此，对于工作面回采过程中安全、快速的通过地质构造带，既能提高矿井的回采速率，又能对矿井的回采安全提供保障，也能给矿井有类似地质构造的工作面回采提供参考依据。

1 工作面概况

某矿1300工作面为首（一）采区首采工作面，位于采区南翼西侧，西邻八里庄断层（H=90～180 m）、八里庄支四断层（H=5～110 m），东侧隔80 m煤柱与1300工作面泄水巷（即为1301工作面胶带顺槽）相邻，北邻采区轨道大巷，南邻八里庄支四断层（H=5～110 m）；地面标高+40.2 m～44.1 m，井下标高-845～-817 m，埋深约 850～890 m。

在工作面回采过程中共揭露断层78条之多，其中有33条断层的落差大于1 m，12条断层的落差大约3 m，其中断层FY15的落差达到13 m，为最大落差。工作面回采过程中断层多切落差大，对工作面的回采正常回采造成巨大的影响。由于断层的影响，断层附近存在陷落柱，可能会成为导水通道，对矿井的防治水安全造成一定的影响。

2 构造带对工作面回采影响机制

2.1 断层对工作面回采影响机制

1300工作面地质构造复杂，断层多且相互切割，呈星罗密布、纵横交错式结构。在纵向上整体穿透断层的存在，破坏了地层的整体连续状态，形成了“棋盘式”的构造格局。其中部分断层延伸进工作面，延展较长。断层的切割将一个整体连续的板块，切割成多个破碎的板块，断层切割的边界视为简支梁。根据断层在工作面外侧的不同切割情况分为五种情况下的支承状态，四边简支、三边固支一边简支、两临边固支两临边简支、两对边固支两对边简支、一边固支三边简支，如图1所示。当工作面推进到断层区域，特别是支承压力高峰区域与断层断裂线高应力区域的叠加区域，在扰动等因素的诱发下，易于发生矿山压力灾害。

图1 不同边界条件下支承状态示意图

断层切割顶板后工作面视为简支边界，简支边界解除了周边的约束，失去了传递力的作用。当工作面推进到断裂线位置时，顶板岩层施加在工作面与断层间间煤柱重力明显加剧，较易形成高应力集中，顶板的断裂速度加快，垮落步距减小，顶板断裂时释放的能量大，容易出现强度较大的矿压灾害。

2.2 陷落柱对工作面回采影响机制

工作面回采过程中陷落柱容易引发突水事故，影响工作面的安全回采。采动影响会导致底板承受的水压增大，而导水陷落柱更加深矿井发生突水的危险性，分布不规律，很难进行超前勘探，这一系列原因造成矿井易发生突水事故。陷落柱往往存在水压高、水量大、爆发迅速、破坏性大等特点，工作面底板的水通过陷落柱作为传递水的媒介，通过陷落柱将底板奥灰水传递到工作面，造成突水灾害。其突水机理如图2所示。

图2 工作面陷落柱突水机理示意图

3 工作面过地质构造带研究

回采工作面回采过程中遇到地质构造，应该根据不同构造的特点，具体拿出过地质构造的方案。1300工作面回采过程中存在断层、陷落柱形成的地质构造带，如果断层落差小，可以采用煤机直接推采的方式回采。但是当断层落差大时，岩层强度高，不能用煤机直接推采时，应当采用爆破技术进行工作面向前推采，爆破后应及时进行支护、卸压并防治工作面出现突水。

3.1 爆破回采技术

1300工作面过地质构造带时，由于顶底板岩层强度高，采煤机截割困难时，采用爆破破岩、采煤机扫矸石的方式推采。由专业人员分析岩层的软硬区域，预计爆破钻孔位置、数量以及装药量，并制定详细的作业规程。根据岩层的不同厚度和强度布置不同的爆破钻孔。当岩层厚度小于1 m时，炮眼采用单排眼布置，炮眼间距1 m，炮眼深度1.3 m；当岩层厚度大于1 m而小于2.5 m时，炮眼采用双排三花眼布置，炮眼间距1 m，炮眼深度1.3 m，采用正向装药。每次起爆的长度单排眼不超过15 m；三花眼不超过10 m。爆破后及时采用煤机进行扫矸，以免大矸石卡柱煤机影响工作面运输。

3.2 支护技术

在1300工作面过构造带回采时，由于构造的影响，工作面顶板易破碎，尤其是两端头区域顶板的支护成为了一项难题。如果不及时进行支护，则破碎的煤层及岩石会导致端面片帮事故的发生，造成顶板的整体的垮落，影响回采进度。因此，对于工作面过地质构造带时，应当及时对工作面破碎顶板和片帮煤壁进行支护。

1）加强工作面顶板和两帮的支护强度。1300工作面回采过程中过地质构造带时，对于破碎的顶板应当及时进行支护，采用先移架在推刮板输送机的方式进行及时支护。如果工作面片帮深度超过0.8m时，可以采用超前支护的方式防止破碎的岩石进一步破坏。在工作面移架过程中让支架保持足够的压力，不要出现空顶的现象。

2）加快工作面推进速度。1300工作面回采过程中过地质构造带时，应当加快工作面的推进速度，使得顶板破碎岩石悬露的时间短，避免顶板岩石进一步破坏，造成支护困难。

3.3 卸压技术

工作面回采过地质构造带切眼扩巷期间，煤炮发生频率较高，特别是切眼断层分布丰富，具有发生冲击地压危险性，因此1300工作面切眼扩帮时，也需要采取“先打眼放炮后扩巷”的冲击地压防治措施。如图3所示。

图3 切眼扩巷爆破钻孔示意图（m）

在距离胶带顺槽10～15 m处的切眼，开始布置爆破松动钻孔，钻孔间距10 m，孔径42 mm，钻孔距离底板1.2～1.5 m，装药量1.2 m左右，其余段最好全部用黄泥封孔；进行“先单孔爆破，后扩巷，循环进行”的冲击地压防治措施。

3.4 防突水技术

1300工作面回采过程回采过程过地质构造带，采用超高密度电法探测技术和地质雷达探测技术进行突水探测探测，对探测到的危险区域采用钻探技术进行验证，从而确定该工作面富水危险区域。

对工作面回采过地质构造带探测到的富水危险区域工作面采用疏水降压的防治措施，其钻孔布置示意图如图4所示。共布置7组钻孔，每组钻孔3个，累计施工21个钻孔，钻探进尺1 688.4 m。工作面疏水降压后进行注浆改造，采用扩散半径为20 m左右的注浆液，而在断层或者陷落柱等地质构造周围采用扩散半径为15 m的注浆液。