薄煤层采煤工作面过复杂构造带技术研究

蔺鑫涛

(汾西矿业正中煤业,山西 灵石 031300)

随着矿井高强度开采的不断持续,井下采掘深度及范围快速增加,深部回采煤层赋存条件与浅部煤层存在明显差异,受瓦斯、水、破碎岩体、地质构造等不利因素影响更为明显[1-2]。开采薄煤层期间遇到的复杂地质构造会明显影响煤炭开采效率及安全生产保障能力,为此众多的学者对薄煤层工作面开采方案及过构造技术展开研究。杨计先等[3]针对某矿回采的二1煤层厚度薄、开采区域内地质构造复杂、顶板坚硬等特点,从经济性、开采适应性等方面对采面设备配备方案进行比对分析,最终确定9-38VE /57 型刨煤机及刮板输送机、ZY6400/09/20D液压支架组合方式进行开采;彭俊仁等[4]分析大落差断层、陷落柱群等地质构造对云岗矿8807薄煤层采煤工作面的影响,并提出通过控制采高、强化顶板管理、调整采煤工艺、优化过陷落柱及断层方法等,给出薄煤层工作面过复杂构造技术方案,现场应用取得较好效果;陈胜明等[5]针对23082工作面过断层群问题,从采煤机割煤、液压支架管理以及生产保障系统等方面考虑,给出过断层群技术方案,实现了煤炭安全高效回采。山西某矿53105综采工作面回采的3-1煤层厚度均值为1.2 m,开采范围内发育有多条断层。文中以该采面回采为工程背景,分析工作面采取的技术措施,为矿井后续其他薄煤层采煤工作面过复杂构造带提供了可靠经验借鉴。

1 工程概况

1.1 采面概况

53105综采工作面位于5采区中部,采面北侧为53103采空区,南侧为圈定的53107综采工作面(回采巷道已掘进完成),西侧为采区集中巷道,东侧为采区边界。采面设计推进长度为1 216 m、斜长149 m,采用U型通风方式,开采的3-1煤层厚度均值为1.2 m、倾角为5°～12°.煤质为优质焦煤,经济价值较高。根据53102综采工作面回采巷道掘进揭露以及采面内瓦斯抽采钻孔钻进揭露,53102综采工作面720～890 m范围内地质构造发育复杂,煤层赋存不稳定,期间预计有超过20条落差在0.5～1.9 m断层,构造带分布位置及采面位置见图1.

图1 采面位置示意

53105综采工作面配备智能化开采设备,主要开采设备包括:ZY4000/08/18D液压支架、 ZTYC1600/15/29D超前支架、SGZ730/400刮板输送机、MG2×200/870-WD7采煤机。现阶段采面过复杂构造常用的方法有重开切眼、平推硬过两种。由于53105综采工作面内设备多,搬家留设大量的煤柱会导致煤炭资源浪费。为此,在53105综采工作面采用平推硬过方法过地质构造带。

1.2 采面过复杂构造带面临的主要问题

1) 采面720～890 m范围断层数量多、落差大、影响范围广,给采面回采过构造带期间顶板管理带来较大挑战。在地质构造影响下,局部位置倾角变大,顶板不平整,容易导致液压支架出现倾斜、咬架甚至侧翻等问题。

2) 采面回采时,采煤机割矸量大,采煤机及刮板输送机等设备故障率偏高,开机率难以保证,若停机时间过长会进一步恶化采面生产条件。

3) 在复杂构造带内,灾害防治效果会直接影响采面生产安全保障能力,灾害影响类型包括瓦斯治理盲区、顶板裂隙水、采空区水等。

2 采面过构造带技术

2.1 液压支架控制技术

在53105综采工作面过地质构造带期间,由于断层数量多、分布复杂,导致采面回采期间煤矸交替频繁,在采面过断层之前需适当减少卧底量、降低液压支架俯斜度,确保液压支架由煤层段平稳过渡到煤矸段;在过构造带期间,采煤机适当降低牵引速度,液压支架采用跟机移架,同时带压摩擦移架,局部采用单体支柱辅助移架;若回采期间煤层倾角增大,则在工作面液压支架上增设防滑千斤顶,提高液压支架稳定性,避免后期出现支架倾斜角度过大、倒架等问题;若出现液压支架接顶不严密、顶板破碎等问题时,可采用架设木垛方式进行接顶[6-8]。

