巴彥高勒煤礦311202 采煤工作面過斷層技術研究

王 際 欣

（內蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責任公司巴彥高勒煤礦，內蒙古 鄂爾多斯017300）

采煤工作面采用平推硬過法過斷層時可減少搬家次數，實現采煤工作面連續生產[1～2]。采煤機直接截割硬巖時為了提高破巖效率、降低磨損則需要提前對巖體進行弱化處理[3]。在堅硬巖體的弱化技術方面主要有高壓預注水弱化、水力致裂、深孔爆破預裂技術3 種技術，其中注水弱化雖然工藝比較簡單，但弱化效果及范圍有限且工期較長；水力致裂雖可以在巖層中生成裂縫、達到一定的致裂弱化效果，但難以控制裂縫的擴展方向，無法實現定向預裂；深孔爆破預裂工序成熟、便于操作、成本較低，為了不影響工作面正常生產，可從兩巷及工作面斷層預掘巷道的位置進行鉆爆法施工，實現工作面推進與深孔爆破預裂的同時作業[4～8]。

311202 采煤工作面過DF19 斷層時采用預掘巷道深孔爆破致裂技術，實現了采煤工作面回采與巖層弱化的同步進行，提高了采煤工作面過斷層效率。文中就對采煤工作面過斷層技術進行闡述，以期為其它礦井過斷層工作開展提供一些借鑒。

1 工程概況

311202 采煤工作面開采的3-1 煤平均埋深650m，工作面所在地層構造形態總體為一向北西傾斜的單斜構造，傾向300°～320°、傾角0°～5°，煤層厚度為4.10～6.40m、平均煤厚5.10m，結構簡單。工作面寬300m，回采長度3140m。具體煤層底板巖性頂底板巖層結構見表1。

表1 頂底板巖層結構

采煤工作面回采揭露的DF19 斷層為正斷層，落差6.5～11m，走向為296°～310°，傾向為26°～40°，傾角為25°～32°；與311202 工作面斜交，影響工作面走向推采長度560m。311202 運輸順槽揭露DF19 斷層情況，如圖1 所示。

2 預掘巷道施工

圖1 311202 運輸順槽斷層揭露情況

為了提高采面過斷層效率并降低采煤機磨耗，提出在311202 運輸順槽內沿著斷層在采面展布方向預掘巷道，在預掘巷道內施工深孔預裂爆破鉆孔弱化底板砂質泥巖及細粒砂巖，從而實現采煤工作面回采以及堅硬底板弱化同步進行。

斷層預掘布置在運輸順槽斷層上盤煤層中，按300°方位角為沿煤層底板掘進，長度360m，具體施工位置見圖2。

圖2 預掘巷道施工位置

3 采煤工作面過斷層技術方案

3.1 過斷層技術方案

為了最大限度提高煤炭資源回收、減少巖石截割量并保證工作面過斷層期間支架的穩定，工作面過斷層期間按-7°俯斜角度截割硬巖過斷層。根據采面破底板位置具體提出下述兩種過斷層技術方案：

