楊海峰、張曉東、劉甲、徐婷婷、張騰宙

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司）

一、立項(xiàng)原因及背景

在煤礦井下回采作業(yè)中，斷層是一種十分常見(jiàn)的地質(zhì)構(gòu)造類型。受大斷層影響，提前停采嚴(yán)重造成資源損失，為了提高資源回收率，過(guò)大斷層就尤為重要。而8105小煤柱工作面是我公司首次過(guò)5m斷層，在過(guò)斷期間遇到了新的問(wèn)題，給安全高效生產(chǎn)帶來(lái)了一定的影響。鑒于此，煤業(yè)公司結(jié)合工程實(shí)際，通過(guò)采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)、加強(qiáng)斷層揭露處巷道頂板管理、調(diào)整割煤工藝、預(yù)裂孔技術(shù)等方法解決我公司小煤柱工作面過(guò)5m斷層遇到的難題，取得了良好的效果，為我公司及其他石炭系礦井山4^#層小煤柱工作面過(guò)5m斷層積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)、提供了技術(shù)支撐和保障。

二、研究或革新內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)

1、工程概況

挖金灣公司山4#煤層一盤(pán)區(qū)8105小煤柱工作面東部為8103工作面采空區(qū)，該工作面走向長(zhǎng)度為1527m，傾斜長(zhǎng)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?shù)装鍘r性如表1所示。工作面采用綜合機(jī)械化一次采全高后退式開(kāi)采方法，MG800/2000-WD型采煤機(jī)割煤，ZZ13000/25/50型、ZZ13000/25/50H型(過(guò)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(hù)式液壓支架支護(hù)，全部垮落法管理頂板。工作面頭部從1321m開(kāi)始揭露5m斷層、1330m處出斷，尾部從1379m開(kāi)始揭露、1390m處出斷，5m斷層特性如圖1。 

 

表1   頂?shù)装鍘r性

 

圖1   斷層特性圖

2、8105小煤柱工作面過(guò)5m斷層創(chuàng)新技術(shù)工藝

2.1斷層揭露處巷道頂板管理

1）2105巷聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用：密切觀察順槽斷層范圍內(nèi)及前后20m頂板壓力變化情況，禁止回收巷道原有支護(hù)材料。過(guò)斷前在里程1316m~1340m斷層揭露處的頂板破碎區(qū)域采用施工懸吊鋼梁、打井字型木垛、充填羅克休、噴漿等聯(lián)合支護(hù)技術(shù)管理頂板，聯(lián)合支護(hù)參數(shù)及布置示意圖如圖2。

施工工藝：打設(shè)工作平臺(tái)（腳手架和φ50mm×6m鋼管架打設(shè)長(zhǎng)×寬×高為6m×5m×3m的平臺(tái)）→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(wěn)固鋼梁（拉桿規(guī)格為φ18×1200mm雙頭螺紋桿）→鋪鋼筋網(wǎng)（鋼筋網(wǎng)搭接間距≥200mm，并用14^#鉛絲與鋼梁綁扎）→鋪設(shè)井字型木垛→噴漿。

技術(shù)要求：采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后巷道斷面不得小于原設(shè)計(jì)斷面（5300mm×3500mm），且要保證巷道平緩不得有阻礙風(fēng)流的地方，同時(shí)鋼絞線鎖具外外露長(zhǎng)度為250mm。

 

圖2   聯(lián)合支護(hù)參數(shù)及布置示意圖

2）5105巷頂板管理：5105巷側(cè)煤柱為6m小煤柱，在過(guò)斷期間密切觀察順槽斷層范圍內(nèi)及前后20m頂板壓力變化情況，若巷道頂板出現(xiàn)縫隙等壓力顯現(xiàn)情況時(shí)，在距離煤柱側(cè)巷幫2.0m處增加一排支護(hù)。同時(shí)，過(guò)斷前在1370m~1410m處補(bǔ)打錨索組，錨索組三花布置，組合錨索規(guī)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(diào)節(jié)端面距：過(guò)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(hù)頂板確保安全生產(chǎn)，在該區(qū)域采取超前帶壓移架，在設(shè)備性能允許的范圍內(nèi)二次推溜移架，將該處端面距縮減至100mm以內(nèi)，從而縮短空頂時(shí)間和空頂面積，并且現(xiàn)場(chǎng)配備網(wǎng)徑為50mm×50mm的菱形金屬網(wǎng)（各金屬網(wǎng)搭接長(zhǎng)度為200mm），確保安全過(guò)斷。

    通過(guò)采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)、補(bǔ)打錨索組及調(diào)節(jié)端面距的方法，在過(guò)斷期間2105巷頂?shù)装遄畲笠平繛?/span>368mm，兩幫最大移近量約為108.3mm；5105巷頂板未下沉，底板最大鼓起量約為523mm，兩幫最大移近量為385mm；工作面內(nèi)未發(fā)生漏頂現(xiàn)象。同時(shí)過(guò)斷期間未對(duì)兩巷進(jìn)行二次維護(hù)，具有明顯的安全優(yōu)勢(shì)和顯著的經(jīng)濟(jì)效益，為安全過(guò)斷起到了堅(jiān)實(shí)的保障作用。

