深部開采復(fù)合頂板工作面過斷層技術(shù)研究

郭鵬飛(山西潞安工程有限公司， 山西 長治 046102)

1 前言

地質(zhì)構(gòu)造是影響回采工作面生產(chǎn)安全以及生產(chǎn)效率的不利因素之一，其中斷層是煤炭開采過程中最為常見的地質(zhì)構(gòu)造，選擇合適的工作面過斷層技術(shù)對確保煤炭開采具有重要影響[1-2]。現(xiàn)階段，工作面過斷層技術(shù)有跳采法、調(diào)整采高法、挑頂臥底法以及綜合法等，上述方法均有其自身的應(yīng)用特點[3-6]。隨著礦井采掘深度的增加，煤層賦存條件更為復(fù)雜，頂板巖性為復(fù)合頂板的煤層增加過斷層期間頂板管理難度[7]。文中就以山西某礦8605復(fù)合頂板綜采工作面過斷層為例，對工作面過斷層技術(shù)進行詳細闡述，以期能為其他礦井回采工作面過斷層工作開展提供一定參考借鑒。

2 工程概況

8605綜采工作面開采6號煤層，埋深720m，厚度6.0m、傾角6°，采用大采高回采工藝。工作面整體為于一褶曲背部，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，工作面內(nèi)斷層發(fā)育，頂板破碎。具體頂板巖性是砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖等互層的復(fù)合頂板，厚度5.69m，隨采隨垮；底板以砂巖為主?，F(xiàn)階段8605綜采工作面已回采推進18m，根據(jù)回采巷道掘進以及以往探測獲取的地質(zhì)資料，預(yù)計工作面會揭露四條正斷層，具體工作面揭露的斷層參數(shù)見表1、斷層位置如圖1所示。

表1 斷層參數(shù)

圖1 斷層位置

3 工作面過斷層技術(shù)方案

3.1 過斷層技術(shù)方法確定

由于8605綜采工作面開采的6號煤層厚度大、煤質(zhì)優(yōu)異、經(jīng)濟效益顯著，若工作面跳采法雖然可降低斷層對煤炭生產(chǎn)影響，但是會浪費大量的煤炭資源[8]。在分析工作面內(nèi)斷層賦存基礎(chǔ)上，提出采用調(diào)整采高并結(jié)合挑頂臥底方法過斷層。

工作面過斷層期間挑頂臥底法是采用采煤機截割煤層頂板及底板，通過截割巖層確保工作面順利通過斷層；調(diào)整采高是在工作面過斷層過渡段，通過調(diào)整采煤高度來降低工作面割巖量，確保工作面平穩(wěn)從斷層下盤平穩(wěn)過渡到斷層上盤，到煤層賦存穩(wěn)定區(qū)時緩慢恢復(fù)采高。

3.2 斷層技術(shù)方法

3.2.1 起坡位置確定

圖2 工作面過斷層起坡位置計算示意圖

8605綜采工作面過的F8斷層未能將6號煤層全部斷開，煤層復(fù)合頂板在斷層影響下較為破碎，可通過割頂留底方法通過F8斷層，同時為工作面頂板管理創(chuàng)造良好條件，工作面過斷層起坡位置如圖2所示，工作面過斷層示意圖如圖3所示。在8605綜采工作面過F8斷層時確定的起坡角為7°，具體工作面過斷層時起坡點位置為

(1)

(2)

式中：H——斷層落差，取5.6m;

α——斷層傾角，取47°;

β——起坡角，取7°;

M——煤厚，取6.0m。

計算得出：L1=40.4m、L2=34.8m。即工作面應(yīng)超前斷層34.8m開始起坡。

在斷層起坡點位置開始抬升采煤機滾筒，滾筒提升幅度在0.02m以內(nèi)，通過斷層后開始降低滾筒，降低幅度仍在0.02m以內(nèi)。在工作面過斷層期間滾筒割巖時走勢應(yīng)于頂板走向趨勢保持一致，緩慢推進。

