回采工作面過地質(zhì)構(gòu)造帶技術(shù)研究

李君建

（山西正誠礦山安全技術(shù)研究所（有限公司）， 山西 太原 030006）

目前我國煤炭資源的開采狀況不容樂觀，由于開采強(qiáng)度大，一些年限較長的礦井淺部資源基本開采完畢，大部分已進(jìn)入深部開采。由于開采條件復(fù)雜，工作面回采過程中會遇到復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶，如斷層、陷落柱、褶曲、破碎頂板等，如果不能及時(shí)處理，會影響礦井的正?；夭蛇M(jìn)度，甚至?xí)绊懙V井安全。因此，對于工作面回采過程中安全、快速的通過地質(zhì)構(gòu)造帶，既能提高礦井的回采速率，又能對礦井的回采安全提供保障，也能給礦井有類似地質(zhì)構(gòu)造的工作面回采提供參考依據(jù)。

1 工作面概況

某礦1300工作面為首（一）采區(qū)首采工作面，位于采區(qū)南翼西側(cè)，西鄰八里莊斷層（H=90～180 m）、八里莊支四斷層（H=5～110 m），東側(cè)隔80 m煤柱與1300工作面泄水巷（即為1301工作面膠帶順槽）相鄰，北鄰采區(qū)軌道大巷，南鄰八里莊支四斷層（H=5～110 m）；地面標(biāo)高+40.2 m～44.1 m，井下標(biāo)高-845～-817 m，埋深約 850～890 m。

在工作面回采過程中共揭露斷層78條之多，其中有33條斷層的落差大于1 m，12條斷層的落差大約3 m，其中斷層FY15的落差達(dá)到13 m，為最大落差。工作面回采過程中斷層多切落差大，對工作面的回采正?；夭稍斐删薮蟮挠绊?。由于斷層的影響，斷層附近存在陷落柱，可能會成為導(dǎo)水通道，對礦井的防治水安全造成一定的影響。

2 構(gòu)造帶對工作面回采影響機(jī)制

2.1 斷層對工作面回采影響機(jī)制

1300工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層多且相互切割，呈星羅密布、縱橫交錯(cuò)式結(jié)構(gòu)。在縱向上整體穿透斷層的存在，破壞了地層的整體連續(xù)狀態(tài)，形成了“棋盤式”的構(gòu)造格局。其中部分?jǐn)鄬友由爝M(jìn)工作面，延展較長。斷層的切割將一個(gè)整體連續(xù)的板塊，切割成多個(gè)破碎的板塊，斷層切割的邊界視為簡支梁。根據(jù)斷層在工作面外側(cè)的不同切割情況分為五種情況下的支承狀態(tài)，四邊簡支、三邊固支一邊簡支、兩臨邊固支兩臨邊簡支、兩對邊固支兩對邊簡支、一邊固支三邊簡支，如圖1所示。當(dāng)工作面推進(jìn)到斷層區(qū)域，特別是支承壓力高峰區(qū)域與斷層斷裂線高應(yīng)力區(qū)域的疊加區(qū)域，在擾動等因素的誘發(fā)下，易于發(fā)生礦山壓力災(zāi)害。

圖1 不同邊界條件下支承狀態(tài)示意圖

斷層切割頂板后工作面視為簡支邊界，簡支邊界解除了周邊的約束，失去了傳遞力的作用。當(dāng)工作面推進(jìn)到斷裂線位置時(shí)，頂板巖層施加在工作面與斷層間間煤柱重力明顯加劇，較易形成高應(yīng)力集中，頂板的斷裂速度加快，垮落步距減小，頂板斷裂時(shí)釋放的能量大，容易出現(xiàn)強(qiáng)度較大的礦壓災(zāi)害。

2.2 陷落柱對工作面回采影響機(jī)制

工作面回采過程中陷落柱容易引發(fā)突水事故，影響工作面的安全回采。采動影響會導(dǎo)致底板承受的水壓增大，而導(dǎo)水陷落柱更加深礦井發(fā)生突水的危險(xiǎn)性，分布不規(guī)律，很難進(jìn)行超前勘探，這一系列原因造成礦井易發(fā)生突水事故。陷落柱往往存在水壓高、水量大、爆發(fā)迅速、破壞性大等特點(diǎn)，工作面底板的水通過陷落柱作為傳遞水的媒介，通過陷落柱將底板奧灰水傳遞到工作面，造成突水災(zāi)害。其突水機(jī)理如圖2所示。

圖2 工作面陷落柱突水機(jī)理示意圖

3 工作面過地質(zhì)構(gòu)造帶研究

回采工作面回采過程中遇到地質(zhì)構(gòu)造，應(yīng)該根據(jù)不同構(gòu)造的特點(diǎn)，具體拿出過地質(zhì)構(gòu)造的方案。1300工作面回采過程中存在斷層、陷落柱形成的地質(zhì)構(gòu)造帶，如果斷層落差小，可以采用煤機(jī)直接推采的方式回采。但是當(dāng)斷層落差大時(shí)，巖層強(qiáng)度高，不能用煤機(jī)直接推采時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用爆破技術(shù)進(jìn)行工作面向前推采，爆破后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)、卸壓并防治工作面出現(xiàn)突水。