2.2割煤工藝的調(diào)整和預(yù)裂孔技術(shù)的應(yīng)用

1）工作面?zhèn)涡闭{(diào)整：為了縮短斷層在工作面推進(jìn)時(shí)的暴露長(zhǎng)度，減小煤機(jī)割矸量，并結(jié)合工作面設(shè)備技術(shù)性能及工作面實(shí)際情況，在工作面頭部遇斷開(kāi)始按頭尾3:1進(jìn)行推進(jìn)，當(dāng)頭尾錯(cuò)差15m時(shí)工作面正常推進(jìn)，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(gè)支架，效果較明顯。過(guò)斷后按頭尾1:5調(diào)整工作面，直至頭尾平齊。

2）仰斜過(guò)斷強(qiáng)行割矸：結(jié)合頂?shù)装鍘r性、斷層特性和巷道實(shí)際情況，1330m~1390m巷道需爬坡，為保證工程質(zhì)量及時(shí)安全順利通過(guò)斷層，要求工作面從頭向尾與兩順槽平緩過(guò)度。具體為每刀挑頂60~100mm、抬底100mm，抬兩刀平割一刀，然后再抬兩刀平割一刀，經(jīng)25個(gè)循環(huán)（75刀）工作面推進(jìn)至1390m共抬底5m，爬坡約為5°，仰斜過(guò)斷期間始終保證工作面采高在3.4~3.5m范圍內(nèi)，以此達(dá)到最佳工程質(zhì)量，仰斜過(guò)斷層示意圖如圖4。

                                                                                                     

圖4   8105工作面仰斜過(guò)斷層示意圖

工作面頭部先揭露斷層，結(jié)合刮板輸送機(jī)垂直彎曲度允許范圍（±3°），頭尾分開(kāi)挑頂扶底，即工作面頭部揭露斷層開(kāi)始先挑頂扶底，中部、尾部平緩過(guò)渡，在斷層沿傾斜方向移動(dòng)到工作面尾部后40個(gè)支架處，頭部中部平緩過(guò)渡，尾部挑頂扶底，工作面扶底挑頂示意圖如圖5。

                                                                                      

圖5  挑頂扶底示意圖

3）割煤方式的調(diào)整：工作面內(nèi)斷層揭露的上盤(pán)巖層為白色細(xì)粒砂巖，下盤(pán)巖層為砂質(zhì)泥巖（深灰色泥巖），上盤(pán)白色細(xì)粒砂巖只在斷層揭露工作面尾部(108架~132架)范圍內(nèi)厚度達(dá)到1.4m~2.6m，下盤(pán)白色細(xì)粒砂巖只在79架~98架范圍內(nèi)存在厚度達(dá)0.8m~1.6m。除此之外，工作面揭露白色細(xì)粒砂巖均在0~0.6m。下盤(pán)較松軟（f<4），可直接截割，為了降低大塊率，提高開(kāi)機(jī)率，雙向割煤調(diào)整為單向割煤、減小截割深度、隨機(jī)移架，及上行挑頂，下行割底（清浮煤），采煤機(jī)日均更換截齒率10.7%，較爆破松動(dòng)巖石節(jié)約成本效果顯著，同時(shí)有利于保證工作面工程質(zhì)量和設(shè)備性能。

4）預(yù)裂孔技術(shù)的應(yīng)用：工作面推進(jìn)至白色細(xì)粒砂巖暴露厚度達(dá)0.6m以上時(shí)，運(yùn)用預(yù)裂孔技術(shù)破碎巖層。該技術(shù)在我公司首次采用，綜合考慮割煤工藝、巖層巖性等制定兩套預(yù)裂孔技術(shù)參數(shù)，在白色細(xì)粒砂巖處孔深2.4m，泥巖處孔深1.6m，孔徑均為φ42，預(yù)裂孔布置示意圖如圖6。

 

圖6  預(yù)裂孔布置示意圖

方案一：白色細(xì)粒砂巖揭露厚度在0.6~0.8m時(shí)，布置一排孔間距為0.5m的單排預(yù)裂孔；揭露厚度在0.8~1.4m時(shí)，預(yù)裂孔采用三花布置，孔間距0.5m；揭露厚度在1.4~2.6m時(shí)，預(yù)裂孔采用五花布置，頂?shù)卓组g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(jìn)。泥巖處和裂紋處均布置間距為0.8m單排預(yù)裂孔。

方案二：白色細(xì)粒砂巖揭露厚度在0.6~0.8m時(shí)，將孔間距縮小為0.3m布置單排預(yù)裂孔；揭露厚度在0.8~1.4m時(shí)，孔間距縮小為0.35m；揭露厚度在1.4~2.6m時(shí)，頂?shù)卓组g距縮小為0.7m，在巖石整體性良好的地方將頂?shù)卓组g距縮小為0.6m，并適當(dāng)?shù)脑黾拥卓着c薄弱面間距100mm，減小頂孔與頂板間距15mm。