方案一：沿斷層交面線下俯推進，即采煤工作面推進至斷層交面線時按照7°俯角逐段下俯推進過斷層方案。

方案二：截割斷層下盤煤層底板過斷層，即采煤工作面距離斷層距離48～55m 處即開始按照7°俯角破底板掘進，揭露斷層上盤時與預掘巷道相交。

3.2 技術方案優選

3.2.1 方案一（沿斷層交面線下俯推進）

方案一時工作面煤機截割軌跡剖面，見圖3。工作面從斷層交面線位置以-7°俯斜角度截割斷層上盤煤層頂板硬巖，此時工作面將從斷層預掘巷道的上方穿過。

煤機截割軌跡長度在104.3m 左右。預掘巷道內的深孔爆破預裂工藝實施需要穿過巷道頂板打設系列鉆孔進行爆破作業。該方案設計缺點較為明顯：

1）煤機截割軌跡直接穿過預掘巷道頂板，距離巷道垂距較小，工作面采動加劇巷道圍巖的變形失穩，同時工作面登空生產也存在一定安全隱患；

2）在預掘巷道內穿層打鉆進入煤機截割軌跡段的有效爆破鉆孔尺寸較短，預實現截割軌跡的全段為爆炸壓裂需要打設的鉆孔數量較多，預掘巷道內的打鉆及支護成本顯著增加。

3.2.2 方案二（截割斷層下盤煤層底板過斷層）

在工作面與斷層相距離55.84m 開始向下以-7°俯斜角截割底板巖層，具體見圖4。在預掘巷道內同步開展堅硬巖層弱化工作，采面推進至斷層上盤時與預掘巷道交匯。

圖4 方案二過斷層示意圖

3.2.3 方案優選

具體2 種爆破方的優缺點對比，見表2。

表2 方案優缺點對比

經過對比得出，方案二鉆孔施工總量較小，工作面過斷層期間不用越過預掘巷道上方，比較安全可靠。最終選定方案二作為本次工作面煤機截割硬巖過斷層進行爆破預裂施工的最優方案。

3.3 預掘巷道內松動爆破

3.3.1 裝藥方式

裝藥方式采取空氣柱間隔分段裝藥，由于炮孔長度較長，采取封堵10～15 m，其余鉆孔空間采取空氣柱間隔裝藥形式，炸藥裝入孔底，藥卷與封堵段間留設5～10m 的空間用水炮泥封堵隔段。每段空氣間隔0.8m。裝藥結構如見圖5。

圖5 間隔裝藥結構

3.3.2 封 孔

根據預掘巷道中的炮孔布置方案，確定炮孔封孔長度為10mm～15m，封孔材料選用水泥藥卷，規格為65mm×250mm。

3.3.3 起爆藥

由于炮孔較深，分段裝藥情況下雷管數量較多，母線分股量大，炮孔安全起爆可靠性低，給后期采煤機截割帶來嚴重安全隱患。基于本礦井爆破條件，采用管內藥卷2 發雷管并聯，管外母線并聯供電起爆方法。

3.3.4 裝藥量

裝藥量可按述公式（1）計算：

式中：Q為裝藥量，kg；q為單位體積炸藥消耗量，取0.28～0.35kg/m3；V巖石預裂的體積。

按照松動爆破體積計算得到的深孔炸藥裝藥量為：

每個炮孔所需炸藥量約60.23kg。炸藥為煤礦許用二級乳化炸藥（Φ35 mm×300 mm×300 g），爆破孔孔徑為75 mm，裝藥時2 支藥卷捆扎一起使用，提高爆破效果。50 m 鉆孔裝藥量為60kg，裝藥長度為30 m。爆破預裂裝藥參數見表3。

表3 爆破預裂裝藥參數

為提高施工效率，采取兩班施工鉆孔，一班集中裝藥、集中爆破的方式組織施工。為減少爆破作業對工作面生產的影響，利用早班檢修時間爆破，中、夜班施工鉆孔。

3.3.5 起爆方式

起爆方式分為正向起爆和反向起爆2 種，深孔裝藥條件下為提高孔內炸藥安全起爆的可靠性，結合正反裝藥結構優點，本次設計建議優選導爆索全長起爆方式。

4 效果考察

煤機截割斷層硬巖層段爆炸壓裂效果的最直觀反映預掘巷道深孔預裂爆破效果，具體工作面揭露深孔爆破壓裂孔位置處的圍巖破碎程度及壓裂孔周邊裂隙擴展范圍如圖6 所示。

圖6 巖層弱化情況

根據現場揭露情況得知，鉆孔爆破有效壓裂半徑在1.0～1.5m，爆破后產生的貫通裂縫長度在2.0～3.0m，堅硬巖層弱化效果顯著。采面保持4.0m/d 推進速度，提高了工作面過斷層的效率。

5 總 結

1）從煤機截割巖石總量、鉆孔打設數量及總長、煤機截割軌跡與預掘巷道空間層位關系等方面，對比分析了兩種煤機截割硬巖過斷層方案的優缺點，最終選定煤機截割斷層下盤煤層底板過斷層方案。

2）礦井爆破選用二級煤礦許用乳化炸藥、導爆索全長起爆、采用Ⅰ-Ⅵ段毫秒電雷管引爆，管內藥卷2 發雷管并聯，管外母線并聯供電起爆；炮孔封孔長度10～15m，封孔材料選用水泥藥卷；單孔炸藥量約60.23kg。

3）爆破后有效壓裂半徑在1.0～1.5m，鄰近爆破孔間產生的貫通裂縫，有效弱化了堅硬巖層，同時采面過斷層期間可保持4.0m/d 推進速度。