矿井大倾角综采工作面过地质构造带技术研究

＊周炜锋

（晋能控股煤业集团煤峪口矿 山西 037000）

综采工作面在开采过程中，由于断层、褶曲等构造的存在，极易产生冒顶、片帮等现象，尤其在煤层倾角大的情况下，极易引起综采装置的失稳，从而对煤矿的正常开采产生影响。通常在开采过程中，遇到大落差的断裂，由于断裂的上盘和下盘的错动，造成了煤层的不连续性。采用各种辅助性措施，如松动、爆破等方法，虽弱化了围岩的强度，使采煤机切屑得以正常进行。但在回采中，极易发生冒顶、滑移、支架移动困难、片帮等事故。特别是大倾角煤层在穿越断层时，受采场条件的制约，极易发生支架倾斜、采煤机头严重磨损、刮板输送机打滑等事故，严重影响了煤矿的安全、高效生产。山西某煤矿31102综放开采过程中，发现了DF37断裂（153°∠70°，H=0～10m），该断裂属于逆性断裂，其走向和倾角的扰动范围分别为400m和120m左右。31102综放开采的11号煤，由于断裂的存在，其部分倾角达到25°～30°，极大地限制了开采。文章结合31102综采工作面穿越DF37断裂的工程实例，对大倾斜度综放穿越地质结构的工艺进行了论述，可供其它煤矿在大倾斜度综放开采时参考。

1.工程概况

31102综采工作面的设计为前进2230m、切眼长度218m，在采面上开采的11号煤层厚度平均为2.8m。煤层的稳定性较好，顶底板的岩性主要是粉砂岩、砂岩及炭质泥岩，在采面内布置的液压支架型号为ZF4800/17/30、采煤机型号MG250/700-1.1D。从邻近采面回采揭示和地球物理数据来看，在31102综采工作面前行到800～1200m的区域时，将会揭露DF37断裂（153°∠70°，H=0～10m），其具体的断裂位置如图1所示。与DF37断裂相邻的小断裂及褶曲等地质结构密切相关。31102综放开采由于受断裂的影响，其煤层的倾斜程度将发生很大的改变。在大倾斜度的情况下，怎样安全穿越DF37断裂，是煤矿生产中必须要解决的一个重要问题。

图1 断层位置示意

2.采面过断层关键技术

（1）采面坡度调整。31102综放开采采用MG250/700-1D系列采煤机，其适用范围为30°内，如果煤层倾斜角度大于35°，则会造成较大的攀爬难度。DF37断裂对采面煤层倾角产生影响，这是煤矿生产过程中需要关注的一个问题。煤层倾角在40～80号支架内通常在23°～30°之间，这对采煤机的割煤和前进都会造成一定的阻力，具体的采面倾角如图2（a）所示，因此需要调整采面坡度来降低这种阻力。为了克服这种阻力，采用单向割煤、单向推溜的方式割煤是比较有效的方法。具体的截割进刀方法为从机尾向机头割煤，并跑空刀至机尾处，再逆向割煤至机头。这种割煤方法可以减少割煤时机器的阻力，并且可以保证采出的煤炭质量。对于部分煤层倾斜程度大的部位，采用25mm/刀下压来达到调整采面斜率的目的。如图2（b）所示，卧底分布在45号至102号托架之间。在回采工作台下，40～80层顶板工作面倾斜角度可以从23°～30°调节到17°～21°，从而改善了综采装置的稳定性。当部分工作面倾斜角度大于25°时，可采用多次回采和辅助爆破来降低工作面倾斜角度。

图2 采面坡度调节示意（m）

（2）爆破辅助破煤岩。根据前次穿越断层的经验，对31102综采工作面穿越DF37断层，采取“一炮两采”的方法，先进行一茬钻爆，再进行采煤机切2次。在受断层影响的区域，按照五花眼布置炮眼，如图3所示，为了减小爆破对围岩的干扰，同时爆破的炮眼不超过20个。在爆炸之前，为了防止对电缆和支架等设备的破坏，需要使用防护帘布。在穿越断层的过程中，可以采取多点炮眼，降低每个炮眼添加的药量，尽量避免爆破对采煤机组造成严重的冲击。

图3 炮眼布置示意（mm）

（3）顶板注浆加固。31102综放开采通过DF37断裂时，由于地应力和构造应力的共同影响，在采煤过程中，煤层的结构会变得松散，产生大量的裂隙，容易产生冒顶和片帮。从现场的数据来看，采面的片帮最大宽度为1.8m、长度为3～8m，并且在通过断裂的过程中，采面呈现了一种倾斜的状态。在煤岩交界部位，顶板漏顶和片帮等问题更加严重，如果仅仅通过传统的单体支柱、超前拉架、铺设金属网等方法，很难对顶板进行有效的控制。为此，在开采通过岩层破裂带时，采取了铺放两层铁丝网和进行超前灌浆的方法来加强破裂带的稳定性。注浆钻井的布置密度为间隔4个液压支架，根据现场的实际情况，也可进行适时的调整，注浆孔径统一限制为28mm，注浆钻井开孔离采面底板2400mm，仰角大小为45°，钻孔深度为7000mm。图4为注浆钻孔的实际布置情况。采用了马丽散作为灌浆材料。

