寺河煤礦大采高工作面過逆斷層技術應用研究

吳浩波,萇 珂,李韶彪

(晉能控股裝備制造集團有限公司 寺河煤礦,山西 晉城 048200)

1 工作面概況

晉能控股集團寺河煤礦5313大采高綜采工作面位于東井區(qū)東五盤區(qū),處于+350水平,開采3號煤層,工作面采高為6.0 m,一次采全高。工作面傾斜長度為234.4 m(凈),走向長度為1 990.8 m(凈)。工作面北為實體煤,南為5315工作面(已掘),西為東五盤區(qū)西輔助運輸巷、膠帶巷(已掘),東為東五盤區(qū)東翼中部回風一巷、二巷(已掘)。5313工作面開采3號煤層,煤層平均傾角5°,頂?shù)装鍘r層特征如表1所示。工作面推進度為1 376～1 438 m之間,出現(xiàn)逆斷層F5313-2(傾向約為90°～76°,傾角約為60°,落差為3～5 m),如圖1所示。根據(jù)工作面巷道揭露情況表明,煤巖受該逆斷層影響裂隙發(fā)育,對回采影響較大,因此展開工作面通過該斷層的技術措施研究。

圖1 工作面位置詳情

表1 工作面頂?shù)装鍘r層特征

2 逆斷層推進方案及可行性分析

2.1 推進方案

本次工作面過逆斷層采用“沿頂留底”的推進方式如圖2所示,具體如下:①工作面推進至斷層影響區(qū)域15 m前通過留底煤抬底板的方式逐步降低斷層影響,合理調(diào)整工作面采高,保證機組順利通過,推進過程中工作面沿煤層頂板推進,斷層影響區(qū)域與兩側(cè)正常區(qū)域頂?shù)装迤骄忂^渡,減緩傾角變化,為支架支撐創(chuàng)造良好頂?shù)装鍡l件。②工作面沿頂板推進至斷層面后,為保證頂板支護可靠,破下盤頂板割矸,出現(xiàn)割頂矸現(xiàn)象,待工作面進入穩(wěn)定區(qū)域后(即工作面通過斷層構(gòu)造明顯擾動區(qū)域,頂板巖層及煤壁無明顯破碎現(xiàn)象),逐漸下放工作面底板,將支架底座調(diào)整至煤層底板,沿煤層底板推進。③由于斷層延伸至工作面兩側(cè)巷道內(nèi),斷層影響區(qū)域巷道坡度較大,推進過程中,需沿巷道底板推進,巷道至工作面內(nèi)延伸至少15個架范圍,將工作面底板與巷道底板平緩過渡,為防坡度較大,出現(xiàn)倒架現(xiàn)象,根據(jù)現(xiàn)場情況延長過渡范圍。

圖2 工作面過斷層推進方案示意

2.2 過斷層方案可行性分析

結(jié)合過斷層期間工作面現(xiàn)場煤體情況,接近斷層面時,煤壁可見不規(guī)則節(jié)理,煤體松軟破碎,煤塵大,瓦斯含量高。機組割煤頂溜后,前方底板整體有50～100 mm的自然下壓。工作面過斷層面揭露下盤底煤時,煤層最厚達8.4 m.目前工作面使用的支架為ZY15000/30/67D型,最高支撐高度為6.7 m,若采用沿底留頂?shù)姆绞竭M行回采,受斷層影響區(qū)域煤體及頂板條件等地質(zhì)因素限制,對工作面整體的推進無法保證可控狀態(tài),極易出現(xiàn)冒頂?shù)仁鹿拾l(fā)生[1-2]。因此采用“沿頂留底”的方式是可行的,也是最安全高效的,這就對采煤機崗位司機的割煤水平提出了高要求,也是能順利通過逆斷層的安全保障。

3 過斷層頂板加固技術措施

在工作面通過斷層期間,在斷層附近15 m范圍內(nèi),在頂板安裝菱形金屬。降低工作面開采高度,開采高度控制在3.5～4.2 m之間,液壓支架支柱活動范圍不應小于200 mm,防止頂板施加過大壓力,造成支架壓死。采用拉超前支架的方法對頂板進行支撐,及時打開保護側(cè)板,防止煤壁破片。當支架頂部端面距超過340 mm時,在煤壁側(cè)安裝側(cè)支撐柱,側(cè)支撐柱與電纜架之間的距離最小為2.3 m,貼幫柱柱距為 1.5 m,側(cè)支撐柱固定牢固,錨固在保護側(cè)板或木質(zhì)材料上,初始支撐力不小于90 kN.頂板嚴重斷裂破碎時,采用支設貼幫支柱加補充錨桿對頂板進行支護的方法。頂板錨桿與煤壁傾角設為70°～ 75°,錨桿間距1.5 m,封幫錨桿沿煤層水平方向在頂板下方1 m處施工,錨桿間距1.5 m.錨桿采用全螺紋Ф20 mm高強度錨桿,長度為2.0 m.工作面頂板錨桿支護設計如圖3所示。

圖3 工作面頂板打錨桿支護設計平面圖(單位:mm)

