綜采面過(guò)大落差斷層采場(chǎng)穩(wěn)定性及高效撤架技術(shù)

張洪鋒,鄧海富

(1.大同煤礦集團(tuán) 安全管理監(jiān)察局,山西 大同 037000;2.山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司,山西 河曲 036500)

斷層構(gòu)造嚴(yán)重影響巷道、工作面乃至整個(gè)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)布置[1],回采過(guò)程中常需要延長(zhǎng)或縮短工作面以適應(yīng)地質(zhì)條件變化,使得回采中出現(xiàn)不規(guī)則工作面。斷層作為巖體介質(zhì)中的弱面,回采中可能出現(xiàn)冒頂、突水和沖擊地壓等事故[2],在大落差斷層附近實(shí)現(xiàn)工作面支架的安全撤除與安全通過(guò),對(duì)工作面安全高效開(kāi)采具有重要意義。

有關(guān)學(xué)者對(duì)斷層特征、回采影響進(jìn)行大量研究,但對(duì)大落差斷層條件下不規(guī)則工作面的高效開(kāi)采研究較少[3]。本文采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,分析了某煤礦4301綜放工作面10 m落差斷層附近工作面頂?shù)装寤顒?dòng)規(guī)律,提出了在工作面縮面過(guò)程中的支架撤除工藝及頂板控制技術(shù),為類似條件工作面安全高效回采提供借鑒。

1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

某礦4301綜放工作面為不規(guī)則的邊角煤工作面,主采煤層厚度1.1 m ～6.5 m,平均厚度4.07 m,煤層上方為平均厚度14.68 m的細(xì)砂巖及中砂巖,采用走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤開(kāi)采,推進(jìn)長(zhǎng)度為1 294.1 m。4301綜放工作面掘進(jìn)期間在回采范圍內(nèi)共揭露21條正斷層,最大落差10 m,其中貫穿工作面的三條斷層分別為SF429、SF431、SF440,發(fā)育在該工作面的中部,落差分別為3.5 m、10.0 m、2.9 m,對(duì)回采影響較大。

工作面分為兩個(gè)塊段回采,第一塊段推進(jìn)長(zhǎng)度為880 m,凈面長(zhǎng)203.70 m;第二塊段推進(jìn)長(zhǎng)度為414.1 m,凈面長(zhǎng)120 m。

2 大落差斷層區(qū)頂板活動(dòng)規(guī)律

2.1 模型建立及方案

采用UDEC4.0軟件對(duì)正斷層情況下,工作面從斷層上盤向斷層推進(jìn)過(guò)程中采場(chǎng)圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布、塑性破壞及位移變化規(guī)律進(jìn)行研究。

根據(jù)該礦4301綜放工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件,建立數(shù)值計(jì)算模型,見(jiàn)圖1。模型長(zhǎng)200 m,高90 m,模擬的斷層角度70°,斷層落差10 m。分析工作面從斷層上盤向斷層推進(jìn)時(shí),距SF431斷層40 m、30 m、20 m和10 m時(shí)采場(chǎng)應(yīng)力變化規(guī)律;通過(guò)斷層時(shí),工作面塑性區(qū)及位移場(chǎng)分布規(guī)律;通過(guò)斷層后,距SF431斷層10 m、20 m、30 m和40 m時(shí)采場(chǎng)應(yīng)力變化規(guī)律。

圖1 工作面過(guò)斷層區(qū)數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 Numerical simulation of the working face crossing the fault

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.2.1 斷層對(duì)工作面支承壓力分布特征的影響

工作面向SF431斷層推進(jìn)時(shí)工作面煤體超前支承壓力峰值分布情況如表1所示,工作面向SF431斷層推進(jìn)時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)分布見(jiàn)圖2。

由表1和圖2可以看出,當(dāng)工作面離SF431斷層40 m時(shí),超前支承壓力最大值為23.04 MPa,距離工作面煤壁9.5 m,應(yīng)力集中系數(shù)為1.75。隨著工作面向SF431斷層進(jìn)一步推進(jìn),應(yīng)力峰值逐步升高,斷層對(duì)工作面超前支承壓力的影響逐步增加,當(dāng)工作面距離SF431斷層20 m時(shí),應(yīng)力峰值上升到27.22 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.06,應(yīng)力峰值位置距煤壁6.5 m。當(dāng)工作面距離SF431斷層10 m時(shí),應(yīng)力集應(yīng)力峰值上升到29.18 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.28,應(yīng)力峰值位置距煤壁4.0 m。

表1 工作面煤體超前支承壓力峰值分布Table 1 Peak distribution of advance abutment pressure

圖2 工作面向SF431斷層推進(jìn)時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)分布(距斷層10 m)Fig.2 Stress field distribution when the working face advancing toward the SF431 fault (10 m from the fault)

