挖金灣礦小煤柱工作面過5m大斷層開采技術研究

張曉東

（大同煤礦集團有限責任公司挖金灣煤業有限公司，山西 大同 037042）

1 工程概況

挖金灣礦山4#煤層一盤區8105小煤柱工作面東部為8103工作面采空區，該工作面走向長度為1527m，傾斜長度為226.8m，煤層厚度1.47～3.90m,平均3.24m，煤層傾角為3°，屬近水平煤層，煤層頂底板巖性如表1所示。工作面采用綜合機械化開采方法，MG800/2000-WD型采煤機割煤，ZZ13000/25/50型、ZZ13000/25/50H型(過渡架，工作面頭部3架尾部4架)、ZTZ1000/23/42型（端頭支架，工作面頭部1架）支撐掩護式液壓支架支護，全部垮落法管理頂板。工作面頭部從1321m開始揭露5m大斷層、1330m處出斷，尾部從1379m開始揭露、1390m處出斷，5m大斷層特性如圖1。

表1 頂底板巖性

圖1 斷層特性圖

2 8105小煤柱工作面過5m斷層技術工藝

2.1 回采巷道頂板管理

1）2105巷聯合支護技術[1]的應用：密切觀察順槽斷層范圍內及前后20m頂板壓力變化情況，禁止回收巷道原有支護材料。過斷前在里程1316m～1340m斷層揭露處的頂板破碎區域采用施工懸吊鋼梁、打井字型木垛、充填羅克休、噴漿等聯合支護技術構建人工頂板[2-3]，聯合支護參數及布置示意圖如圖2。

圖2 聯合支護參數及布置示意圖

施工工藝：打設工作平臺（腳手架和φ50mm×6m鋼管架打設長×寬×高為6m×5m×3m的平臺）→打錨索→安裝鋼梁（工字鋼垂直巷道走向布置，用70×70×10mm鋼墊片固定工字鋼）→拉桿穩固鋼梁（拉桿規格為φ18×1200mm雙頭螺紋桿）→鋪鋼筋網（鋼筋網搭接間距≥200mm，并用14#鉛絲與鋼梁綁扎）→鋪設井字型木垛→噴漿。

技術要求：采用聯合支護技術后巷道斷面不得小于原設計斷面（5300mm×3500mm），且要保證巷道平緩不得有阻礙風流的地方，同時鋼絞線鎖具外外露長度為250mm。

2）5105巷頂板管理：密切觀察順槽斷層范圍內及前后20m頂板壓力變化情況，若巷道頂板出現縫隙等壓力顯現情況時，在距離煤柱側巷幫2.0m處增加一排支護。同時在1370m～1410m處補打錨索組，錨索組三花布置，組合錨索規格為φ17.8×8000mm（7000mm、6000mm）各一根，排距2000mm，間距3200mm，組合錨索布置示意圖如圖3。

圖3 組合錨索布置示意圖

3）調節機道寬度[4]：過斷期間，45#～56#支架處受斷層影響，頂板破碎程度較高，為較好地維護頂板確保安全生產，將45#～56#支架外側機道寬度縮減至2.0m，追機帶壓移架，從而縮短空頂時間和空頂面積，并且現場配備網徑為50mm×50mm的菱形金屬網（各金屬網搭接長度為200mm），確保安全過斷。

2.2 割煤工藝的調整和預裂孔技術的應用

1）工作面偽斜調整[5]：為了縮短斷層在工作面推進時的暴露長度，減小煤機割矸量，并結合工作面設備技術性能及工作面實際情況，在工作面頭部遇斷開始按頭尾3:1進行推進，當頭尾錯差15m時工作面正常推進，使斷層面與工作面的交角約為19°，斷層在工作面揭露6～18個支架，效果較明顯。過斷后按頭尾1:5調整工作面，直至頭尾平齊。

2）仰斜過斷[6]強行割矸：結合頂底板巖性、斷層特性和巷道實際情況，1330m～1390m巷道需爬坡，為保證工程質量及時安全順利通過斷層，結合刮板輸送機垂直方向上彎曲度的允許范圍（±3°），要求工作面從頭向尾與兩順槽平緩過度。具體為工作面頭部先挑頂扶底，中部尾部平緩過渡，當斷層揭露在靠近尾部40個支架時，尾部挑頂扶底直至出斷。整體為工作面每刀挑頂60～100mm、抬底100mm，抬兩刀平割一刀，然后再抬兩刀平割一刀，經25個循環（75刀）工作面推進至1390m共抬底5m，爬坡約為5°，仰斜過斷期間始終保證工作面采高在3.4～3.5m范圍內，以此達到最佳工程質量，仰斜過斷層示意圖如圖4。