通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用預(yù)裂孔技術(shù)，方案二較方案一日均采煤機(jī)更換截齒率降低42%，方案二較傳統(tǒng)松動(dòng)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(duì)設(shè)備性能影響、人員安全等因素方案二具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2.3工作面回采巷道礦壓規(guī)律顯現(xiàn)

斷層影響范圍內(nèi)的回采巷道在工作面超前支撐壓力的作用下將發(fā)生較大變形通過(guò)對(duì)回采巷道圍巖的觀察，來(lái)判斷工作面過(guò)斷層開(kāi)采的安全性。通過(guò)觀察可知，8105工作面支撐壓力影響范圍約為0~29.4m，顯著影響區(qū)域?yàn)?/span>8.8m~20.8m。隨著工作面的推進(jìn)2105巷頂?shù)装遄畲笠平考s為368mm，兩幫最大移近量約為108.3mm；5105巷底板鼓起量約為523mm（頂板已補(bǔ)打錨索組），兩幫最大移近量為385mm。由此可見(jiàn)，5m斷層對(duì)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(shí)還需延長(zhǎng)2105巷斷層影響區(qū)域巷道頂板支護(hù)，加強(qiáng)5105巷頂?shù)装搴蛢蓭偷墓芾怼?/span>

三、應(yīng)用情況及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

1）8105小煤柱工作面過(guò)5m斷層采取的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)、割煤工藝的調(diào)整和預(yù)裂孔松動(dòng)技術(shù)均起到了很好的效果，為我公司及其他石炭系礦井生產(chǎn)提供了一定的技術(shù)支撐和優(yōu)化方向。

1. 通過(guò)采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)、補(bǔ)打錨索組及調(diào)節(jié)端面距的方法，在過(guò)斷期間2105巷頂?shù)装遄畲笠平繛?/span>368mm，兩幫最大移近量約為108.3mm；5105巷頂板未下沉，底板最大鼓起量約為523mm，兩幫最大移近量為385mm；工作面內(nèi)未發(fā)生漏頂現(xiàn)象。同時(shí)過(guò)斷期間未對(duì)兩巷進(jìn)行二次維護(hù)，極大程度地降低了兩巷維護(hù)量。

2. 預(yù)裂孔技術(shù)的采用較傳統(tǒng)松動(dòng)爆破雖然打孔率平均增加73.2%，人工成本同比增加，但爆破材料使用量降為0，考慮對(duì)設(shè)備性能影響、人員安全等因素綜合比較，對(duì)人員、設(shè)備起到了很好的保護(hù)作用，具有非?？捎^的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。

3. 過(guò)斷后，我公司可多回采177m，原煤約23萬(wàn)噸，除去材料損耗、人工成本經(jīng)濟(jì)效益增加約3千多萬(wàn)元。

   四、技術(shù)比較

   此套過(guò)5m斷層技術(shù)工藝完全適應(yīng)我公司石炭系山4^#層小煤柱工作面，為集團(tuán)公司其他石炭系礦井工程提供了一套比較成熟的過(guò)斷層經(jīng)驗(yàn)，但是生產(chǎn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了新的問(wèn)題，影響了正常生產(chǎn)，我礦將深刻汲取教訓(xùn)，為今后的小煤柱工作面過(guò)大斷層做好全方位保障，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

   1）實(shí)踐證明，使用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)和采用打錨索組的措施充分發(fā)揮了主動(dòng)支護(hù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)回采巷道變形得到了控制，有效地提高了回采巷道的穩(wěn)定性，取得了顯著的安全效益。

   2）預(yù)裂孔技術(shù)破壞巖層充分利用了工作面礦山壓力的壓裂作用，較傳統(tǒng)松動(dòng)爆破不僅將炸藥用量將至為零，還具有保護(hù)設(shè)備和人員安全性的優(yōu)勢(shì)，此后過(guò)斷時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況合理調(diào)整預(yù)裂孔間排距，并考慮為預(yù)裂孔施加外力的作用。

   3）5105巷受相鄰采空區(qū)的影響，巷道兩幫移近量較大，采用加密支護(hù)和錨索組支護(hù)巷道控制效果較好，此后掘進(jìn)隊(duì)組在斷層處應(yīng)加強(qiáng)鄰孔巷道兩幫支護(hù)。

   五、推廣應(yīng)用前景

   此套小煤柱工作面過(guò)5m大斷層開(kāi)采技術(shù)在我公司8105小煤柱工作面過(guò)5m大斷層試驗(yàn)取得了較好的效果，不但將傳統(tǒng)過(guò)斷爆破器材消耗降至為零，而且工藝簡(jiǎn)單高效、容易實(shí)施，易于掌握，相對(duì)來(lái)說(shuō)，安全、生產(chǎn)效率較高。目前，該過(guò)斷技術(shù)得完全適合我礦地質(zhì)條件?？傮w來(lái)說(shuō)，該開(kāi)采技術(shù)能大量地減少回采巷道維護(hù)費(fèi)用、截齒更換數(shù)量、爆破器材消耗量，能節(jié)約大量成本，同時(shí)對(duì)人員和采煤設(shè)備具有明顯的安全社會(huì)效益，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。

附件下載