3.2.2 調(diào)整采高

在工作面推進過斷層時將工作面采煤高度緩慢降低至3.65m并預(yù)留一定高度底煤，從而降低采煤機割巖量，具體過斷層時采煤高度控制如圖3所示。

圖3 斷層時采煤高度控制示意圖

為了確保工作面煤壁穩(wěn)定，充分利用工作面液壓支架(Z15000/33/72D)頂梁三級結(jié)構(gòu)，通過及時伸出擋煤板確保煤壁穩(wěn)定，擋煤板支撐力最大為500kN，護壁高度最大3.65m。通過采用液壓支架護壁可避免煤壁出現(xiàn)片幫問題。

3.3 安全技術(shù)措施

在8605綜采工作面過F8斷層期間，由于煤層頂板巖性為復(fù)合頂板本身強度低、穩(wěn)定性差，在斷層影響下極其容易出現(xiàn)冒頂，若不能對頂板進行有效控制，極其容易給工作面正?；夭蓭聿焕绊?，制約回采工作面正常進行。為此，提出采用增加支架支撐力以及頂板、煤壁注漿方式強化對頂板控制。

1)增加支架支撐力

通過提高液壓支架初撐力可實現(xiàn)支架頂梁與頂板密切貼合，充分發(fā)揮液壓支架本身的護頂能力，提升頂板穩(wěn)定性。工作面液壓支支架初撐時實際初撐力10 000kN，此時仍給支架保留足夠的富裕系數(shù)。在液壓支架循環(huán)末工作阻力穩(wěn)定在15 000kN附近，同時在過斷層期間通過砌筑木垛等方式來對頂板進行支撐，降低頂板下沉量。

2)煤壁注漿

在工作面內(nèi)沿著煤層傾斜方向布置2排注漿鉆孔，其中上排注漿鉆孔與煤層頂板間距0.3m、下排鉆孔與底板間距1.0m，上排鉆孔主要起到加固頂板作用、下排鉆孔起到加固煤壁及頂板作用。鉆孔間距為8.0m，鉆孔孔深均為10.0m，上排仰角為15°、下排為5°，注漿漿液為水泥漿、壓力3MPa，注漿孔布置如圖4所示。鉆孔封孔長度為2.0m，并根據(jù)鉆孔注漿漿液漏失情況以及注漿量確定最佳封孔時機。在注漿過程中在煤壁上布置柔性纖維網(wǎng)維護煤壁穩(wěn)定、同時不會給采煤機割煤帶來不利影響，確保注漿工作安全開展。

圖4 注漿孔布置示意圖

對工作面煤壁注漿后取樣發(fā)現(xiàn)注漿漿液有效擴散距離在4m以上，注漿鉆孔選用8m間距可滿頂板、煤壁加固需要。注漿后大范圍的頂板冒落、煤壁片幫基本消失，僅有局部區(qū)域出現(xiàn)小范圍煤壁片幫(片幫深度均在0.5m以內(nèi))。通過注漿后，煤層復(fù)合頂板不會給采煤工作正常推進帶來不利影響，可確保采煤工作面安全、高效過斷層。

4 結(jié)論

(1)在對礦井8605綜采工作面地質(zhì)賦存條件以及斷層構(gòu)造發(fā)育情況進行充分分析基礎(chǔ)上，為了提高煤炭開采率提出采用挑頂臥底并結(jié)合調(diào)整采高方式過斷層，并詳細對過斷層技術(shù)方案進行闡述。

(2)由于工作面埋深較深、頂板為復(fù)合頂板，本身穩(wěn)定性以及強度較低，在斷層影響下頂板以及煤層均破碎，容易出現(xiàn)頂板冒落、煤壁片幫問題。在分析過斷層期間圍巖應(yīng)力分布并結(jié)合頂板、煤壁破碎穩(wěn)定性差條件，提出采用增加液壓支架工作阻力、降低采煤高度并對煤壁注漿等方式確保工作面過斷層期間安全，避免冒頂、片幫制約回采工作面開展。

(3)文中提出的工作面過斷層技術(shù)不僅確保了工作面過斷層安全，而且有效提升了煤炭回收率，取得顯著的安全、經(jīng)濟效益。