王庄矿3802工作面安全过断层综合技术研究

2023-01-06马吉义

煤 2023年1期

马吉义

(晋能控股煤业集团王庄煤业，山西长治 047100)

在我国地下煤矿开采过程中，复杂的工程地质条件往往给工作面回采带来一定安全隐患，其中工作面过断层一直是矿山生产过程中需要解决的难题[1-3]。为此，系统研究工作面安全过断层综合技术是非常必要的[4-6]。在相关研究中，张加利[7]分析了综采工作面过断层主要回采技术难题，针对巷道顶板控制问题，提出新型支护技术，并进行了现场实践；陈海东[8]针对断层周围煤岩体破碎严重易出现片帮及冒顶问题，提出了注浆加固施工方案，煤岩体的承载能力显著增强，顶板垮落、煤壁片帮、底板下陷问题显著减少；晏锦银[9]采用FLAC3D分析了断层活化过程及规律，提出了工作面采用注浆加固+切底过断层的控制技术，有效保障了工作面推进通过断层区域。综合文献分析，对于工作面过断层的研究取了一定成果，但是多集中于工作面过断层期间支护方法或注浆加固研究方面，对于工作面安全综合技术方面有待进一步分析。为此，本文以王庄矿3802工作面过断层为工程背景，研究了工作面安全过断层综合技术，解决了工作面过断层期间所面临的主要技术问题，实现了工作面安全高效回采。

1 工程概况

王庄矿主采3号煤层，煤层倾角1～6°，平均倾角4°，平均厚度5.0 m，主要回采3802工作面，采用综合机械化采煤技术，全部垮落法管理顶板。煤层直接顶主要为泥岩与砂质泥岩，基本顶为细粒砂岩，直接底为泥岩与砂质泥岩，煤岩体综合柱状图如图1所示。

图1 煤岩体综合柱状图

3802工作面可采长度约为415 m，工作面布置情况如图2所示。根据工作面运输巷道掘进期间揭露情况，3802运输巷道距停采线51 m位置存在F4正断层(H=3～5 m，∠=45°)，经钻探验证，上、下两盘岩层存在破碎、离层等情况，可能导致运输巷道严重变形及冒顶风险。为保证工作面回采至构造区域位置时作业安全，需研究工作面安全过断层技术方法。

图2 工作面布置图

2 工作面过断层巷道绞顶与挑顶方法

2.1 巷道绞顶方法

运输巷道过断层进行绞顶时，先在顶部锚索上部套40溜槽链条，并用锁具固定在锚索上，然后用D12.7 mm钢丝绳将5 m大板拴住吊在顶部锚索上部，大板距离底板控制在5.0 m，间排距1 m，先垂直于巷道方向每米吊1根大板，然后以大板为底部支点，在上部依次使用大板、道木和半圆向上呈“井”字型支设，直至到上部顶板。绞顶完成后，下部用经纬网与原巷道两侧帮网联接，必须孔孔相连，搭接不少于500 mm，避免移架过程中上部木料掉落伤人。

2.2 巷道挑顶方法

根据掘进期间巷道揭露情况，运输巷道过断层部位不足以让工作面安全通过，需对该区段进行挑顶，挑顶厚度最大为1 m，确保挑顶后与邻近两侧巷道平齐。当工作面推进至该区段时，将大溜机头护栏和挡板降低，待通过后恢复。先沿3802运输巷人行道侧方向挑顶1 m×2.5 m，每向前掘1 m支护1次，待开口完毕后，向工作面方向逐米实施扩掘，并进行锚网支护，直至放顶至巷道工作面侧煤壁，并对挑顶后帮部进行维护，挑顶后顶帮均采用锚网(索)+钢筋梯子梁联合支护方法。

3 工作面过断层巷道挑顶爆破方法

巷道过断层部位采用乳化炸药爆破施工挑顶，采用正向起爆，起爆器起爆。炮眼打设深度为1.5 m，每个炮眼装药2卷，炮眼采用水泡泥及黄泥进行封口，封口长度不得小于1 m.爆破作业时，超前移架支护，采煤机扫矸，刮板输送机出渣，控制采高在4 m.

