礦井大傾角綜采工作面過地質構造帶技術研究

＊周煒鋒

（晉能控股煤業集團煤峪口礦 山西 037000）

綜采工作面在開采過程中，由于斷層、褶曲等構造的存在，極易產生冒頂、片幫等現象，尤其在煤層傾角大的情況下，極易引起綜采裝置的失穩，從而對煤礦的正常開采產生影響。通常在開采過程中，遇到大落差的斷裂，由于斷裂的上盤和下盤的錯動，造成了煤層的不連續性。采用各種輔助性措施，如松動、爆破等方法，雖弱化了圍巖的強度，使采煤機切屑得以正常進行。但在回采中，極易發生冒頂、滑移、支架移動困難、片幫等事故。特別是大傾角煤層在穿越斷層時，受采場條件的制約，極易發生支架傾斜、采煤機頭嚴重磨損、刮板輸送機打滑等事故，嚴重影響了煤礦的安全、高效生產。山西某煤礦31102綜放開采過程中，發現了DF37斷裂（153°∠70°，H=0～10m），該斷裂屬于逆性斷裂，其走向和傾角的擾動范圍分別為400m和120m左右。31102綜放開采的11號煤，由于斷裂的存在，其部分傾角達到25°～30°，極大地限制了開采。文章結合31102綜采工作面穿越DF37斷裂的工程實例，對大傾斜度綜放穿越地質結構的工藝進行了論述，可供其它煤礦在大傾斜度綜放開采時參考。

1.工程概況

31102綜采工作面的設計為前進2230m、切眼長度218m，在采面上開采的11號煤層厚度平均為2.8m。煤層的穩定性較好，頂底板的巖性主要是粉砂巖、砂巖及炭質泥巖，在采面內布置的液壓支架型號為ZF4800/17/30、采煤機型號MG250/700-1.1D。從鄰近采面回采揭示和地球物理數據來看，在31102綜采工作面前行到800～1200m的區域時，將會揭露DF37斷裂（153°∠70°，H=0～10m），其具體的斷裂位置如圖1所示。與DF37斷裂相鄰的小斷裂及褶曲等地質結構密切相關。31102綜放開采由于受斷裂的影響，其煤層的傾斜程度將發生很大的改變。在大傾斜度的情況下，怎樣安全穿越DF37斷裂，是煤礦生產中必須要解決的一個重要問題。

圖1 斷層位置示意

2.采面過斷層關鍵技術

（1）采面坡度調整。31102綜放開采采用MG250/700-1D系列采煤機，其適用范圍為30°內，如果煤層傾斜角度大于35°，則會造成較大的攀爬難度。DF37斷裂對采面煤層傾角產生影響，這是煤礦生產過程中需要關注的一個問題。煤層傾角在40～80號支架內通常在23°～30°之間，這對采煤機的割煤和前進都會造成一定的阻力，具體的采面傾角如圖2（a）所示，因此需要調整采面坡度來降低這種阻力。為了克服這種阻力，采用單向割煤、單向推溜的方式割煤是比較有效的方法。具體的截割進刀方法為從機尾向機頭割煤，并跑空刀至機尾處，再逆向割煤至機頭。這種割煤方法可以減少割煤時機器的阻力，并且可以保證采出的煤炭質量。對于部分煤層傾斜程度大的部位，采用25mm/刀下壓來達到調整采面斜率的目的。如圖2（b）所示，臥底分布在45號至102號托架之間。在回采工作臺下，40～80層頂板工作面傾斜角度可以從23°～30°調節到17°～21°，從而改善了綜采裝置的穩定性。當部分工作面傾斜角度大于25°時，可采用多次回采和輔助爆破來降低工作面傾斜角度。

圖2 采面坡度調節示意（m）

（2）爆破輔助破煤巖。根據前次穿越斷層的經驗，對31102綜采工作面穿越DF37斷層，采取“一炮兩采”的方法，先進行一茬鉆爆，再進行采煤機切2次。在受斷層影響的區域，按照五花眼布置炮眼，如圖3所示，為了減小爆破對圍巖的干擾，同時爆破的炮眼不超過20個。在爆炸之前，為了防止對電纜和支架等設備的破壞，需要使用防護簾布。在穿越斷層的過程中，可以采取多點炮眼，降低每個炮眼添加的藥量，盡量避免爆破對采煤機組造成嚴重的沖擊。

圖3 炮眼布置示意（mm）

（3）頂板注漿加固。31102綜放開采通過DF37斷裂時，由于地應力和構造應力的共同影響，在采煤過程中，煤層的結構會變得松散，產生大量的裂隙，容易產生冒頂和片幫。從現場的數據來看，采面的片幫最大寬度為1.8m、長度為3～8m，并且在通過斷裂的過程中，采面呈現了一種傾斜的狀態。在煤巖交界部位，頂板漏頂和片幫等問題更加嚴重，如果僅僅通過傳統的單體支柱、超前拉架、鋪設金屬網等方法，很難對頂板進行有效的控制。為此，在開采通過巖層破裂帶時，采取了鋪放兩層鐵絲網和進行超前灌漿的方法來加強破裂帶的穩定性。注漿鉆井的布置密度為間隔4個液壓支架，根據現場的實際情況，也可進行適時的調整，注漿孔徑統一限制為28mm，注漿鉆井開孔離采面底板2400mm，仰角大小為45°，鉆孔深度為7000mm。圖4為注漿鉆孔的實際布置情況。采用了馬麗散作為灌漿材料。