可見(jiàn)斷層不僅影響垂直應(yīng)力峰值,還影響支承壓力的分布形式和分布范圍,應(yīng)力峰值隨工作面距斷層距離的變小而增大并向煤壁轉(zhuǎn)移,最小距離煤壁4.0 m,這使得斷層區(qū)域煤壁片幫和發(fā)生沖擊地壓的可能性增大。因此,在工作面過(guò)斷層中要采取相應(yīng)的措施加以預(yù)防。

當(dāng)工作面推過(guò)斷層面完全進(jìn)入斷層上盤后,由于斷層面進(jìn)一步拉裂和滑動(dòng),不能完全把覆巖重量轉(zhuǎn)移到回采工作面前面,使煤壁垂直應(yīng)力減小,但之后不久,工作面面臨著頂板大范圍巖層懸臂回轉(zhuǎn)變形破斷的影響,將導(dǎo)致垂直應(yīng)力變大,頂板出現(xiàn)強(qiáng)烈來(lái)壓。

2.2.2 工作面過(guò)斷層期間采場(chǎng)圍巖塑性區(qū)及位移場(chǎng)分布

當(dāng)工作面以15°仰角從斷層上盤過(guò)渡到下盤,通過(guò)斷層時(shí)(見(jiàn)圖3),圍巖破壞嚴(yán)重,斷層上、下盤之間由“黏接”狀態(tài)轉(zhuǎn)化為“斷開(kāi)”狀態(tài),斷層上盤沿?cái)鄬用胬煜鲁?兩盤出現(xiàn)相對(duì)位移(見(jiàn)圖4),工作面前方塑性區(qū)擴(kuò)展到斷層下盤煤層,此時(shí)需特別注意工作面頂板的維護(hù)。

圖3 工作面通過(guò)斷層時(shí)采場(chǎng)圍巖塑性區(qū)分布Fig.3 Plastic zone distribution of stope surrounding rock when working face crossing the fault

圖4 工作面過(guò)斷層時(shí)圍巖位移場(chǎng)分布Fig.4 Displacement distribution of surrounding rock when working face crossing the fault

3 斷層區(qū)不規(guī)則工作面支架撤除方案

分析10 m落差斷層區(qū)域特征,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,分別制定工作面過(guò)斷層以及工作面支架撤除方案[4]。

SF431斷層特征:1)斷層在膠帶順槽揭露,落差10.0 m,屬于落差較大的斷層;2)斷層與工作面夾角70°,隨工作面向前推進(jìn)逐漸向膠帶順槽延伸;3)斷層面平滑,無(wú)破碎帶;4)斷層影響貫通整個(gè)工作面。圖5為SF431斷層的剖面圖。

圖5 SF431斷層剖面圖Fig.5 Profile of the SF431 fault

3.1 工作面過(guò)斷層技術(shù)方案分析

過(guò)SF431斷層有兩種方案可供選擇:

1)進(jìn)行系統(tǒng)改造,沿?cái)鄬幼呦蛑亻_(kāi)新切眼。優(yōu)點(diǎn)是減少斷層對(duì)工作面的影響,保護(hù)綜采設(shè)備。缺點(diǎn)是影響工作面的接續(xù),需開(kāi)一條切眼,搬家、撤面和重新安裝工作面成本較高;降低了資源回收率。

2)采用爆破法直接通過(guò)斷層。優(yōu)點(diǎn)是不僅能避免工作面搬家所帶來(lái)的工期延長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)損失,而且延長(zhǎng)了工作面走向長(zhǎng)度,提高了回采效率,減少了巷道掘進(jìn)量,比第一種方案可縮短工期。缺點(diǎn)是過(guò)斷層時(shí)由于斷層交接面處頂板巖石破碎,很容易造成工作面冒頂,而且爆破時(shí)很容易損壞采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等機(jī)電設(shè)備。

雖然SF431斷層與工作面夾角較大,但是煤層頂?shù)装宥酁橹屑?xì)砂巖,巖性較好,便于頂板管理,工作面不需要另開(kāi)切眼和縮短長(zhǎng)度。另外,可以制定相關(guān)措施加強(qiáng)對(duì)機(jī)電設(shè)備的保護(hù)。綜合分析,決定采用直接通過(guò)的方法過(guò)SF431斷層。

3.2 支架撤除工藝

4301綜放工作面推進(jìn)至810 m時(shí),輔順機(jī)尾揭露SF431斷層,137#-97#架全巖放松動(dòng)炮通過(guò)。SF431斷層隨工作面推進(jìn)逐漸向膠帶順槽機(jī)頭方向延伸,當(dāng)工作面推進(jìn)至830 m時(shí)，工作面煤壁距膠順二段35.9 m。當(dāng)工作面推進(jìn)至880 m時(shí),為躲避SF431斷層且自膠帶順槽向輔助順槽84 m為無(wú)煤區(qū),需撤除53組中間架、3組端頭架和前部運(yùn)輸機(jī)中間槽、后部運(yùn)輸機(jī)中間槽各56節(jié)。在10 m落差斷層附近工作面縮面施工順序如下:

