工作面过断层施工技术应用.pdf

2020 年第 8 期2020 年 8 月 工作面在回采过程中经常遇到陷落柱、火成岩、 断层、褶皱等地质构造，严重影响了工作面的安全高 效回采；特别是综采工作面过断层带时，受断层影响 破坏了工作面煤层和顶底板稳定性[1]。在过断层时，工 作面煤岩体主要受构造应力、回采应力等集中应力的 破坏作用，且集中应力在断层带处进行卸压作用，导 致断层带附近一定范围内煤岩体被破坏，主要表现在 回采煤层片帮严重，顶板破碎、冒漏等，而且在过断 层带时会使得机械严重磨损。因此，过断层采取合理、 有效的回采工艺和安全技术措施，对工作面安全高效 回采具有重要意义。 1工作面概述 山西焦煤霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山 店坪煤矿 202 工作面位于井田 830 水平左翼，工作面 东西走向布置，工作面北部为 200 工作面，南部为 204 工作面，东部为回采煤层，西部为 830 水平大巷。 202 工作面设计走向长度为 1 700 m，倾向长度为 245 m，工作面回采 9煤层，平均厚度为 2.8 m。煤层 直接顶主要以碳质泥岩为主，直接底主要以粗砂岩为 主。工作面采用综合机械化回采工艺，目前工作面已 回采至 650 m。回采巷道掘进资料和地质勘探资料显 示，工作面回采至 720 m 处揭露一条逆断层 F9，断层 落差为 1.7 m，倾角为 53毅，受断层影响，工作面预计 回采至 700 m 处顶板、煤壁会出现破碎现象，预计破 碎带长度达 35 m。为了保证工作面安全快速过断层带， 提高工作面煤柱回采量，决定采用仰斜回采工艺，并在 过断层期间采取合理有效的安全技术措施。 2仰斜回采工艺及问题分析 2.1仰斜回采施工 工作面回采至 710 m 处时留底煤进行仰斜回采， 仰斜角度为 8毅，仰斜回采期间，工作面回采高度保持 在 2.8 m。在仰斜回采时，采用间断式移架，即每回采 长度为 50 m 进行一次移架、推溜等工序，依次类推， 直至一刀割煤工序完成。 工作面仰斜回采 6.0 m 后揭露 F9断层，然后沿断 层上盘继续仰斜回采，在断层上盘仰斜回采时需预留 上盘煤层，并破上盘底岩。 当工作面在断层上盘仰斜回采 6 m 后且揭露上盘 煤层顶底板时，停止仰斜回采并调整回采角度，保证工 作面继续回采近水平煤层[2]，如图 1 所示。 2.2存在的技术难题 2.2.1破底岩难度大 工作面在进行上盘仰斜回采时需破上盘底岩，上盘 底岩主要以粗砂岩为主，岩体单轴抗压强度为 60 MPa， 岩体硬度高。而工作面采用 MG 型采煤机割煤，该采煤 机合金钢截齿主要适用于硬度小于 50 MPa 的煤岩体 中，所以，采煤机破岩时不仅难度大，而且采煤机截齿 收稿日期2020-03-19 作者简介皇甫理，1991年生，男，山西霍州人，2014年毕业于安 徽理工大学采矿工程专业，助理工程师。 工作面过断层施工技术应用 皇甫理 （ 山西焦煤霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿，山西 方山 033102 ） 摘要 为了保证 202 工作面安全快速过 F9断层破碎带，提出了仰斜回采工艺。对仰斜回采工艺使用中存在的技术难 题进行合理分析，并采取“撞楔超前支护注浆加固松动辅助爆破”的联合安全施工技术措施。从实际应用效果来看， 采用仰斜回采工艺可减少煤柱损失量，联合安全技术措施有效提高仰斜回采期间顶板稳定性，降低了采煤机破岩强度， 取得了显著应用成效。 