復(fù)雜煤層構(gòu)造區(qū)綜采工作面分割優(yōu)化與工程實踐

沈銘華，呂兆海，潘長斌，趙長紅，田 坤，李方洲，崔 晨

(1.國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750001;2.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054;3.英國利物浦大學(xué)，英國 利物浦L69 3BX)

0 引言

煤礦生產(chǎn)過程中經(jīng)常會遇到斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造，同時構(gòu)造應(yīng)力場在空間的分布具有不均勻特征，這對礦井的安全生產(chǎn)影響很大[1-3]。眾多科研人員對構(gòu)造的評估方法及治理措施進行了深入研究。中煤科工集團[4]物探發(fā)現(xiàn)肖家洼煤礦221302膠運順槽迎頭存在陷落柱構(gòu)造，采取注漿加固方式對陷落柱構(gòu)造異常體外圍及內(nèi)部含水層進行治理。武俊峰等[5]通過井下鉆探探測等技術(shù)，判明了區(qū)域性赤峪斷層在紫晟煤業(yè)東南部呈現(xiàn)4條密集分布的斷層組，評估斷層在2-107工作面外圍約115 m，斷層破碎帶寬約220 m，總落差190～325 m，減少了構(gòu)造損失煤量。李靜[6-7]等以準(zhǔn)噶爾盆地蘇13井三維區(qū)石炭系火成巖儲層為例，對研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度進行了表征，認(rèn)為研究區(qū)地應(yīng)力分布受斷層數(shù)量、斷層走向和石油開采的影響較大。筆者綜合采取探巷、鉆孔鉆探、三維地震資料精細(xì)解釋的方法，對金家渠煤礦綜采工作面賦存構(gòu)造特征和范圍進行分析，將原有工作面進行分割優(yōu)化，最終實現(xiàn)資源開采的最大化。

1 工作面概況

金家渠煤礦可采儲量3.36億噸，設(shè)計生產(chǎn)能力400萬噸/年。110302綜采工作面作為11采區(qū)開采的第二個工作面，所采煤層為3層煤，工作面走向長度1933 m，傾斜長279 m，平均傾角36°。工作面頂?shù)装鍘r性特征見表1：偽頂厚0.2 m，為炭質(zhì)泥巖；直接頂平均厚3.79 m，為粉砂巖；基本頂厚29.7 m，為中粒砂巖，較為堅硬。工作面安裝兩柱掩護式液壓支架共162臺，其中：151臺ZY10000/22/45D型基本架，7臺ZYP10000/22/45D型排頭支架，2臺ZYG10000/22/45D型過渡架，2臺ZYT10000/22/45D型端頭支架。

表1 工作面頂?shù)装鍘r性特征

2 地質(zhì)構(gòu)造特征分析

通過2102#、2108#鉆孔揭露煤層及巷道掘進期間的地質(zhì)資料分析，該煤層厚度在3.3～4.2 m，煤層傾角16°～43°。工作面東部分布金家渠逆斷層，落差75～350 m，且位于斷層下盤，與下盤斷煤交線最近距離157 m，如圖1所示。煤層在該逆斷層構(gòu)造力的作用下發(fā)生塑性破壞，導(dǎo)致煤層局部出現(xiàn)變薄、斷裂等現(xiàn)象[8-10]；若強行回采，工作面將揭露大量巖石，且支架上方頂板破碎。

圖1 工作面布置圖

2.1 掘進階段揭露構(gòu)造情況

掘進階段揭露地質(zhì)資料顯示：在0～600 m范圍內(nèi)煤巖層賦存正常，煤層厚度平均3.75 m，煤層傾角平均18°；在600～994 m范圍內(nèi)主要受金家渠逆斷層的影響，出現(xiàn)3煤變薄、翻轉(zhuǎn)、分叉等地質(zhì)異?，F(xiàn)象，且在工作面內(nèi)部形成向斜構(gòu)造。3層煤沿傾向發(fā)生翻轉(zhuǎn)，斷面傾角在23°～52°；在620.7 m、721.5 m兩處迎頭斷面顯示煤巖層沿傾向發(fā)生翻轉(zhuǎn)，814.3 m處迎頭斷面顯示3層煤分叉呈上下兩層特點，含有粉砂巖；在994 m處迎頭全斷面為粉砂巖。掘進階段揭露細(xì)砂巖與粗砂巖均為鈣質(zhì)膠結(jié)，較為堅硬。