打眼前,首先检查顶板、支架等情况，确认无危险时，才可进行打眼工作，并由当班验收员根据设计用粉笔(或白漆)在断层区域画出轮廓线并定出眼位。打眼采用YT-28风钻2台，配备4根1.5 m钻杆、D42 mm“一”型合金钢钻头。采用一次打眼、放炮作业形式，采用“一”字型布置(共5个)。炮眼布置方式如图3所示。

图3 炮眼布置图(mm)

每眼使用2卷煤矿二级许用乳化炸药，使用1发毫秒延期电雷管引爆，必须采用正向装药，炮眼封泥采用粘土炮泥填充，用炮棍轻轻捣实，并充满炮眼，严禁用煤粉或其他可燃性材料作炮眼封泥。装药前用炮棍插入炮眼内，检验炮眼的角度、深度、方向和炮眼内的情况，不符合作业规程要求的不准装药。装药前必须先检查瓦斯浓度，瓦斯浓度超标时不得装药。装药后必须把电雷管脚线悬空并短接，严禁电雷管脚线、放炮母线与支架、电气设备及其他导电体接触。装药结构见图4，装药量及起爆顺序见表1.

图4 炮眼装药结构图

表1 装药量及起爆顺序

4 工作面过断层巷道支护方法

4.1 巷道顶板支护

巷道过断层部位顶部采用D20 mm×2 400 mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆。采用D27 mm钻尖钻孔，采用长3 000 mm，宽80 mm钢筋梁，钢筋梁由D14 mm圆钢焊接。顶锚杆间排距为800 mm×1 000 mm，每排3套，两端分别距挑顶边缘50 mm，垂直于顶部打设，并且安装钟型球垫。

锚索为D18.9 mm高强度低松弛预应力钢绞线，长度为6 000 mm，树脂加长锚固，钻孔直径27 mm，采用1支k2335和2支Z2360低粘度树脂药卷锚固。每排2根，间排距为1 600 mm×1 000 mm，两端锚索分别距挑顶边缘450 mm，锚索垂直于顶板安装在两排顶锚杆之间。打设的锚索必须用双10号铅丝成十字形捆绑锚索吊挂在金属网上，把锁具及托盘捆绑在铅丝范围内，防止顶板来压崩断锚索伤人及损坏设备，巷道顶部支护结构如图5所示。

图5 巷道顶部支护结构图(mm)

4.2 巷道帮部支护

巷道帮部采用D20 mm×2 400 mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚固剂采用Z2360型树脂药卷锚固。网孔规格50 mm×50 mm，网片规格3 000 mm×1 050 mm，材料为10号铅丝，使用双网支护。钢筋梁宽80 mm，采用长3 000 mm钢筋梁，钢筋梁由D14 mm圆钢焊接。巷帮共布置1排，每排3套，间排距为800 mm×900 mm，帮上部锚杆距顶板350 mm，锚杆与水平呈25°仰角布置。

5 工作面过断层煤壁注浆加固方法

工作面回采至断层面位置时可能受构造影响发生煤壁片帮、顶板裂隙发育、破碎垮落等情况，需采取马丽散注浆加固措施。如果工作面煤壁片帮深度超过1.5 m，顶板破碎、垮落高度小于1.5 m时，及时采取注浆加固的方式加固煤壁，防止煤壁片帮从而限制破碎顶板垮落。结合现场及钻孔条件，距巷道底板及顶板各1.5 m处钻凿1排注浆钻孔，注浆孔间距3.5 m，排间钻孔采用菱形布置，具体布置方法如图6所示。

图6 工作面注浆钻孔布置图

注浆钻孔直径为42 mm，钻孔与煤壁水平面夹角为15°，钻孔深度为6 m，孔口封口长度为2 m.首次注浆完成后进行工作面推进时，可能造成初始注浆返料问题，导致注浆效果不理想，这时随工作面推进应加强煤帮侧及顶板的管理。工作面过断层时，一次注浆加固完成后，工作面安全推进长度达5 m时，要立即进行下一个注浆工序，直至工作面安全推过断层，巷道顶板及煤壁稳定性转好以后，工作面方可进行正常回采。