综采工作面快速过断层构造带的方法与措施

2020-05-29张雁波

山西化工 2020年2期

关键词：卧底断层底板

张雁波

(阳泰集团屯城煤业有限公司，山西晋城 048100)

在煤矿开采过程中，断层带地质结构条件较为特殊，且断层带周边区域瓦斯浓度偏高，对煤矿安全生产构成潜在威胁。综采工作面由于会受到断层结构落差、倾斜方向与角度等条件的影响，加大了开采难度。

1 综采工作面过断层方法的原理与优势

1.1 调整采高法的原理与优势

调整采高法是指通过调整采煤高度控制液压支架高度，与生产条件相适应。调整采高法适用于落差参数小的断层结构。但需要注意的是，应调整断层上盘煤与下盘煤的间隔距离，以便支架顺利通过。本文以落差小于1 m的断层结构为探究对象。

在煤层开采过程中，若综采工作面从右至左通过断层，则需缓慢提升工作面水平高度，降低采高，并选择预留底煤的方法让工作面顺利通过断层。若综采工作面从左至右通过断层，则需缓慢降低工作面，以防在断层线上出现割顶现象，并采取留顶煤的方式过断层。综采工作面通过落差小于1 m的小断层结构时，采用调整采高法。

此外，综采工作面所选用支架结构的高度也会受断层参数的影响。综采工作面水平高度限定标准，集中表现为支架设计下限高度、断层落差及不可预见的情况。在综采工作面过断层结构时，采取调整采高法，其具有操作流程简便、不间断生产作业等特征。其次，应用调整采高法可以降低原煤含矸量，提升煤炭质量等级，并减小机械设备零构配件磨损率。该方法的弊端是断层上盘煤与下盘煤间隔距离控制难度较大[1]。

1.2 挑顶卧底法的原理与优势

在综采工作面通过大落差煤层时，不适宜直接通过煤层，而要结合实际情况，采取合理的方式避开断层，然后另掘巷道。综采工作面通过大落差煤层时，采取挑顶卧底法的作业流程，如图1所示。

图1 挑顶卧底法

如果综采工作面无法躲避大落差断层结构，采取挑顶卧底法较为合理。挑顶卧底法的原理是依靠煤机截隔顶板与底板的岩层，直至顺利通过断层。要保证过断层上盘煤与下盘煤间隔距离小于液压支架通行下限，采取调整采高法存在一定不足。为此，要综合分析断层顶板与底板岩石结构的性能，选择挑顶卧底法[2]。

若断层顶板与底板的破碎岩层结构为砂质泥，直接采取挑顶卧底法，并借助煤机的协调配合即可顺利通过断层。此时必须严格控制挑顶卧底的高度与卧底量。一旦卧底量过大，就会使煤机超负荷运行，增加煤机零构配件磨损率；相反的，若卧底量过小，也会影响综采工作面的过断层作业。

若多断层顶板与底板的岩层结构过硬，则可采取超前处理法。例如，通过深孔爆破的方式，破除岩石层整体结构，然后使用煤机进行截割。如果预先处理不到位，直接截割，则会增加采煤机磨损率，造成负面影响。

通常来说，在综采工作面过断层作业中，挑顶卧底法的应用频率相对较高。需要格外注意的是，断层顶板与底板硬质岩石层爆破预处理参数需符合标准要求，既要排除整体岩石层结构，又应尽可能的减小采煤机运行阻力[3]。

1.3 割顶法的原理与优势

若断层结构较软，顶板结构较大，且压力规律性变化，则可采取割顶法。割顶法以切割断层上盘顶板岩石为主，然后预留上盘煤作为过渡，直至综采工作面顺利通过断层结构。综采工作面通过断层结构时，采用割顶法的作业流程，如图2所示。

