过断层冲刷带叠加地质构造开采技术实践

2022-09-14王家传董建强邢子任王振龙

山西焦煤科技 2022年8期

王家传，董建强，邢子任，王振龙

(山西保利平山煤业有限公司，山西晋城 048200)

山西保利平山煤矿开采3号煤层赋存于山西组下部，煤层厚度为2.65～6.23 m，平均4.90 m，该煤层属全区稳定可采煤层。井田内共有29条正断层，其中三维地震勘探解释的断层20条、巷道掘进揭露9条。3号煤层落差≥5 m的断层4条，落差<5 m的断层25条。井田共发现陷落柱13个，其中三维地震解释陷落柱9个，巷道掘进揭露4个。开采的31017工作面设计推进长度平均为672 m，工作面长度为181.5 m. 工作面于2021年5月开始回采，先后揭露断层冲刷带、断层叠加冲刷带等构造异常区域，为了确保安全高效回采，进行顶板控制为主的风险预控方案编制以及实践探索。

1 工作面构造探测

工作面回采至回风顺槽184 m位置，机尾揭露K14正断层，断层上盘采高3.7 m，煤厚3.1 m，下盘采高4.0 m，岩性为砂质泥岩。回采至208 m位置，揭露一条伴生正断层，断层面位于115架位置，断层落差1.7 m，倾角42°，断层上盘采高3.9 m，煤厚2.9 m，下盘采高4.1 m，全煤；K14正断层面位于115—116架位置，落差1.7 m，倾角42°，回采至277 m位置时，伴生断层结束。根据打钻资料、物探及地质资料分析，该伴生断层落差为2 m，倾角54°. 截止2021年10月28日中班，K14断层面位于44架处，落差2.8 m，倾角47°.根据过构造期间收集资料分析，运输顺槽掘进期间的K9正断层与回风顺槽K14正断层属于共生断层。工作面每推进2 m，断层往运输顺槽方向延伸1.5 m. K14断层由回风顺槽向运输顺槽发展，贯穿整个工作面；回采期间，受K14正断层影响，断层周边15 m范围内顶板破碎，煤层变薄，影响整个工作面190 m. 运输顺槽回采至回采里程302～337 m，回风顺槽侧回采里程434～455 m揭露地质冲刷带。该冲刷带运输顺槽北侧发育有20～30 m无煤区，宽度在30 m左右；随后该冲刷带由南向北煤层逐渐变厚(煤层平均厚度3 m)，冲刷带宽度40 m左右，影响整个工作面110 m. 断层冲刷带构造预测图见图1.

图1 断层冲刷带构造预测图

2 断层冲刷带对回采影响分析

1) 煤层冲刷带一般是指水流对泥炭层或煤层的冲蚀,并通常由砂质沉积物充填而成的地质体[1]. 通过平山煤矿开采历史所揭露冲刷带构造情况分析，冲刷带附近巷道一般具有应力增大，瓦斯含量有所增加的趋势。冲刷带内部填充砂质泥岩及细粒粉砂岩，受K14正断层及冲刷带共同叠加作用，断层冲刷带破坏了岩层的连续性，降低了顶板岩层的强度，更容易引起应力集中现象。导致回采过程中拉架移架困难，甚至出现挤架，从而使液压支架支撑不稳或倾斜，容易发生工作面片帮冒顶事故。

2) 断层面周围的煤层和顶板比较破碎，易出现片帮冒顶现象，增加了回采过程中的支护难度和生产安全。

3) 断层冲刷带的影响使瓦斯抽采难度增加，实施本煤层打钻钻孔，煤矸互现，经常穿过无煤区，钻孔偏斜或不到位，容易产生抽采空白带。受构造影响，回采过程中有时会发生片帮而造成工作面瓦斯涌出量增大。

4) 断层冲刷带对采煤工作面煤炭储量产生影响。实测断层最大落差可达4.0 m，冲刷带从端头架至17号液压支架为全岩，损失了大量的煤炭资源，影响了煤炭效益。

5) 断层冲刷带对煤质影响较大，增加回采煤炭含矸率，影响经济效益。

3 过断层冲刷带构造期间开采技术措施

3.1 顶板原岩压力和周期来压规律分析

通过对矿压监测系统数据进行分析，能够快速判断出工作面顶板压力的变化。根据周期来压规律，及时调整顶板控制措施，防止发生顶板冒落事故。在31017工作面和两顺槽安装了一套KJ508矿山压力在线监测系统，工作面布置12个GPD60W(A)矿用本安型无线顶板压力传感器；运输顺槽、回风顺槽分别布置6个GUD300矿用本安型顶板位移传感器。加强过断层及冲刷带期间顶板压力的实时监测，经过采集数据(表1)分析：正常推采情况下，工作面周期来压平均步距为15.2 m；叠加地质构造带位置运输顺槽302～323 m段：工作面周期来压平均步距为13.1 m，明显比正常推采时的周期来压步距小，验证了构造造成顶板破碎，周期来压步距减少的规律[2].