关键词 工作面；断层；仰斜回采；安全技术措施 中图分类号 TD355文献标识码 A文章编号 2095-0802-202008-0122-02 Application of Construction Technology of Working Face Passing through Faults HUANGFU Li Fangshan Dianping Coal Mine of Lvliangshan Coal Electricity Co., Ltd., Huozhou Coal Electricity Group Co., Ltd., Shanxi Coking Coal Group, Fangshan 033102, Shanxi, China Abstract In order to ensure that 202 working face passes through F9fault fracture zone safely and quickly, the inclined mining technology was put forward. This paper analyzed the main technical problems in the application of inclined mining technology, and adopted the combined safety construction technical measures of “advance support wedge collision grouting reinforcement loosening auxiliary blasting“. From the practical application effect, the application of inclined mining technology could reduce the loss of coal pillar, and the combined safety technical measures could effectively improve the roof stability during the inclined mining period, reduce the rock breaking strength of the shearer, and achieve remarkable application results. Key words working face; faults; inclined mining; safety technical measures （总第 179 期） 技术研究 122 2020 年第 8 期2020 年 8 月 （下转 126 页） 磨损严重，增加了设备维修成本[3]。 单位mm H.断层落差。 图 1202 工作面过 F9断层剖面示意图 2.2.2顶板破碎严重 受断层影响，断层切断了回采煤层、顶底板岩体 的连续性和稳定性，断层带附近煤体顶板承载作用降 低。同时，回采期间工作面超前集中应力在断层带处 卸压释放，应力释放时对断层带处煤岩体产生扩张力， 导致断层带处煤岩体出现破碎现象，端面顶板距加大， 煤壁片帮严重，甚至会发生顶板局部冒落现象。 2.2.3煤柱预留难度大 在进行上盘仰斜回采时，需对上盘煤层预留顶煤， 直至工作面完全揭露上盘煤层顶底板，预留煤层最大 厚度为 1.7 m。由于工作面回采 9煤层，煤层稳定性 差，呈破碎结构。工作面仰斜回采时，顶煤预留难度 大，局部顶煤垮落后，形成高度达 1.7 m 的高冒区，不 仅造成了高冒区瓦斯积聚，而且还增加了顶板维护难度。 3过断层安全技术措施 为了保证工作面安全高效过 F9断层，经过研究决 定，对过 F9断层期间实施“撞楔超前支护注浆加固 松动辅助爆破”的联合安全施工技术措施。 3.1撞楔超前支护 由于工作面在断层下盘仰斜回采时需破顶岩，顶板 岩体主要以碳质泥岩为主，岩体抗压强度为30耀40 MPa， 采用采煤机可直接破岩。但是，该岩体为层状结构， 上山破岩时岩体呈破碎状，而且采煤机截割部仰角控 制难度大，采煤机破岩后很容易出现岩体失稳现象， 对此决定在断层下盘破岩顶板提前施工撞楔超前支护。 