矿井安全高效过断层技术的实践研究

翟小虎

（大同市青磁窑煤矿，山西 大同 037004）

引言

近年来，由于中国煤矿年产量的逐渐递增，煤炭井下开采工作面也向纵深方向发展。在矿山巷道掘进过程中，往往会出现断层，断层的出现会对正常掘进工作产生一定的影响，因此，需要寻找适当的有效措施穿过断层，以实现有效的安全生产。以某煤矿为研究目标，通过巷道安全高效过断层技术探究，从而顺利进行巷道掘进工作[1]。

1 某工作面及掘进设备概况

1.1 基本情况

该矿巷道位在水平北翼上，它的东面、西面、北面均为上实体煤，南面为下组煤皮带巷，巷道主要用于某工作面回采时期的运煤、进风口、行人道等任务。作业面标高+850～+900 m，地面标高+1 094～+1 208 m，上覆基岩层厚为194～358 m，煤层均匀厚薄为2.9 m，均匀倾斜度为6°，煤层的结构十分复杂，但厚薄较为平稳，构造为岩性构造，如表1 所示为顶底板岩性数据。

表1 顶底板岩性数据

1.2 掘进设备

该巷道截面为长矩形，掘宽为4.5 m、净宽为4.3 m，掘高为3.2 m、净高为3.1 m，使用先进型号EBZ-200A 型挖掘机，在深煤层开采中挖掘。它所面临的主要问题，是在掘进过程中经常会揭露断裂和复合顶板的断裂处，揭露断面通常是进尺120 m 时的正断层，断裂落差为0.8 m，且断裂附近顶板裂缝明显发育，对岩层破坏难以遏制，严重影响着巷道挖掘工作的正常发展[2]。

2 巷道安全高效过断层技术

2.1 综掘快速掘进技术

因为该巷道断层落差较小，当综掘机在经过断层区时也能够很迅速地通过。采用上下盘卧、上盘挑顶的方式通过下压正断层[3]。同时，施工必须沿腰线进行，以确保两侧巷道高度，而支护的方法则为上下盘在最适当的结合点进行补打，锚头也进行了保护；采用了直接割顶的方法，先是通过上跳正断层，接着利用落差数据确认卧底量。图1 所示为巷道综掘机的上下坡过断层示意图。

图1 综巷道综掘机上下坡过断层示意

在掘进工作中，一定要防止机器在岩层中同时进行作业，如破顶或破底之后，要在确保安全的情况下，挖掘至另一处的全煤位，以此来规避行走作业、超负荷运行[4]。

如果需要加强外部耐磨处理技术，综掘机可采用小口径截割头；如遇坚硬岩层时，采用深孔或静态爆破的方法来击碎岩层，并由此方法来降低工作机器的负荷量，从而极大地缩短过断层的时间[5]；同时，也可利用截割头降尘或使用除尘添加剂，使喷头和水流混匀后，再加以除尘，从而改变过断层作业期间的环境污染。

2.2 过段层破碎带支护技术

具体保护方法：顶板保护采取锚网、锚杆、锚索、钢带的联合保护方法[6]。

支护材料选取：顶锚索规格为BHRB-335/Φ20 mm×2 500 mm 的高强锚索，“五五”布局，间排距为1 000 mm、1 000 mm，顶部肩角锚杆距帮250 mm，采用CKB2340 锚固剂一根和Z2388 锚固剂一根，同时CKB2340 锚固剂置于下部[6]；顶锚索规格为1×7 股/Φ21.6 mm×7 200 mm 钢绞线，“三三”布局，间排距为1 200 mm、2 000 mm，锚头施工于两排顶锚索正中，顶部肩角锚头距帮1 050 mm，采用Z2388 钢锚固剂两条；帮锚索BHRB-335/Φ20 mm×2 000 mm 的高强锚索，“三三”布置，间排距为1 200、1 200 mm，第一只帮锚距顶板300 mm，并采用了Z2388 锚固长度剂一条[7]。为降低输送电流对工作面的冲击，巷道与顶帮之间各隔50 m 设置了一个1 m 长的双层塑料网[9]。

上述支护方法重点是对断层上下盘的顶板破碎带，如图2 为断层附近破碎带分布图。

图2 断层附近破碎带分布

3 巷道掘进效果分析

此巷道挖掘过程中，为了分析其好坏，必须严格地对巷道的整体进行检测分析。检测具体内容大致分为顶板离层率和锚杆索受力与表面位移[8]。评估巷道控制有效性的最直接的数据分析，便是表面位移检测。巷道表面位移监控测站的布设区域范围为30 m左右，大小依次为断面前后各15 m 左右，随巷道挖掘顺序进行布设，滞后掘进为迎头差3～5 m，共布设了4 个测站，其中过断面先布设测站1、测站2，过断面后布设测站3、测站4[9]。“十字布点法”布置测站的意思是：要在一个测站内同时布设两个观察断面，断面之间距离为1.0 m。将选取推过后0～15 d 区域内的顶板移近量变化（见图3）。选取了推过后0～15 d 范围内的顶板移尽量变化图（表2）。

表2 监测数据表

图3 监测数据曲线

一旦工作面渐渐推过断层时，顶板的最大移近量将从29.1 m 扩大至36.7 m，在推过断层之后会进一步上升，之后慢慢降低。明显可以得出，影响巷道板顶下沉就是断层活动。通过数据可以看出，测站2、测站3 最大移近速度和平均移近速度均较其他两个测站大，特别是测站3，达到了最大值。利用这些数据能够很明确地看到巷道挖掘时，断层活动带来的影响，会一直存在于稳定推过断面后的距离。从推过断层之后的0～15 d 时间出发，伴随停留时间的增长，顶板沉降量逐渐缩小，最后渐渐接近0，这说明在很长时间内，该巷道围岩的变化状况可以得到稳定控制，并且巷道质量也能够获得显著提高[10]。

4 结论

巷道的掘进以主要施工背景，全面分析研究了掘进煤巷道中安全高效过断层的关键技术，并通过快速推进与锚杆索联合支撑的方法来控制巷道稳定性。经过分析，围岩在过断层前后均有向顶板的沉降量不断增加趋向，最大移近量约为56.5 m。采用研究方法后，优势明显增加：

1）在该方法使用后，巷道逐步不再变形，慢慢趋于稳定水平，确保了巷道完整性，保证煤巷稳定性，有效保证过断层时破碎顶板的稳定性；在矿井巷道挖掘阶段和回采工作面回采阶段，矿井巷道保护围岩均保持稳定，从而极大地减少了冒顶事件，并获得了相当可观的效益。

2）大大提高了回采效果，保证机电装备的齐全性能大幅度提高有效改善了煤炭资源的品质，大大缓和了采掘衔接时间紧张的形势，有限煤炭资源得到经济合理回采利用。