3.1 爆破回采技術(shù)

1300工作面過地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)，由于頂?shù)装鍘r層強(qiáng)度高，采煤機(jī)截割困難時(shí)，采用爆破破巖、采煤機(jī)掃矸石的方式推采。由專業(yè)人員分析巖層的軟硬區(qū)域，預(yù)計(jì)爆破鉆孔位置、數(shù)量以及裝藥量，并制定詳細(xì)的作業(yè)規(guī)程。根據(jù)巖層的不同厚度和強(qiáng)度布置不同的爆破鉆孔。當(dāng)巖層厚度小于1 m時(shí)，炮眼采用單排眼布置，炮眼間距1 m，炮眼深度1.3 m；當(dāng)巖層厚度大于1 m而小于2.5 m時(shí)，炮眼采用雙排三花眼布置，炮眼間距1 m，炮眼深度1.3 m，采用正向裝藥。每次起爆的長度單排眼不超過15 m；三花眼不超過10 m。爆破后及時(shí)采用煤機(jī)進(jìn)行掃矸，以免大矸石卡柱煤機(jī)影響工作面運(yùn)輸。

3.2 支護(hù)技術(shù)

在1300工作面過構(gòu)造帶回采時(shí)，由于構(gòu)造的影響，工作面頂板易破碎，尤其是兩端頭區(qū)域頂板的支護(hù)成為了一項(xiàng)難題。如果不及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，則破碎的煤層及巖石會導(dǎo)致端面片幫事故的發(fā)生，造成頂板的整體的垮落，影響回采進(jìn)度。因此，對于工作面過地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)對工作面破碎頂板和片幫煤壁進(jìn)行支護(hù)。

1）加強(qiáng)工作面頂板和兩幫的支護(hù)強(qiáng)度。1300工作面回采過程中過地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)，對于破碎的頂板應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，采用先移架在推刮板輸送機(jī)的方式進(jìn)行及時(shí)支護(hù)。如果工作面片幫深度超過0.8m時(shí)，可以采用超前支護(hù)的方式防止破碎的巖石進(jìn)一步破壞。在工作面移架過程中讓支架保持足夠的壓力，不要出現(xiàn)空頂?shù)默F(xiàn)象。

2）加快工作面推進(jìn)速度。1300工作面回采過程中過地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)，應(yīng)當(dāng)加快工作面的推進(jìn)速度，使得頂板破碎巖石懸露的時(shí)間短，避免頂板巖石進(jìn)一步破壞，造成支護(hù)困難。

3.3 卸壓技術(shù)

工作面回采過地質(zhì)構(gòu)造帶切眼擴(kuò)巷期間，煤炮發(fā)生頻率較高，特別是切眼斷層分布豐富，具有發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)性，因此1300工作面切眼擴(kuò)幫時(shí)，也需要采取“先打眼放炮后擴(kuò)巷”的沖擊地壓防治措施。如圖3所示。

圖3 切眼擴(kuò)巷爆破鉆孔示意圖（m）

在距離膠帶順槽10～15 m處的切眼，開始布置爆破松動鉆孔，鉆孔間距10 m，孔徑42 mm，鉆孔距離底板1.2～1.5 m，裝藥量1.2 m左右，其余段最好全部用黃泥封孔；進(jìn)行“先單孔爆破，后擴(kuò)巷，循環(huán)進(jìn)行”的沖擊地壓防治措施。

3.4 防突水技術(shù)

1300工作面回采過程回采過程過地質(zhì)構(gòu)造帶，采用超高密度電法探測技術(shù)和地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)進(jìn)行突水探測探測，對探測到的危險(xiǎn)區(qū)域采用鉆探技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，從而確定該工作面富水危險(xiǎn)區(qū)域。

對工作面回采過地質(zhì)構(gòu)造帶探測到的富水危險(xiǎn)區(qū)域工作面采用疏水降壓的防治措施，其鉆孔布置示意圖如圖4所示。共布置7組鉆孔，每組鉆孔3個(gè)，累計(jì)施工21個(gè)鉆孔，鉆探進(jìn)尺1 688.4 m。工作面疏水降壓后進(jìn)行注漿改造，采用擴(kuò)散半徑為20 m左右的注漿液，而在斷層或者陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造周圍采用擴(kuò)散半徑為15 m的注漿液。

圖4 疏水降壓鉆孔布置示意圖

4 結(jié)論

1）以某礦1300工作面為研究對象，分析了工作面回采過地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)斷層、陷落柱等影響機(jī)制，由于地質(zhì)構(gòu)造帶的因素，工作面回采期間易發(fā)生礦壓或突水災(zāi)害。

2）對回采工作面過地質(zhì)構(gòu)造帶技術(shù)研究，采用爆破破巖技術(shù)進(jìn)行工作回采，并及時(shí)強(qiáng)化工作面支護(hù)以及加快推進(jìn)速度、先打眼放炮后擴(kuò)巷卸壓技術(shù)以及疏水降壓和注漿加固防突水，避免工作面過地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)出現(xiàn)安全事故，保障工作面安全回采。