工作面回采至 714 m 处，对工作面顶板施工一排 仰斜撞楔超前支护，仰斜角度为 8毅，超前支护孔深度 为 4.0 m，直径为 35 mm，孔间距为 1.5 m。 为了避免采煤机破岩时与撞楔超前支护碰撞出现 磨损现象，决定对顶板采用柔性超前玻璃钢支护体。 该支护体主要成分为聚氨酯化学材料，长度为 4.2 m， 直径为 30 mm，端头采用锚固剂锚固。 在工作面仰斜回采期间，采煤机割煤深度控制在 0.5 m 左右，第一排仰斜撞楔超前支护施工完且割煤 6 刀后，及时施工第二排撞楔超前支护且与第一排叠加 交错布置。 当工作面仰斜回采 6.0 m 且揭露 F9断层时，停止 施工撞楔超前支护。工作面在下盘仰斜回采期间共计 施工 2 排撞楔超前支护。 3.2注浆加固 由于工作面在过断层时上盘煤层上移，断层带处 上下盘煤层产生错距，煤层与断层面稳定性极差，很 容易出现冒落，而且在预留上盘顶煤时煤体破碎严重， 预留难度大，支架在上盘时达不到设计工作阻力，支 架支护效果差，决定从过断层带处对上盘顶煤进行注 浆加固施工[4]。 当工作面揭露断层时，对顶板施工第一个注浆钻 孔，注浆钻孔深度为 6.0 m，钻孔直径为 40 mm，钻孔 与仰斜顶板夹角为 45毅，钻孔施工在距工作面仰斜顶板 1.0 m 处煤壁上，钻孔间距为 3.0 m，共计施工 3 排注 浆钻孔，如图 2 所示。 单位mm 图 2202 工作面仰斜回采顶板联合控制措施断面示意图 注浆钻孔施工完后，采用 2ZBQ40/11 型双液注浆 泵向钻孔内注入波雷因注浆液。该注浆液主要由 A 组 多异氰酸酯和羟基化合物，以及 B 组催化剂、助溶剂、 发泡剂等化合物混合而成，A，B 配比为 1颐1。 注浆 3 h 后确保注浆材料在顶煤裂隙带内充分填 充且黏结后，工作面方可继续回采。在回采过程中， 若顶煤破碎严重，波雷因注浆液加固失效时，必须采 用水玻璃砂浆二次注浆加固。 3.3松动辅助爆破 为了解决上盘回采时采煤机破底岩难度大、速度 慢、截齿磨损严重等难题，决定对上盘底岩采取松动 爆破施工，辅助采煤机快速过破岩。 工作面过断层后，先对断层上盘底岩施工爆破钻 孔，当底岩厚度在 1.0 m 以上时布置 2 排钻孔，钻孔间 距为 0.5 m；当底岩厚度为 1.0 m 以下时布置 1 排钻 孔，钻孔间距为 1.0 m，深度为 0.8 m。 钻孔施工完后，依次对钻孔填装 1 支矿用三级许 用乳化炸药和 1 支毫秒延期电雷管，采用正向装药以 及串联连接的方式，每次允许爆破钻孔数量为 1耀3 个。 工作面每回采一刀煤后进行一次爆破施工，直至 工作面完全过断层。工作面在爆破施工前要将采煤机 退至机头处，并用废旧皮带将工作面液压支架包裹起 来，防止爆破损坏[5]。 断层上盘 留顶煤 破底岩 （粗砂岩） 破顶岩 （碳质泥岩） 留底煤 回采方向 202工作面 断层下盘 皇甫理 工作面过断层施工技术应用 123 2020 年第 8 期2020 年 8 月 （上接 123 页） 4.2.4施工组织及施工设备 按“三八”制作业，单台钻机配置钻探作业人员不 少于 3 名，其中，要有跟班队干 1 人、班组长 1 人、机 电工至少 1 人，负责作业现场安全和工程质量。 打钻地点配备钻机的可探测距离必须超过 150 m，探 测钻头的直径不得大于 94 mm，钻杆总长度不得小于 150 m，配备的水泵 （ 一用一备 ） 及排水管路应满足排 水能力不小于 80 m3/h。 钻机技术参数见表 1。 表 1钻机技术参数表 4.2.5排水系统设计 W1302 回风顺槽在进入 W1303 工作面采空积水区 （探水线） 前需形成永久排水系统。a 永久排水点设 计。在 W1302 回风顺槽 （ 方位角 270毅 ） 开口处前 40 m 处设计 1、2排水硐室；在 W1302 回风顺槽 （ 方位角 270 ） 开口处前 606 m 处设计 3排水硐室 （ 每个硐室 尺寸为 4.00 m伊4.00 m伊3.55 m （ 长伊宽伊高 ） ，卧底 1.5 m， 净容量 24 m3） 。