過斷層沖刷帶疊加地質構造開采技術實踐

王家傳，董建強，邢子任，王振龍

(山西保利平山煤業有限公司， 山西 晉城 048200)

山西保利平山煤礦開采3號煤層賦存于山西組下部，煤層厚度為2.65～6.23 m，平均4.90 m，該煤層屬全區穩定可采煤層。井田內共有29條正斷層，其中三維地震勘探解釋的斷層20條、巷道掘進揭露9條。3號煤層落差≥5 m的斷層4條，落差<5 m的斷層25條。井田共發現陷落柱13個，其中三維地震解釋陷落柱9個，巷道掘進揭露4個。開采的31017工作面設計推進長度平均為672 m，工作面長度為181.5 m. 工作面于2021年5月開始回采，先后揭露斷層沖刷帶、斷層疊加沖刷帶等構造異常區域，為了確保安全高效回采，進行頂板控制為主的風險預控方案編制以及實踐探索。

1 工作面構造探測

工作面回采至回風順槽184 m位置，機尾揭露K14正斷層，斷層上盤采高3.7 m，煤厚3.1 m，下盤采高4.0 m，巖性為砂質泥巖。回采至208 m位置，揭露一條伴生正斷層，斷層面位于115架位置，斷層落差1.7 m，傾角42°，斷層上盤采高3.9 m，煤厚2.9 m，下盤采高4.1 m，全煤；K14正斷層面位于115—116架位置，落差1.7 m，傾角42°，回采至277 m位置時，伴生斷層結束。根據打鉆資料、物探及地質資料分析，該伴生斷層落差為2 m，傾角54°. 截止2021年10月28日中班，K14斷層面位于44架處，落差2.8 m，傾角47°.根據過構造期間收集資料分析，運輸順槽掘進期間的K9正斷層與回風順槽K14正斷層屬于共生斷層。工作面每推進2 m，斷層往運輸順槽方向延伸1.5 m. K14斷層由回風順槽向運輸順槽發展，貫穿整個工作面；回采期間，受K14正斷層影響，斷層周邊15 m范圍內頂板破碎，煤層變薄，影響整個工作面190 m. 運輸順槽回采至回采里程302～337 m，回風順槽側回采里程434～455 m揭露地質沖刷帶。該沖刷帶運輸順槽北側發育有20～30 m無煤區，寬度在30 m左右；隨后該沖刷帶由南向北煤層逐漸變厚(煤層平均厚度3 m)，沖刷帶寬度40 m左右，影響整個工作面110 m. 斷層沖刷帶構造預測圖見圖1.

圖1 斷層沖刷帶構造預測圖

2 斷層沖刷帶對回采影響分析

1) 煤層沖刷帶一般是指水流對泥炭層或煤層的沖蝕,并通常由砂質沉積物充填而成的地質體[1]. 通過平山煤礦開采歷史所揭露沖刷帶構造情況分析，沖刷帶附近巷道一般具有應力增大，瓦斯含量有所增加的趨勢。沖刷帶內部填充砂質泥巖及細粒粉砂巖，受K14正斷層及沖刷帶共同疊加作用，斷層沖刷帶破壞了巖層的連續性，降低了頂板巖層的強度，更容易引起應力集中現象。導致回采過程中拉架移架困難，甚至出現擠架，從而使液壓支架支撐不穩或傾斜，容易發生工作面片幫冒頂事故。

2) 斷層面周圍的煤層和頂板比較破碎，易出現片幫冒頂現象，增加了回采過程中的支護難度和生產安全。

3) 斷層沖刷帶的影響使瓦斯抽采難度增加，實施本煤層打鉆鉆孔，煤矸互現，經常穿過無煤區，鉆孔偏斜或不到位，容易產生抽采空白帶。受構造影響，回采過程中有時會發生片幫而造成工作面瓦斯涌出量增大。