拆開(kāi)前部運(yùn)輸機(jī)刮板鏈→撤除前部運(yùn)輸機(jī)多余刮板鏈及溜槽→撤除55#、56#中間液壓支架→拆開(kāi)后部運(yùn)輸機(jī)刮板鏈→撤除后部運(yùn)輸機(jī)多余刮板鏈及溜槽→前、后部運(yùn)輸機(jī)偏線槽、抬高槽、過(guò)渡槽和機(jī)頭部東移后進(jìn)行合茬→遷移轉(zhuǎn)載機(jī)和超前掩護(hù)支架至膠順→撤除1#-54#液壓支架→撤除和回收工作面縮面所使用的絞車、臨時(shí)泵站和其它設(shè)備→延長(zhǎng)2#膠帶輸送機(jī)至膠順尾轉(zhuǎn)載機(jī)頭處→拖運(yùn)并連接前后部運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭部、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和采煤機(jī)動(dòng)力電纜→工作面試運(yùn)轉(zhuǎn)。

工作面縮面工作量如表2所示。

表2 工作面縮面工作量Table 2 Shrinking workload of working face

4 工業(yè)性試驗(yàn)

2017年6月10日至6月27日共17 d的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn),4301綜放工作面在10 m落差斷層附近實(shí)現(xiàn)安全快速縮面撤架,克服了不規(guī)則工作面開(kāi)采中地質(zhì)及生產(chǎn)技術(shù)條件復(fù)雜多變的不利影響。

工作面過(guò)10 m落差斷層帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。工作面直接通過(guò)斷層開(kāi)采與重新開(kāi)切眼開(kāi)采相比較:

1)少掘一條通道,節(jié)省通道掘進(jìn)費(fèi):120 m×0.6萬(wàn)元/m=72萬(wàn)元。

2)節(jié)省了斷層保護(hù)煤柱,按斷層上下盤各留15 m煤柱計(jì)算，可得煤炭資源108 000 t,直接通過(guò)斷層按30%回收率計(jì)算，可多回收煤炭資源54 000 t。按原煤價(jià)格500元/t計(jì)算,創(chuàng)收162萬(wàn)元。

同時(shí),17 d內(nèi)安全高效地完成了4301綜放工作面的縮面工作,比要求提前了3 d,按每天生產(chǎn)原煤7 000 t計(jì)算,當(dāng)月提高21 000 t原煤產(chǎn)量,按原煤價(jià)格500元/t計(jì)算,共創(chuàng)收105萬(wàn)元。

5 結(jié)論

1)斷層影響垂直應(yīng)力峰值、分布形式和分布范圍,應(yīng)力峰值增大并向煤壁轉(zhuǎn)移。當(dāng)工作面距離SF431斷層10 m時(shí),應(yīng)力峰值上升到29.18 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.28,應(yīng)力峰值位置距煤壁4.0 m。

2)工作面通過(guò)斷層時(shí),圍巖破壞嚴(yán)重,斷層上、下盤之間由“黏接”狀態(tài)轉(zhuǎn)化為“斷開(kāi)”狀態(tài),斷層下盤沿?cái)鄬用胬煜鲁?兩盤出現(xiàn)相對(duì)位移,工作面前方塑性區(qū)擴(kuò)展到斷層下盤煤層,范圍為4.4 m,此時(shí)需特別注意工作面頂板的維護(hù)。

3)當(dāng)工作面推過(guò)斷層面,完全進(jìn)入斷層上盤時(shí),由于斷層面進(jìn)一步拉裂和滑動(dòng),不能完全把覆巖重量轉(zhuǎn)移到回采工作面前面,使煤壁前方及其頂板巖體中壓力減小,頂板冒落高度減小,但之后不久,工作面面臨著頂板大范圍巖層懸臂回轉(zhuǎn)變形破斷的影響,將導(dǎo)致頂板壓力變大,頂板出現(xiàn)強(qiáng)烈來(lái)壓。

4)綜合分析,決定采用“割頂留底”的方法通過(guò)工作面斷層區(qū)域。工作面推進(jìn)至880 m時(shí),為躲避SF431斷層且自膠帶順槽向輔助順槽84 m為無(wú)煤區(qū),需撤除53組中間架、3組端頭架、前部運(yùn)輸機(jī)中間槽和后部運(yùn)輸機(jī)中間槽各56節(jié)。