圖4 頂板注漿布置示意（mm）

根據實際情況，將灌漿壓力設定在3～5MPa之間，如果在灌漿過程中發生漏漿現象，就應該停止灌漿，或使用間歇灌漿方法。同時，為了達到對頂板的有效控制，采用了鋼板和π形梁等措施。實踐證明，在31102綜采工作面上，在穿越斷層的過程中，對頂板進行了有效的管理。

（4）采面調斜。為了防止刮板輸送機在采面通過斷層時發生上竄、滑落現象，必須在采面傾斜的情況下，對刮板輸送機進行調斜。綜采工作面1-102支架的平均傾角為22°，如果不能及時調整，將導致綜采工作面的支架和刮板輸送機的滑落，從而影響綜采工作面的安全。采面傾斜調整時，可以根據公式（1）進行計算：

式中：S為調斜距離，m；L為采面斜長，m；α為煤層傾角，°。

根據31102綜采工作面現場實際情況的測量結果，取L=216m，α=22°，計算出S=37m，也就是在過DF37斷層時，采面調斜37m。

（5）采面綜采設備防滑。在大傾角條件下，單純通過調整采面傾角、調斜、加固頂板等措施來控制綜采設備的滑移效果相當有限。對于液壓支架、采煤機及刮板輸送機等裝置，在過斷層時，應采取相應的防滑移技術。

①液壓支架防倒技術。將防滑千斤頂安裝到液壓支架的頂梁上，并在相鄰兩架液壓支架間增設一對拉千斤頂。千斤頂的一端用夾板和螺栓固定在托架橫梁下的吊環上，另一端則固定在托架的基座上。為了增強液壓支架的穩定性，對防滑器進行了張緊。在拉架（向機頭）的時候，將兩個單體固定在托架的左上方，作為支撐柱，通過遠程輸送液體；當支架完成后，才能拆卸支架。在拉架過程中，應使用帶壓力的移架，并在移架結束后，應及時提起支撐，以確保其初支撐力超過24MPa。

②采煤機防滑技術。在采面部分大斜度的地面采煤機，采取的是一種單向割煤的方法，也就是采取下行割煤、上行走空刀的方法，同時配合挑頂、臥底等方法來降低采面的斜率，臥底的時候，刀量要控制在25mm/刀之內。為提高采煤機的平順性，在其走行電機上增加一套制動器，可使其達到雙制動器的目的。根據采煤機輪齒的大小，做好防滑動銷子，在采煤機正常運行時，防滑動銷子懸掛在機體上。停車時，可將防滑動銷子適時地插進軌道中，以免發生不穩定的滑坡問題。在切煤機停穩后，要把切煤滾筒全部插進煤壁上，使切煤輥充分吃光，進而在切煤過程中產生一定的受力，防止切煤滾筒滑落。

③刮板輸送機防滑。除調整斜度、單向頂滑外，刮板輸送機還使用了一種特殊的防滑器，即在每隔5個槽道上增加一套防滑千斤頂，每5個槽道上都有一個大鏈環，將防滑千斤頂的兩端分別與托架底座及滑槽底部的隔板相連。防滑千斤頂的位置可以根據實際情況進行調整。

④防滾巖措施。將1條（高，寬各1m）的防滑金屬網安裝在采面機道上，每隔10個液力支架上，所述金屬網狀物的兩端安裝于所述托架的所述前立柱及所述線纜槽處。將由廢棄傳送帶制成的擋沙簾（高為1.5m，寬為1.0m）固定在液壓支撐柱上。擋巖用的鐵絲網和擋巖簾，可以有效地防止巖石的滾落和煤塊的傷害。

3.現場應用效果

在31102綜放開采中，經過DF37斷裂時，采取了過斷層技術，該方案解決了斜坡大、巖體破碎等問題，取得了較為顯著的應用效果。

（1）減少資金投入。通過采用過斷層技術，與綜采設備移位或重新繞巷相比，明顯降低了人力、設備和材料的投資，預期節約資金245萬元左右。（2）采面得以持續推進。在該礦區，采用過斷層工藝，可以實現工作面的連續開采，預期可多回收30多萬噸煤，產生6000多萬元的直接經濟效益。（3）綜采設備保持穩定。在采面使用過斷層技術之后，綜采裝備和采面頂板等都一直維持著一個穩定的狀態，沒有發生頂板冒落、片幫等情況，采面花了100d時間才能穿過DF37斷裂的影響區，在此過程中，每一次前進的速度都是4.0m/d。在此基礎上，采用爆炸法對采煤機進行破碎，可顯著提高其破碎率，減少切割齒的損失率。

4.結語

（1）大傾斜煤層開采通過斷裂時，保證采煤裝置和采面頂板的穩定性，是保證大傾斜煤層開采順利進行的關鍵。本文以31102綜采工作面過DF37斷層的現場情況為基礎，綜合運用了采面坡度調整、采面調斜、頂板注漿以及綜采設備防滑技術等，最后，實現了綜采工作面與頂板的穩定性，為工作面跨斷提供了良好的條件。為了增加破碎效果，降低綜采裝置的損耗，在穿越斷層時，對其進行輔助性的松散爆破。

（2）經過DF37斷裂后，31102綜采工作面上的設備及頂板始終處于平穩狀態，未出現設備失穩、滑移及頂板冒落現象。開采過程中，用了100d時間，成功穿越了DF37斷裂的影響范圍。