图4 顶板注浆布置示意（mm）

根据实际情况，将灌浆压力设定在3～5MPa之间，如果在灌浆过程中发生漏浆现象，就应该停止灌浆，或使用间歇灌浆方法。同时，为了达到对顶板的有效控制，采用了钢板和π形梁等措施。实践证明，在31102综采工作面上，在穿越断层的过程中，对顶板进行了有效的管理。

（4）采面调斜。为了防止刮板输送机在采面通过断层时发生上窜、滑落现象，必须在采面倾斜的情况下，对刮板输送机进行调斜。综采工作面1-102支架的平均倾角为22°，如果不能及时调整，将导致综采工作面的支架和刮板输送机的滑落，从而影响综采工作面的安全。采面倾斜调整时，可以根据公式（1）进行计算：

式中：S为调斜距离，m；L为采面斜长，m；α为煤层倾角，°。

根据31102综采工作面现场实际情况的测量结果，取L=216m，α=22°，计算出S=37m，也就是在过DF37断层时，采面调斜37m。

（5）采面综采设备防滑。在大倾角条件下，单纯通过调整采面倾角、调斜、加固顶板等措施来控制综采设备的滑移效果相当有限。对于液压支架、采煤机及刮板输送机等装置，在过断层时，应采取相应的防滑移技术。

①液压支架防倒技术。将防滑千斤顶安装到液压支架的顶梁上，并在相邻两架液压支架间增设一对拉千斤顶。千斤顶的一端用夹板和螺栓固定在托架横梁下的吊环上，另一端则固定在托架的基座上。为了增强液压支架的稳定性，对防滑器进行了张紧。在拉架（向机头）的时候，将两个单体固定在托架的左上方，作为支撑柱，通过远程输送液体；当支架完成后，才能拆卸支架。在拉架过程中，应使用带压力的移架，并在移架结束后，应及时提起支撑，以确保其初支撑力超过24MPa。

②采煤机防滑技术。在采面部分大斜度的地面采煤机，采取的是一种单向割煤的方法，也就是采取下行割煤、上行走空刀的方法，同时配合挑顶、卧底等方法来降低采面的斜率，卧底的时候，刀量要控制在25mm/刀之内。为提高采煤机的平顺性，在其走行电机上增加一套制动器，可使其达到双制动器的目的。根据采煤机轮齿的大小，做好防滑动销子，在采煤机正常运行时，防滑动销子悬挂在机体上。停车时，可将防滑动销子适时地插进轨道中，以免发生不稳定的滑坡问题。在切煤机停稳后，要把切煤滚筒全部插进煤壁上，使切煤辊充分吃光，进而在切煤过程中产生一定的受力，防止切煤滚筒滑落。

③刮板输送机防滑。除调整斜度、单向顶滑外，刮板输送机还使用了一种特殊的防滑器，即在每隔5个槽道上增加一套防滑千斤顶，每5个槽道上都有一个大链环，将防滑千斤顶的两端分别与托架底座及滑槽底部的隔板相连。防滑千斤顶的位置可以根据实际情况进行调整。

④防滚岩措施。将1条（高，宽各1m）的防滑金属网安装在采面机道上，每隔10个液力支架上，所述金属网状物的两端安装于所述托架的所述前立柱及所述线缆槽处。将由废弃传送带制成的挡沙帘（高为1.5m，宽为1.0m）固定在液压支撑柱上。挡岩用的铁丝网和挡岩帘，可以有效地防止岩石的滚落和煤块的伤害。

3.现场应用效果

在31102综放开采中，经过DF37断裂时，采取了过断层技术，该方案解决了斜坡大、岩体破碎等问题，取得了较为显著的应用效果。

（1）减少资金投入。通过采用过断层技术，与综采设备移位或重新绕巷相比，明显降低了人力、设备和材料的投资，预期节约资金245万元左右。（2）采面得以持续推进。在该矿区，采用过断层工艺，可以实现工作面的连续开采，预期可多回收30多万吨煤，产生6000多万元的直接经济效益。（3）综采设备保持稳定。在采面使用过断层技术之后，综采装备和采面顶板等都一直维持着一个稳定的状态，没有发生顶板冒落、片帮等情况，采面花了100d时间才能穿过DF37断裂的影响区，在此过程中，每一次前进的速度都是4.0m/d。在此基础上，采用爆炸法对采煤机进行破碎，可显著提高其破碎率，减少切割齿的损失率。

4.结语

（1）大倾斜煤层开采通过断裂时，保证采煤装置和采面顶板的稳定性，是保证大倾斜煤层开采顺利进行的关键。本文以31102综采工作面过DF37断层的现场情况为基础，综合运用了采面坡度调整、采面调斜、顶板注浆以及综采设备防滑技术等，最后，实现了综采工作面与顶板的稳定性，为工作面跨断提供了良好的条件。为了增加破碎效果，降低综采装置的损耗，在穿越断层时，对其进行辅助性的松散爆破。

（2）经过DF37断裂后，31102综采工作面上的设备及顶板始终处于平稳状态，未出现设备失稳、滑移及顶板冒落现象。开采过程中，用了100d时间，成功穿越了DF37断裂的影响范围。