b 水泵配置。每个排水硐室配备卧泵 两台，水泵为 MD155-4伊30 矿用隔爆型耐磨多级扬程水 泵。c 排水管路。整条巷道以排水硐室为界，硐室以 东敷设 2 趟 DN150 排水管路，硐室以西敷设 3 趟 DN100 排水管路。d 排水路线。排水路线为 W1302 回 风→W1302 回风 1、2排水硐室→南辅大巷→南翼 1、 2水仓。 4.2.6钻探安全及注意事项 为确保安全，在钻孔施工时，可先用 椎153 mm 的 钻头钻进 18 m 进行扩孔，然后下入 10 m 的 椎108 mm 孔口管，并注浆封孔；24 h 后，待孔口管完全凝固后， 对孔口管进行扫孔试压，压力要求达到 3.0 MPa，时间 30 min；试压完成并达到要求后上好孔口阀门，用不小 于 椎75 mm 的钻头向前钻探，直至钻进至设计距离。 钻探过程中，准确且及时记录钻探深度，每更换一次 钻具，测量一次钻杆并核算孔深，终孔前再复核一次， 详细记录钻探煤层的深度、涌水量及水压变化情况。 钻孔钻探完成后，根据需要全孔注浆封孔，并及时填 写钻探成果台账。钻探期间要加强通风，需要瓦检员 跟班并增加有害气体的观测次数，预防瓦斯聚集和超 限。钻探地点要安设电话等通信设备，无通信设备不 得开钻。钻探施工前要对钻场内的帮、顶支护情况进行 排查，确保钻场内能够安全施工。当发现煤岩松软、片 帮、来压或孔中水压、水量突然增大及顶钻现象等透水 预兆时，必须立即停止钻进，但不得拔出钻杆，并将钻 杆固定好，同时立即向矿调度室汇报，派人监测水情， 记录孔深。若发生紧急情况，应当立即撤出所有受水 威胁区域的人员，然后采取安全措施进行处理。 5结语 巷道下山掘进期间，掘进巷道底板始终承受邻近采 空区积水水压威胁[2]，采用循环施工探放水专业钻场施 工密集钻孔进行探放水来限制底板水压的设计理念[3]， 可保证巷道掘进期间底板高程始终低于邻近采空积水 区积水标高，待所有探放水钻孔施工完毕后，再施工 一个验证孔，并待探放水钻场的钻孔均没有水放出且 验证孔验证合格 （ 验证孔不出水 ） 方可保证安全掘进。 参考文献 ［1］ 张龙.东曲煤矿采空区充水系数研究 ［J］ .煤炭与化工， 2019， 428 60-62. ［2］ 韩勇.回采工作面上覆及邻近采空区积水威胁评价与防治 ［J］ . 能源与节能， 20197 117-119. ［3］ 白玉峰.云岗矿 8409 工作面采空区积水探放工程设计 ［J］ .山 东煤炭科技， 20191 187-189. （ 责任编辑刘晓芳 ） 钻机型号钻机扭矩/N m钻杆直径/mm钻头直径/mm ZDY-4000S4 000臆94臆94 4结语 通过对工作面断层下盘顶板施工撞楔超前支护后， 对工作面顶板破碎岩体进行撞楔超前支护，防止工作 面上山回采时顶板岩体出现破碎现象。 对断层上盘预留顶煤采取注浆加固后，通过单轴抗 压实验发现，注浆后顶煤胶结强度由原来的不足10 MPa 提高至 45 MPa，保证了顶煤的稳定性，工作面仰斜回 采时未出现顶煤垮落现象，而且保证了液压支架初撑 力和工作阻力，使支架工作阻力提高至 96以上。 通过对断层上盘底岩采用松动爆破施工后，减小 了采煤机破岩量，加快了采煤机上山回采速度，降低 了采煤机截齿损坏率，减少了采煤机维修成本费用达 2.7伊105元多。 参考文献 ［1］ 许海明.综采工作面过断层安全技术措施的应用 ［J］ .山西冶 金， 20196 162-163. ［2］ 赵春波.大采高工作面过断层深孔注浆加固技术研究 ［J］ .山 东煤炭科技， 201911 21-23. ［3］ 郭泽峰.综采工作面过断层施工方案研究应用 ［J］ .能源与节 能， 201911 179-180. ［4］ 冷自超.9116 综掘工作面过断层带技术研究 ［J］ .内蒙古煤炭 经济， 201913 36-37. ［5］ 张瑞波.煤矿综采工作面过断层技术分析 ［J］ .陕西煤炭， 20193 132-134. （ 责任编辑白洁 ） 126