图2 割顶法作业流程示意图

割顶法的基本技术操作为：在综采工作面过断层时，顶板岩石破岩量L，断层落差H的参数变化规律公式：L>H/(σ×2/3)。

式中，σ为支架侧护板的高度。由此可知，切割岩石量越小，顶板岩石破岩量与H/(σ×2/3)越接近。且伴随综采工作面的扩张，断层也随之推移，并偏向机头或机尾位置。

2 综采工作面过断层安全防护技术策略

2.1 工程实例

以某井田的5#回采煤层为例。该煤层回采厚度约为4.0 m，煤层结构稳固性较良好。其中4803工作面位于井田南侧区域，整个工作面倾向长度约为220 m，且煤层均倾角为4.5°。该综采工作面煤层结构以泥质岩为主，岩层结构不稳定，平均厚度为4.5 m。据地质环境勘察报告可知，工作面回采至860 m将揭露一条F0逆断层，且断层落差为1.85 m，断层倾角为55°。该综采工作面过断层作业采取强行切割与带压过断层相协调的方式。经过前期实践工作积累可知，采取带压过断层法会增加顶板负荷压力，破坏支架顶梁结构。由此，不仅降低了回采速率，还有可能导致工作面顶板坍塌。基于4803工作面过断层作业，综合分析采用强行带压过断层法存在的技术缺陷，并提出相应的安全技术策略，以期顺利完工。

2.2 分析强行带压过F0断层技术存在的缺陷

根据34803工作面F0断层剖面结构示意图(图3)可知，过F0断层操作的推进方向为断层下盘。该F0断层结构为逆断层，且断层上盘煤上移，下层煤下移。4803工作面煤层结构以炭质泥岩为主，此类泥岩脆性较大，极易受到外界作用力的影响。如果采用强行带压过断层法，将会影响结构应力条件，导致工作面坍塌。

图3 4803工作面F0断层剖面结构示意图

在精确测量后了解到，F0断层的平均落差值在1.7 m左右，也就是说，在工作面延展作业中，当延展作业推进到断层上盘带位置时，煤层顶板的预留厚度则在1.7 m左右，这时实施煤层回采作业时，就会造成煤炭资源的较大损耗，且由于预留顶板位置在采空区范围内，所以很容易导致自然现象的发生，增强回采作业的危险性[4]。

在F0工作面进入到煤层上盘区域后，需要破除的底板岩层厚度在1.7 m左右。不过由于该区域内底板岩层主要是由粗砂岩构成的，所以岩石硬度较大，如果直接采用煤机切割作业，势必会对整个结构稳定性造成影响。再加上底板煤层中还混有一定量的原煤，所以更是增加了作业难度。

2.3 综采工作面过F0断层的安全防护技术策略

技术部在分析小峪煤矿传统过断层带回采方法存在的技术缺陷后，决定采用仰斜回采法。具体施工方法为：

1) 在综采工作面延展至F0断层20 m处时，应调整工作面液压支架仰斜角度，并控制采煤机作业方向，适当提升支架水平高度，预留底煤。

2) 在综采工作面延展至断层带840 m处时，调整液压支架配置点位，将其设置在F0断层上盘煤体顶板处。在此阶段，严格控制支架仰斜角度，以及采煤机运转方向，确保支架底座和顶梁完全处于工作面煤体顶板或底板处[5]。

3) 由于综采工作面顶板结构缺乏稳固性，在过断层环节，极易受到环境因素、技术因素与人为因素的干预导致局部塌陷。对此，在综采工作面过F0断层带时，要采用撞楔超前支护方式预处理工作面顶板。具体流程为：在综采工作面延展至距离断层带835 m时，采用撞楔超前支护法预处理工作面顶板。撞楔超前支护结构主要由钢针按照一定规律排列布置而成。一般情况下，单排钢针共有10根，间隔距离保持在4.5 m左右，钢针长度约5.5 m，且钢针与工作面顶板呈6°夹角；在第一排钢针施工完毕，且工作面回采进度达到3 m时，开展第二排钢针施工。需要格外注意的是，第一排、二排钢针需按照既定规律有序排列，直至工作面顺利通过断层带。