4) 斷層沖刷帶對采煤工作面煤炭儲量產生影響。實測斷層最大落差可達4.0 m，沖刷帶從端頭架至17號液壓支架為全巖，損失了大量的煤炭資源，影響了煤炭效益。

5) 斷層沖刷帶對煤質影響較大，增加回采煤炭含矸率，影響經濟效益。

3 過斷層沖刷帶構造期間開采技術措施

3.1 頂板原巖壓力和周期來壓規律分析

通過對礦壓監測系統數據進行分析，能夠快速判斷出工作面頂板壓力的變化。根據周期來壓規律，及時調整頂板控制措施，防止發生頂板冒落事故。在31017工作面和兩順槽安裝了一套KJ508礦山壓力在線監測系統，工作面布置12個GPD60W(A)礦用本安型無線頂板壓力傳感器；運輸順槽、回風順槽分別布置6個GUD300礦用本安型頂板位移傳感器。加強過斷層及沖刷帶期間頂板壓力的實時監測，經過采集數據(表1)分析：正常推采情況下，工作面周期來壓平均步距為15.2 m；疊加地質構造帶位置運輸順槽302～323 m段：工作面周期來壓平均步距為13.1 m，明顯比正常推采時的周期來壓步距小，驗證了構造造成頂板破碎，周期來壓步距減少的規律[2].

表1 周期來壓統計表

3.2 工作面兩順槽采取超前加固措施

在斷層前后范圍及過斷層回采里程段，架設一梁三柱工字鋼抬棚對31017回風順槽、31017運輸順槽頂板超前支護段頂板進行加強支護，確保頂板安全。

3.3 造假頂回風順槽過斷層冒頂區域措施

31017回風順槽200 m處斷層面位置，在掘進期間發生過冒頂，有2 m高冒區，頂板破碎。距離該位置超前30 m，采取加強頂板支護措施：利用原有錨索支護連接長錨索配合工字鋼梁形成錨索吊梁，吊梁上使用2.2 m半圓木構造假頂，將錨索吊梁連為整體，隨后從吊梁假頂上部至巷道頂板逐層十字交叉搭設“井”字木垛，確保接頂嚴實，張拉錨索進行緊固，保證超前控頂，防止回采時該段受超前動壓影響造成二次大面積冒頂，并利用假頂使斷層面上、下盤平緩過渡，確保工作面回采時支架接頂順利進入斷層。

3.4 增加支架增強兩巷頂板支護強度

工作面受斷層沖刷帶影響，煤體承壓不均，致使兩巷回采煤壁鼓出嚴重，工作面長度增加。在工作面推采至斷層20 m前，補增2架液壓支架、2個刮板溜槽。增加支架后，加強機頭機尾三角區支護強度，也便于過構造時根據工作面揭露情況進行工作面機頭機尾的調斜。

3.5 注馬麗散超前加固煤體

運輸順槽推進至260 m處時，受斷層沖刷帶的疊加影響，沖刷帶揭露位置煤巖交接受超前動壓，煤體松軟，煤壁易出現片冒現象。根據現場情況，在回采里程280～300 m位置，提前在斷層及沖刷帶影響區域加注馬麗散[3]進行固化頂板和煤壁，自運輸順槽向工作面打設順層孔，孔深7 m，鉆孔直徑42 mm，孔距3 m，自底板1.5 m呈45°向頂板延伸，注漿管采用d12.7 mm鋼管加工而成，全孔埋管，中間使用內絲扣連接套進行連接，管口使用配套注漿槍頭。采用雙液注漿泵注漿(漿液在注漿槍頭處混合)，注漿壓力控制在1～4 MPa，呈扇形對過渡段煤體進行加固。運輸順槽超前注馬麗散共計10 t，揭露沖刷帶疊加影響區前，在工作面1—6號支架注馬麗散共計9 t，加強煤體承壓力，防止大面積漏頂和片幫。

3.6 合理控制工作面采高

為保證安全順利地通過沖刷帶及K14斷層疊加段，少出矸石提高煤質，同時滿足支架支撐高度、采煤機截割高度的需要，降低工作面采高。全巖段工作面采高保證控制在3.2～4 m；為減緩斷層區域的支架錯茬，減小采煤機爬坡阻力，將刮板機自下盤向上盤順緩斜坡過渡，從而減小采煤機爬坡阻力以及采煤機行走部、導向滑靴等設備的損壞率，減少設備損耗；全巖過渡段之后由機頭向機尾順緩逐步提高工作面采高，保證工作面回采率。