圖4 8105工作面仰斜過斷層示意圖

3）割煤方式的調整：工作面內斷層揭露的上盤巖層為白色細粒砂巖，下盤巖層為砂質泥巖（深灰色泥巖），上盤白色細粒砂巖只在工作面尾部(108#～132#架)范圍內厚度達到1.4m～2.6m，下盤白色細粒砂巖只在79#～98#支架范圍內存在厚度達0.8m～1.6m。除此之外，工作面揭露白色細粒砂巖均在0～0.6m。下盤較松軟（f<4），可直接截割，為了降低巖石粒度，提高開機率，雙向割煤調整為單向割煤、減小截割深度、隨機帶壓移架[7]，及上行挑頂，下行割底（清浮煤），采煤機日均更換截齒率10.7%，較放炮松動巖石節約成本效果顯著，同時有利于保證工作面工程質量和設備性能。

4）預裂孔松動技術的應用：工作面推進至白色細粒砂巖暴露厚度達1.4m以上時，運用預裂孔技術破碎巖層。預裂孔松動技術屬該礦首次采用，綜合考慮割煤工藝、巖層巖性等制定兩套預裂孔技術參數，在白色細粒砂巖處預裂孔孔深為2.4m，泥質砂巖處孔深為1.6m，孔徑均為φ42，預裂孔布置示意圖如圖5。

圖5 預裂孔布置示意圖

方案一：白色細粒砂巖揭露厚度在0.6～0.8m時，布置一排孔間距為0.5m的單排預裂孔；揭露厚度在0.8～1.4m時，預裂孔采用三花布置，孔間距0.5m；揭露厚度在1.4～2.6m時，預裂孔采用五花布置，頂底孔間距為1m,豎直方向上頂角孔上傾角約20°，底角孔下傾約10°，中間孔垂直鉆進。泥巖處和裂紋處均布置間距為0.8m單排預裂孔。

方案二：白色細粒砂巖揭露厚度在0.6～0.8m時，將孔間距縮小為0.3m布置單排預裂孔；揭露厚度在0.8～1.4m時，孔間距縮小為0.35m；揭露厚度在1.4～2.6m時，頂底孔間距縮小為0.7m，在巖石整體性良好的地方將頂底孔間距縮小為0.6m，并適當的增加底孔與薄弱面間距100mm，減小頂孔與頂板間距15mm。

通過在現場應用預裂孔技術，觀察得到方案二較方案一大塊率降低74.3%，日均采煤機更換截齒率降低42%，方案二較傳統松動爆破打孔率平均增加73.2%，人工成本同比增加，但爆破材料使用量降為0，考慮對設備性能影響、人員安全等因素綜合比較預裂孔有顯著優勢。

3 工作面回采巷道礦壓規律顯現

斷層影響范圍內的回采巷道在工作面超前支撐壓力的作用下將發生較大變形通過對回采巷道圍巖的觀察，來判斷工作面過斷層開采的安全性，由觀察結果可知，8105工作面支撐壓力影響范圍約為0～33.8m，顯著影響區域為8.8m～20.8m。過斷期間，隨著工作面的推進2105巷頂底板最大移近量約為383～568mm，兩幫最大移近量約為108.3mm；5105巷底板鼓起量約為823mm（頂板已采用聯合支護技術），兩幫最大移近量為285mm。由此可見，5m斷層對工作面回采影響較大，在斷層附近采取的安全措施起到了很好的效果，同時還需延長2105巷斷層影響區域巷道頂板支護，加強5105巷頂底板和兩幫的管理。

4 經濟效益分析

1）8105小煤柱工作面過5m斷層采取的聯合支護技術、割煤工藝的調整和預裂孔松動技術均起到了很好的效果，過斷期間也發現了一定的不足之處，為此后我礦及周邊延伸礦提供了一定的技術支撐和優化方向。

2）過斷后，該礦可多回采177m，過斷期間洗耗按50%計算，正常推進按40%計算，可多回采精煤約11萬噸，除去材料損耗、人工成本經濟效益增加約3千多萬元。

5 結語

此套過斷層技術工藝融合了聯合支護技術、工作面偽斜調整、割煤方式調整、預裂孔松動技術安全通過了斷層，降低了過斷成本的投入，更大限度地提高了煤炭資源回收率，創造了顯著的經濟效益，同時也為搬家倒面節省了時間，確保了回采接續，同時總結了豐富小煤柱工作面過斷經驗，為類似工程提供了有力的技術支持和可以借鑒的實際案例。