2.2 鉆孔探測與三維地震資料解釋

采用鉆探方法沿傾向?qū)ぷ髅鎯?nèi)部地質(zhì)異常區(qū)域探測，施工3個鉆場，探測結(jié)果如圖2所示：1#鉆場(644 m)探測區(qū)域3層煤沒有出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，但存在煤層分叉現(xiàn)象(分為3上煤、3下煤)，且沿煤層傾向傾角整體呈上坡趨勢，推斷煤層傾角約為7°，3上煤厚度約為3.4 m，推斷沿工作面內(nèi)部煤層呈合并趨勢，在后續(xù)工作面回采時可沿3上煤開采。2#鉆場(831.8 m)探測區(qū)域3層煤出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，且煤層傾向發(fā)生翻轉(zhuǎn)、搓揉現(xiàn)象，局部煤層傾角達到38°～52°；該范圍3煤層賦存情況極為復(fù)雜，在工作面內(nèi)部呈現(xiàn)向斜構(gòu)造。3#鉆場(930 m)探測區(qū)域3層煤出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，3上煤厚度推測1.65 m，傾角變化較大，且在工作面內(nèi)部分布向斜構(gòu)造，向斜軸寬緩范圍約為20 m；3下煤厚度2.4～3.4 m，受向斜構(gòu)造影響范圍0～51 m。三維地震資料精細(xì)解釋顯示，沿工作面運輸順槽傾向至工作面內(nèi)側(cè)70 m范圍，3層煤三維地震時間剖面斷點不連續(xù)。

3 工作面分割優(yōu)化

根據(jù)探巷、鉆孔探測及三維地震資料精細(xì)解釋，發(fā)現(xiàn)沿運輸順槽走向600～994 m、沿工作面傾向內(nèi)側(cè)60 m范圍存在煤層斷點現(xiàn)象，工作面現(xiàn)有采煤設(shè)備通過該區(qū)域?qū)⒁衣?層煤老頂粗砂巖，對截割設(shè)備損耗大；將原有工作面進行分割優(yōu)化，將工作面運輸順槽向上側(cè)平移平距75 m，重新施工新運輸順槽，將采面劃分為A區(qū)(1200 kt)、B區(qū)(700 kt)、C區(qū)(300 kt)三個可采區(qū)域及D區(qū)(棄采區(qū))，如圖3所示，這樣就避免了回采階段采煤機截割堅硬粗砂巖頂板，工作面推進速度較慢等問題。同時探討跳采及縮短工作面的2套開采方案，跳采涉及回撤通道和切眼施工工程，而縮短工作面涉及避開地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域，施工部分措施工程。

3.1 分割方案

方案1 跳采(施工回撤通道+切眼安裝，保留110302輔巷原有排水系統(tǒng))，如圖3所示。

圖2 工作面內(nèi)部鉆孔探測剖面

施工110302 II工作面皮帶機頭硐室、轉(zhuǎn)載巷、運輸順槽，工作面回風(fēng)順槽停于1010 m處，運輸順槽停于1170 m處(停采線一位置)，工作面?zhèn)涡睘?5 m。工作面開采到停采線位置后，回收工作面支架、刮板輸送機，并將轉(zhuǎn)載機、皮帶輸送機運輸至110302Ⅱ工作面運輸順槽重新安裝。在110302 II工作面重新安裝支架、刮板輸送機后初采初放。

工程量及工期：(1)110302 II工作面運輸順槽開口繞道、機頭硐室、轉(zhuǎn)載巷等措施工程共計275 m，預(yù)計工期107 d。(2)110302 II工作面運輸順槽共計1024 m，預(yù)計工期77 d。(3)110302 II工作面新切眼共計155 m，預(yù)計工期43 d。(4)110302工作面回撤通道共計246 m，預(yù)計工期20 d。(5)因回收設(shè)備，需對回風(fēng)順槽0～700 m段進行維護，預(yù)計工期90 d(可平行作業(yè))。(6)回收原工作面全部設(shè)備，預(yù)計工期45 d。(7)110302 II工作面共計安裝145臺支架，一部刮板輸送機、一臺采煤機，預(yù)計工期40 d。(8)110302 II工作面初采初放預(yù)計工期30 d。工期小計：從工作面停采至正?；夭深A(yù)計工期135 d，煤炭資源損失44 kt。

