巴彦高勒煤矿311202 采煤工作面过断层技术研究

王 际 欣

（内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司巴彦高勒煤矿，内蒙古 鄂尔多斯017300）

采煤工作面采用平推硬过法过断层时可减少搬家次数，实现采煤工作面连续生产[1～2]。采煤机直接截割硬岩时为了提高破岩效率、降低磨损则需要提前对岩体进行弱化处理[3]。在坚硬岩体的弱化技术方面主要有高压预注水弱化、水力致裂、深孔爆破预裂技术3 种技术，其中注水弱化虽然工艺比较简单，但弱化效果及范围有限且工期较长；水力致裂虽可以在岩层中生成裂缝、达到一定的致裂弱化效果，但难以控制裂缝的扩展方向，无法实现定向预裂；深孔爆破预裂工序成熟、便于操作、成本较低，为了不影响工作面正常生产，可从两巷及工作面断层预掘巷道的位置进行钻爆法施工，实现工作面推进与深孔爆破预裂的同时作业[4～8]。

311202 采煤工作面过DF19 断层时采用预掘巷道深孔爆破致裂技术，实现了采煤工作面回采与岩层弱化的同步进行，提高了采煤工作面过断层效率。文中就对采煤工作面过断层技术进行阐述，以期为其它矿井过断层工作开展提供一些借鉴。

1 工程概况

311202 采煤工作面开采的3-1 煤平均埋深650m，工作面所在地层构造形态总体为一向北西倾斜的单斜构造，倾向300°～320°、倾角0°～5°，煤层厚度为4.10～6.40m、平均煤厚5.10m，结构简单。工作面宽300m，回采长度3140m。具体煤层底板岩性顶底板岩层结构见表1。

表1 顶底板岩层结构

采煤工作面回采揭露的DF19 断层为正断层，落差6.5～11m，走向为296°～310°，倾向为26°～40°，倾角为25°～32°；与311202 工作面斜交，影响工作面走向推采长度560m。311202 运输顺槽揭露DF19 断层情况，如图1 所示。

2 预掘巷道施工

图1 311202 运输顺槽断层揭露情况

为了提高采面过断层效率并降低采煤机磨耗，提出在311202 运输顺槽内沿着断层在采面展布方向预掘巷道，在预掘巷道内施工深孔预裂爆破钻孔弱化底板砂质泥岩及细粒砂岩，从而实现采煤工作面回采以及坚硬底板弱化同步进行。

断层预掘布置在运输顺槽断层上盘煤层中，按300°方位角为沿煤层底板掘进，长度360m，具体施工位置见图2。

图2 预掘巷道施工位置

3 采煤工作面过断层技术方案

3.1 过断层技术方案

为了最大限度提高煤炭资源回收、减少岩石截割量并保证工作面过断层期间支架的稳定，工作面过断层期间按-7°俯斜角度截割硬岩过断层。根据采面破底板位置具体提出下述两种过断层技术方案：