3.7 爆破松動巖體

因斷層下盤巖性較硬，采煤機回采破頂時易產生火花，采煤機截齒、齒套等配件損壞率較高，最大損耗量達30個/天。采用放小炮方式預先爆破松動巖體，通過控制炮眼位置及炮眼裝藥量，既能達到松動巖體地要求，又能最大程度減小對上部頂板的擾動，極大地減小了采煤機破頂難度，減少了設備損壞率，降低了頂板掉落大塊矸石率，提高了過斷層期間的回采效率。

3.8 優化推采循環方式

因工作面過沖刷帶及斷層疊加段為俯采，采煤機滾筒下壓后，機道內回矸量大，刮板機裝矸效果差，受積矸影響，支架頂溜困難，需人員進入煤壁側進行人工清矸，工程量大、效率低。通過現場摸索，改變原有截割方式，采煤機回采機頭全巖段時，自揭露段采用局部小循環(每5—6架為一循環，割矸-退機回矸)，并采用階梯式抬升搖臂方式(自機頭側下壓滾筒隨后逐步提升)，從而減少機道內的積矸，增加刮板裝矸量，機械化代替人工清矸，并以此方式加大機頭段循環量(3～5個循環)，極大地提高了回采效率。

3.9 煤質控制措施

在工作面運輸路線上施工一個儲存200 m3小矸石倉，研制出液壓動力20 m長可伸縮電滾筒皮帶，通過機尾伸縮與工作面出煤皮帶連接。采煤機在無煤或沖刷帶薄煤區域內割矸石時，操作可伸縮電滾筒皮帶(液壓控制伸縮油缸，推動在軌道上皮帶機尾，至工作面出煤皮帶和煤倉中間，截留矸石)，將矸石轉運至小矸石倉內，實現分裝分運，確保回采煤炭質量。可伸縮電滾筒皮帶見圖2.

1—皮帶機尾；2—緩沖床；3—22 kg/m軌道；4—礦車輪；5—11#礦用工字鋼；6—銷軸；7—11ZYE0201推移缸(行程2 830～5 130 mm)；8—可伸縮皮帶架桿；9—進液管；10—d22 mm×2 400 mm全螺紋錨桿(固定推移缸)；11—出液管；12—閥組；13—主進液管(水壓4 MPa) 圖2 可伸縮電滾筒皮帶示意圖

4 治理效果

1) 打設超前抬棚解決了綜采工作面因過地質構造帶時機尾及超前支護段單體液壓支柱初撐力不夠的弊端，使兩巷頂板壓力能夠相對均勻分布。

2) 通過在斷層及沖刷帶疊加影響區域超前段加注馬麗散，使煤巖交接過渡段煤巖固化，加強煤體承壓力，保證頂板有效受力，有效防止了大面積漏頂及片幫。

3) 調斜效果明顯。因機頭段為全巖段，采煤機割矸循環率較低，單次推溜距離不足循環量，為減少超前壓力影響，快速推進過沖刷帶，加大機頭進刀數，從而保證機頭跟進，快速高效的通過沖刷構造帶。

4) 通過控制工作面沖刷帶采高，將沖刷帶區段采高控制在3.8 m左右，減小了片幫冒頂現象，提高了工作面的回采效率，并通過分裝分運，保證煤炭質量，過沖刷帶期間頂板管控良好。

5) 在沖刷帶、斷層以及構造疊加共260 m走向長區域，日推進度不低于1.8 m，日均產煤量0.36萬t，與正常回采單產0.4萬t/d無大的差別，未發生冒頂等各類事故，取得很好的經濟效益和安全效益。

5 結 論

沖刷帶和斷層疊加，降低了頂板巖層的強度，更容易引起應力集中，容易發生工作面片幫冒頂事故。單一采取一種措施難以奏效，采取加強支護、降低采高、加固煤體、松動巖體、煤巖結合部超前假頂控制、優化推進循環進度，同時加強管理，保證了安全高效回采。