圖3 方案1跳采布置

方案2 縮短工作面(施工1#-57#支架段回撤通道+局部安裝)，如圖4所示。

施工110302Ⅱ工作面皮帶機頭硐室、轉(zhuǎn)載巷、運輸順槽，工作面回采至回風(fēng)順槽920 m處、運輸順槽1080 m處時，調(diào)整層位，與110302Ⅱ工作面運輸順槽連通，連通位置預(yù)計對應(yīng)51#-52#支架段。連通前，運輸順槽上幫側(cè)至110302Ⅱ工作面運輸順槽向上側(cè)方向25 m范圍內(nèi)施工回撤通道113.4 m。1#～50#支架及其對應(yīng)的刮板輸送機框架需進行回收；同時1#～6#支架需與51#～56#支架進行替換。

工程量及工期：(1)110302Ⅱ工作面運輸順槽開口繞道、機頭硐室、轉(zhuǎn)載巷共計275 m，預(yù)計工期107 d。(2)110302Ⅱ工作面運輸順槽共計1024 m，預(yù)計工期77 d。(3)無需施工切眼。(4)110302工作面回撤通道共計117 m，預(yù)計工期18 d。(5)設(shè)備回收從110302Ⅱ工作面運輸順槽運輸，可不對110302回風(fēng)順槽進行維護。(6)回收1#～50#支架及其對應(yīng)的刮板輸送機框架，預(yù)計工期25 d。(7)將工作面1#～6#支架替換安裝至51#～56#支架位置，安裝刮板輸送機機頭、偏轉(zhuǎn)槽。采煤機移動至工作面上口，可無需安裝。預(yù)計工期10 d。(8)110302Ⅱ工作面無需初采初放。工期小計：從工作面停采至正?；夭深A(yù)計工期53 d，煤炭資源損失33 kt。

圖4 方案2縮短工作面布置

3.2 方案比較

方案1優(yōu)點：①可利用現(xiàn)有排水系統(tǒng)。②工藝成熟。③跳采后，新工作面在回風(fēng)順槽安裝位置巷道坡度較小。④工作面基本不揭露巖石。缺點：①煤炭損失量大。②工期相對最長。③增加回風(fēng)順槽維修工程。④回收、安裝工作面內(nèi)所有設(shè)備。⑤重新初采初放，頂板管控存在一定難度。

方案2優(yōu)點：①設(shè)備無需全部回收。②不用施工新切眼。③無需初采初放，頂板管控難度小。④回撤設(shè)備從新運輸順槽運輸，可不對回風(fēng)順槽進行維修。缺點：①工作面與新運輸順槽對接前需提前調(diào)整層位，施工精度要求較高。②工作面下部6臺支架與中部支架進行替換，工藝較為復(fù)雜。

綜合分析，方案2較方案1，措施工程量較少，首先省去了155 m的新切眼施工，同時回撤通道工程量由方案1中246 m減少到117 m；方案1相當(dāng)于工作面設(shè)備整體搬家倒面，作業(yè)環(huán)節(jié)多，安全管控難度大，而方案2僅涉及回撤安裝工作面部分設(shè)備，作業(yè)風(fēng)險相對較小，有利于安全管控；方案1涉及初采初放，頂板管控難度較大。

3.3 工程實踐

選取方案2，即重新施工110302工作面皮帶運輸巷(Ⅱ)，避開地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域，回撤部分綜采設(shè)備，形成新的回采系統(tǒng)，涉及回撤通道施工、頂板加強支護、設(shè)備回撤與安裝三項工程。

3.3.1 回撤通道施工

110302工作面皮帶運輸巷(Ⅱ)與綜采工作面貫通處正對支架位置預(yù)計為51#、52#支架，同時1#～6#支架需與51#～56#支架進行替換，刮板機機頭與相應(yīng)偏轉(zhuǎn)槽需進行對接安裝，為保證預(yù)留安裝空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，50#～57#支架需提前停采，具體為：50#～54#支架提前3個循環(huán)停止，55#～57#支架提前2個循環(huán)停止，分別預(yù)留10.3 m、9.4 m的安裝空間，如圖5所示。工作面內(nèi)需預(yù)留主副絞車安裝、支架轉(zhuǎn)向空間，經(jīng)計算回撤通道范圍：貫通點向工作面上口25 m，貫通點至工作面下口(88.4 m)，共113.4 m；回撤通道設(shè)計凈寬4 m、凈高3.5 m，頂部采用錨桿與錨索配合梯形鋼帶、錨索桁架、鋼筋網(wǎng)支護，幫部采用錨網(wǎng)支護。