2.2 采煤机截割

53105综采工作面在地质构造带内回采期间,将采煤机采高控制在900 mm左右,适当大于工作面内液压支架下限高度;当截割全岩时,采煤机单刀进深控制在400 mm以内,截割速度控制在1.0 m/min以内,当截割岩体坚硬、完整时,可采用松动爆破方式提高破岩效率;工作面回采期间,采煤机按照由上到下单向截割,应密切关注下方司机在前滚筒5 m位置至上方司机在后滚筒3 m范围内的顶板,同时液压支架应紧跟采煤机移架。

2.3 回采推进

53105综采工作面回采遇正断层时,断层上盘采用割顶留底方式推进;在遇逆断层时,采用断层下盘进行割顶留底方式推进。在工作面推进过断层期间,应确保采面底板角度在合理范围内,即确保液压支架倾角控制在12°以内,支架移架距离在400 mm以内;采煤机单刀割顶板厚度在85 mm以内。在过断层破碎带时,若顶板较为破碎,则通过铺设木垛提高液压支架与顶板接触效果,减少漏矸量。

工作面在过地质构造期间,若采面底板标高小于回采巷道底板标高时,在采面靠近上限端头位置均采用留底煤方式平缓过渡;当采面底板标高大于回采巷道底板标高时,在机头及机尾附近采用割底板、留顶煤方式确定平缓过渡,同时应确保采面液压支架接顶密实,出口通畅。

2.4 安全保障措施

1) 优化通风及瓦斯治理措施。在工作面过地质构造带之前就需要强化通风管理,提高通风系统可靠性并确保工作面通风系统平稳运行;复查地质构造带内瓦斯抽采效果,并停止低负压、低浓度钻孔接抽;在构造带附近补打瓦斯抽采钻孔,以消除瓦斯抽采空白区;强化采面局部“四位一体”瓦斯治理措施,当推进期间遇到煤矸交替区域时,在煤壁上布置双排瓦斯排放孔,提高瓦斯治理效果,排放孔孔径为73 mm、孔深均为4 000 mm、布置间距为1 000～1 500 mm.

2) 强化水害防治。综合采用物探、钻探技术手段对复杂构造带内、采面顶板及附近含水情况进行探测。结合现场情况针对性制定水害防治技术措施。强化采面前方、上覆采空区及邻近工作面采空区富水及积水区探测并及时进行疏排。

3) 强化煤质管理。优化工作面过地质构造带期间运输系统,利用井下现有的矸石仓将过构造带期间生产的矸石堆积到矸石仓内,减少混入到原煤中的矸石量,达到减少运输量以及提升煤质质量的目的。

4) 强化顶板管理。确保顶板稳定是实现工作面安全过地质构造带的基础。因此在53105综采工作面过地质构造带之前即强化回采巷道顶板监测、围岩支护,及时处理失效的锚杆、锚索等,同时通过适当增大超前支护距离、支护强度等方式提高地质构造带影响范围内回采巷道的稳定性。

3 现场应用效果

为确保矿井生产、保障煤炭产量,在53105综采工作面过构造带期间通过与地质条件较好的73102综采工作面配采生产,煤炭月产量可达到20万吨。在53105综采工作面过地质构造带时,每天组织1个生产班,耗时4个月通过复杂构造带。期间采煤机、液压支架以及刮板输送机等设备均正常运行,采面及回采巷道顶板均得到有效管理,工作人员劳动强度较低。53105综采工作面通过平推硬过方式过复杂构造带,可回采价值1 800万元以上的煤炭资源,同时避免重开切眼,节省了安装及回撤设备的费用。

4 结 语

结合53105综采工作面的现场条件,提出采用平推硬过方式过复杂构造带,不仅可多回采煤炭资源,而且可避免重开切眼。

针对采面过复杂构造带期间面临的顶板破碎、煤矸交替、液压支架倾角大、瓦斯异常涌出、涌水等问题,针对性地提出采煤机截割、液压支架管控、采面推进以及安全保障等措施。

针对构造带内煤矸交替、矸石坚硬等问题,提出浅循环截割方法,并在必要时通过爆破方式辅助割矸,通过强化液压支架及开采设备管理,确保顶板稳定;通过补打瓦斯抽采钻孔、采面瓦斯排放孔等,加大瓦斯灾害治理强度;通过瓦斯抽采、排放结合消除瓦斯抽采空白区,解决复杂构造带内瓦斯治理难题;通过综合物探、钻探技术手段提高水害治理能力。53105综采工作面过构造带期间,综采设备高效运行,顶板保持稳定,瓦斯体积分数在正常范围内,未出现异常涌水情况,现场应用取得较好效果。