圖4 解決方案及現(xiàn)場實況

圖5 現(xiàn)場實際情況示意

4 工作面揭露斷層現(xiàn)場情況及措施分析

4.1 工作面推進過程中出現(xiàn)的問題及應對措施

1) 工作面在斷層影響區(qū)域,煤體較軟,揭露斷層面時頂板出現(xiàn)不同厚度的頂矸,由于提前沿頂板、留底煤回采,機組割煤過程中需逐步下挖,下挖較厚容易造成工溜向下傾斜角度過大,對機組本身行走造成一定阻礙[3-4]。

現(xiàn)場實例(工溜向下傾):3月25日5313工作面中班割煤4刀,30號～40號架區(qū)域出現(xiàn)超挖。3月26日夜班割煤0.6刀,早班割煤1.5刀。3月26日中班接班后發(fā)現(xiàn)30號～90號支架嚴重超挖,機組躺煤幫無法正常行走。通過現(xiàn)場測量,30號～90號架溜子向下傾斜10°～27°(正常為4°～7°),其中55號～85號架向下傾斜最大平均25°,工作面50號～67號架煤體破碎,頂板塌頂0.5～2.5 m.隨即制定方案,按照掏煤—收溜、吊溜—頂溜、墊板梁—拉架的工藝流程,逐步進行工溜傾斜度調(diào)整。①掏煤:將支架底座至工溜靠煤壁側(cè)區(qū)域下方軟煤人工掏出。根據(jù)工溜的傾斜度(10°～27°),粗算需人工掏煤的厚度(0.2～0.7 m)。②收溜、吊溜:將工溜收回,吊溜按每3架一個吊點,將對應支架伸縮梁千斤前端拆除并使千斤保持接近垂直狀態(tài),掛專用接鏈環(huán)、大鏈(使用的轉(zhuǎn)載機鏈),將伸縮梁千斤前端與靠煤壁側(cè)工溜有效連接,按照此步驟連接5～6架,通過動作千斤使大鏈同時保持受力拉緊狀態(tài),支架工同時操作支架收千斤吊溜。直至工溜吊起至-4°～-7°,整體保持平整。③頂溜、墊板梁:將調(diào)整過的工溜頂出,將板梁支設于架前起到一定支墊作用,保證支架底座能夠壓板梁拉出。④拉架:支架工將墊好板梁的架整體拉出[5]。

2) 由于斷層影響區(qū)域,煤體整體松軟,斷層面附近煤巖交界處裂隙發(fā)育,整體性較差,受斷層影響,工作面沿推進方向,需保持-4°～-7°的角度割煤,機組司機底刀需挖一刀平一刀(平兩刀)逐步割煤,受機組司機操作水平影響,割煤時容易出現(xiàn)工溜上抬情況?，F(xiàn)場實例(工溜上抬):工作面調(diào)整過程中,出現(xiàn)工溜上抬現(xiàn)象,按照收溜、清煤—壓柱、頂溜的流程調(diào)整工溜的角度。①收溜、清煤:將上抬區(qū)域工溜收回,確保頂幫支護到位的前提下,人員進入煤幫清理頂溜前工溜下方煤。②壓柱、頂溜:將單體柱頂端支設在大護幫板位置戧好,底端支設在工溜靠煤壁側(cè),每3～5架支設1根單體柱,同時支設5架,支架工同時操作將工溜頂出,使工溜整體保持-4°～-7°.

4.2 本次過斷層吸取的教訓及大傾角割煤的注意事項

1) 提升各級人員的業(yè)務素質(zhì)和技能水平,提前對全體職工進行過斷層安全技術措施的專項培訓。提高機組司機的割煤水平、支架工的拉架調(diào)架能力,以及提升現(xiàn)場班組長、驗收員、跟班干部的執(zhí)行能力。

2) 加強現(xiàn)場條件變化時的匯報,及時將現(xiàn)場工作面的各類信息如實、準確地與相關業(yè)務部室溝通,根據(jù)現(xiàn)場的變化及時進行工作面的調(diào)整和應對。

3) 做好過斷層期間的技術分析工作,針對現(xiàn)場工作面煤體、頂?shù)装迕簬r情況及時進行數(shù)據(jù)匯總整理,結(jié)合地質(zhì)預報信息分析論證,對工作面推進提前進行調(diào)整,爭取做到技術指導現(xiàn)場。

4) 大傾角割煤時,無論是上山或者下山回采,采煤機要放緩割煤速度,割煤過程中控制好底板的平整度及上抬下挖角度,控制好工溜的上竄下滑,同時要加強工作面頂板管控,保證工作面初撐力動態(tài)達標,頂板破碎時及時拉出超前架。

5 結(jié) 語

根據(jù)寺河煤礦5313綜采工作面回采巷道掘進揭露情況表明,工作面推進度1 376～1 438 m之間,出現(xiàn)逆斷層F5313-2,結(jié)合工作面開采技術和圍巖條件,提出采用“沿頂留底”的推進方式通過該逆斷層,理論分析論證確定該方案可行,設計過斷層期間的頂板加固措施,實際生產(chǎn)過程中根據(jù)現(xiàn)場揭露斷層的具體問題提出針對性解決方案,并分析總結(jié)了本次過逆斷層吸取的教訓及大傾角割煤的注意事項,為大采高工作面過大落差斷層積累了成功經(jīng)驗。