方案一：沿断层交面线下俯推进，即采煤工作面推进至断层交面线时按照7°俯角逐段下俯推进过断层方案。

方案二：截割断层下盘煤层底板过断层，即采煤工作面距离断层距离48～55m 处即开始按照7°俯角破底板掘进，揭露断层上盘时与预掘巷道相交。

3.2 技术方案优选

3.2.1 方案一（沿断层交面线下俯推进）

方案一时工作面煤机截割轨迹剖面，见图3。工作面从断层交面线位置以-7°俯斜角度截割断层上盘煤层顶板硬岩，此时工作面将从断层预掘巷道的上方穿过。

煤机截割轨迹长度在104.3m 左右。预掘巷道内的深孔爆破预裂工艺实施需要穿过巷道顶板打设系列钻孔进行爆破作业。该方案设计缺点较为明显：

1）煤机截割轨迹直接穿过预掘巷道顶板，距离巷道垂距较小，工作面采动加剧巷道围岩的变形失稳，同时工作面登空生产也存在一定安全隐患；

2）在预掘巷道内穿层打钻进入煤机截割轨迹段的有效爆破钻孔尺寸较短，预实现截割轨迹的全段为爆炸压裂需要打设的钻孔数量较多，预掘巷道内的打钻及支护成本显著增加。

3.2.2 方案二（截割断层下盘煤层底板过断层）

在工作面与断层相距离55.84m 开始向下以-7°俯斜角截割底板岩层，具体见图4。在预掘巷道内同步开展坚硬岩层弱化工作，采面推进至断层上盘时与预掘巷道交汇。

图4 方案二过断层示意图

3.2.3 方案优选

具体2 种爆破方的优缺点对比，见表2。

表2 方案优缺点对比

经过对比得出，方案二钻孔施工总量较小，工作面过断层期间不用越过预掘巷道上方，比较安全可靠。最终选定方案二作为本次工作面煤机截割硬岩过断层进行爆破预裂施工的最优方案。

3.3 预掘巷道内松动爆破

3.3.1 装药方式

装药方式采取空气柱间隔分段装药，由于炮孔长度较长，采取封堵10～15 m，其余钻孔空间采取空气柱间隔装药形式，炸药装入孔底，药卷与封堵段间留设5～10m 的空间用水炮泥封堵隔段。每段空气间隔0.8m。装药结构如见图5。

图5 间隔装药结构

3.3.2 封 孔

根据预掘巷道中的炮孔布置方案，确定炮孔封孔长度为10mm～15m，封孔材料选用水泥药卷，规格为65mm×250mm。

3.3.3 起爆药

由于炮孔较深，分段装药情况下雷管数量较多，母线分股量大，炮孔安全起爆可靠性低，给后期采煤机截割带来严重安全隐患。基于本矿井爆破条件，采用管内药卷2 发雷管并联，管外母线并联供电起爆方法。

3.3.4 装药量

装药量可按述公式（1）计算：

式中：Q为装药量，kg；q为单位体积炸药消耗量，取0.28～0.35kg/m3；V岩石预裂的体积。

按照松动爆破体积计算得到的深孔炸药装药量为：

每个炮孔所需炸药量约60.23kg。炸药为煤矿许用二级乳化炸药（Φ35 mm×300 mm×300 g），爆破孔孔径为75 mm，装药时2 支药卷捆扎一起使用，提高爆破效果。50 m 钻孔装药量为60kg，装药长度为30 m。爆破预裂装药参数见表3。

表3 爆破预裂装药参数

为提高施工效率，采取两班施工钻孔，一班集中装药、集中爆破的方式组织施工。为减少爆破作业对工作面生产的影响，利用早班检修时间爆破，中、夜班施工钻孔。

3.3.5 起爆方式

起爆方式分为正向起爆和反向起爆2 种，深孔装药条件下为提高孔内炸药安全起爆的可靠性，结合正反装药结构优点，本次设计建议优选导爆索全长起爆方式。

4 效果考察

煤机截割断层硬岩层段爆炸压裂效果的最直观反映预掘巷道深孔预裂爆破效果，具体工作面揭露深孔爆破压裂孔位置处的围岩破碎程度及压裂孔周边裂隙扩展范围如图6 所示。

图6 岩层弱化情况

根据现场揭露情况得知，钻孔爆破有效压裂半径在1.0～1.5m，爆破后产生的贯通裂缝长度在2.0～3.0m，坚硬岩层弱化效果显著。采面保持4.0m/d 推进速度，提高了工作面过断层的效率。

5 总 结

1）从煤机截割岩石总量、钻孔打设数量及总长、煤机截割轨迹与预掘巷道空间层位关系等方面，对比分析了两种煤机截割硬岩过断层方案的优缺点，最终选定煤机截割断层下盘煤层底板过断层方案。

2）矿井爆破选用二级煤矿许用乳化炸药、导爆索全长起爆、采用Ⅰ-Ⅵ段毫秒电雷管引爆，管内药卷2 发雷管并联，管外母线并联供电起爆；炮孔封孔长度10～15m，封孔材料选用水泥药卷；单孔炸药量约60.23kg。

3）爆破后有效压裂半径在1.0～1.5m，邻近爆破孔间产生的贯通裂缝，有效弱化了坚硬岩层，同时采面过断层期间可保持4.0m/d 推进速度。