表1 周期来压统计表

3.2 工作面两顺槽采取超前加固措施

在断层前后范围及过断层回采里程段，架设一梁三柱工字钢抬棚对31017回风顺槽、31017运输顺槽顶板超前支护段顶板进行加强支护，确保顶板安全。

3.3 造假顶回风顺槽过断层冒顶区域措施

31017回风顺槽200 m处断层面位置，在掘进期间发生过冒顶，有2 m高冒区，顶板破碎。距离该位置超前30 m，采取加强顶板支护措施：利用原有锚索支护连接长锚索配合工字钢梁形成锚索吊梁，吊梁上使用2.2 m半圆木构造假顶，将锚索吊梁连为整体，随后从吊梁假顶上部至巷道顶板逐层十字交叉搭设“井”字木垛，确保接顶严实，张拉锚索进行紧固，保证超前控顶，防止回采时该段受超前动压影响造成二次大面积冒顶，并利用假顶使断层面上、下盘平缓过渡，确保工作面回采时支架接顶顺利进入断层。

3.4 增加支架增强两巷顶板支护强度

工作面受断层冲刷带影响，煤体承压不均，致使两巷回采煤壁鼓出严重，工作面长度增加。在工作面推采至断层20 m前，补增2架液压支架、2个刮板溜槽。增加支架后，加强机头机尾三角区支护强度，也便于过构造时根据工作面揭露情况进行工作面机头机尾的调斜。

3.5 注马丽散超前加固煤体

运输顺槽推进至260 m处时，受断层冲刷带的叠加影响，冲刷带揭露位置煤岩交接受超前动压，煤体松软，煤壁易出现片冒现象。根据现场情况，在回采里程280～300 m位置，提前在断层及冲刷带影响区域加注马丽散[3]进行固化顶板和煤壁，自运输顺槽向工作面打设顺层孔，孔深7 m，钻孔直径42 mm，孔距3 m，自底板1.5 m呈45°向顶板延伸，注浆管采用d12.7 mm钢管加工而成，全孔埋管，中间使用内丝扣连接套进行连接，管口使用配套注浆枪头。采用双液注浆泵注浆(浆液在注浆枪头处混合)，注浆压力控制在1～4 MPa，呈扇形对过渡段煤体进行加固。运输顺槽超前注马丽散共计10 t，揭露冲刷带叠加影响区前，在工作面1—6号支架注马丽散共计9 t，加强煤体承压力，防止大面积漏顶和片帮。

3.6 合理控制工作面采高

为保证安全顺利地通过冲刷带及K14断层叠加段，少出矸石提高煤质，同时满足支架支撑高度、采煤机截割高度的需要，降低工作面采高。全岩段工作面采高保证控制在3.2～4 m；为减缓断层区域的支架错茬，减小采煤机爬坡阻力，将刮板机自下盘向上盘顺缓斜坡过渡，从而减小采煤机爬坡阻力以及采煤机行走部、导向滑靴等设备的损坏率，减少设备损耗；全岩过渡段之后由机头向机尾顺缓逐步提高工作面采高，保证工作面回采率。

3.7 爆破松动岩体

因断层下盘岩性较硬，采煤机回采破顶时易产生火花，采煤机截齿、齿套等配件损坏率较高，最大损耗量达30个/天。采用放小炮方式预先爆破松动岩体，通过控制炮眼位置及炮眼装药量，既能达到松动岩体地要求，又能最大程度减小对上部顶板的扰动，极大地减小了采煤机破顶难度，减少了设备损坏率，降低了顶板掉落大块矸石率，提高了过断层期间的回采效率。

3.8 优化推采循环方式

因工作面过冲刷带及断层叠加段为俯采，采煤机滚筒下压后，机道内回矸量大，刮板机装矸效果差，受积矸影响，支架顶溜困难，需人员进入煤壁侧进行人工清矸，工程量大、效率低。通过现场摸索，改变原有截割方式，采煤机回采机头全岩段时，自揭露段采用局部小循环(每5—6架为一循环，割矸-退机回矸)，并采用阶梯式抬升摇臂方式(自机头侧下压滚筒随后逐步提升)，从而减少机道内的积矸，增加刮板装矸量，机械化代替人工清矸，并以此方式加大机头段循环量(3～5个循环)，极大地提高了回采效率。

3.9 煤质控制措施

在工作面运输路线上施工一个储存200 m3小矸石仓，研制出液压动力20 m长可伸缩电滚筒皮带，通过机尾伸缩与工作面出煤皮带连接。采煤机在无煤或冲刷带薄煤区域内割矸石时，操作可伸缩电滚筒皮带(液压控制伸缩油缸，推动在轨道上皮带机尾，至工作面出煤皮带和煤仓中间，截留矸石)，将矸石转运至小矸石仓内，实现分装分运，确保回采煤炭质量。可伸缩电滚筒皮带见图2.

1—皮带机尾；2—缓冲床；3—22 kg/m轨道；4—矿车轮；5—11#矿用工字钢；6—销轴；7—11ZYE0201推移缸(行程2 830～5 130 mm)；8—可伸缩皮带架杆；9—进液管；10—d22 mm×2 400 mm全螺纹锚杆(固定推移缸)；11—出液管；12—阀组；13—主进液管(水压4 MPa) 图2 可伸缩电滚筒皮带示意图