圖5 回撤施工及安裝示意圖

3.3.2 頂板加強支護

工作面回采距停采線15 m時，開始鋪柔性網(wǎng)(PET800×800RS，長寬145 m×16 m)+鋼絲繩(直徑大于等于24.5 mm，繩間距800 mm，15道)，從79#支架鋪設(shè)至1#支架位置。51#～56#支架替換區(qū)域頂板將受到多次擾動，在柔性網(wǎng)(長寬17.5 m×15 m)+鋼絲繩支護條件下，對49#～58#支架段頂板區(qū)域增加雙層經(jīng)緯網(wǎng)、π型鋼梁進行補強支護，鋪網(wǎng)期間將π型鋼梁捆綁于鋼絲繩上，排距為800 mm，排與排端頭錯開1750 mm。51#～56#支架替換區(qū)域架前頂板在柔性網(wǎng)+經(jīng)緯網(wǎng)加強支護條件下，采用錨索與梯形鋼帶、錨索桁架補強支護，鋼帶錨索使用4300 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間距800 mm；桁架錨索使用6300 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，桁架采用11#礦用工字鋼加工L取2500 mm。

3.3.3 設(shè)備回撤與安裝

工作面需回撤50臺支架及與其對應(yīng)的刮板輸送機中間槽，并重現(xiàn)安裝1#～6#特殊支架、刮板機機頭、偏轉(zhuǎn)槽、轉(zhuǎn)載機、皮帶運輸機及相關(guān)管線，預(yù)計工期40 d。先回撤65#支架至工作面下口段對應(yīng)的刮板輸送機，并將刮板輸送機機頭、6節(jié)偏轉(zhuǎn)槽存放于井下車場等待安裝。刮板輸送機回收完畢后，在貫通點處，即51#、52#架前施工回撤平臺，并安裝主副絞車在62#、63#、64#架前區(qū)域；按順序先回撤轉(zhuǎn)載機與皮帶機尾，再回撤1#～49#支架，其中1#～6#支架回撤至地面檢修，然后逐一將1#～6#支架與51#～56#支架進行替換，最后回撤50#支架。具體工序：(1)1#～6#支架與51#～56#支架替換，先抽出51#、52#支架，并安裝1#端頭支架，再抽出53#支架，安裝2#端頭支架，由下向上依次安裝3#～6#支架。(2)回收主、副絞車，利用皮帶運輸巷(Ⅱ)調(diào)向絞車安裝刮板輸送機部分中部槽、偏轉(zhuǎn)槽、刮板機機頭。(3)安裝轉(zhuǎn)載機、皮帶機尾、皮帶架、皮帶機頭，并調(diào)整軌道、恢復(fù)管線等。

4 結(jié)論

(1) 綜合運用多種技術(shù)探明了構(gòu)造影響區(qū)的范圍和形態(tài)。綜合采取探巷、鉆孔鉆探、三維地震資料精細(xì)解釋的方法，分析運輸順槽600～994 m范圍內(nèi)3層煤出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、分叉等地質(zhì)構(gòu)造異常，且沿工作面傾向內(nèi)側(cè)60 m范圍存在煤層斷點現(xiàn)象。

(2) 綜合比對各方案的優(yōu)缺點進而確定了最佳方案。探討跳采及縮短工作面兩種開采方案，從工程量、工期、作業(yè)環(huán)節(jié)及安全管控難度等要素，綜合比對各方案的優(yōu)缺點，采取方案二即施工皮帶運輸巷(Ⅱ)和部分回撤通道，形成新的回采系統(tǒng)。

(3) 提出了基于工作面分割優(yōu)化實現(xiàn)資源利用最大化的開采思路。將原有工作面分割優(yōu)化，重新劃分為A區(qū)(1200 kt)、B區(qū)(700 kt)、C區(qū)(300 kt)三個可采區(qū)域及D區(qū)(棄采區(qū))，最終實現(xiàn)煤炭資源開采的最大化。