薄煤層采煤工作面過復雜構造帶技術研究

藺鑫濤

(汾西礦業正中煤業,山西 靈石 031300)

隨著礦井高強度開采的不斷持續,井下采掘深度及范圍快速增加,深部回采煤層賦存條件與淺部煤層存在明顯差異,受瓦斯、水、破碎巖體、地質構造等不利因素影響更為明顯[1-2]。開采薄煤層期間遇到的復雜地質構造會明顯影響煤炭開采效率及安全生產保障能力,為此眾多的學者對薄煤層工作面開采方案及過構造技術展開研究。楊計先等[3]針對某礦回采的二1煤層厚度薄、開采區域內地質構造復雜、頂板堅硬等特點,從經濟性、開采適應性等方面對采面設備配備方案進行比對分析,最終確定9-38VE /57 型刨煤機及刮板輸送機、ZY6400/09/20D液壓支架組合方式進行開采;彭俊仁等[4]分析大落差斷層、陷落柱群等地質構造對云崗礦8807薄煤層采煤工作面的影響,并提出通過控制采高、強化頂板管理、調整采煤工藝、優化過陷落柱及斷層方法等,給出薄煤層工作面過復雜構造技術方案,現場應用取得較好效果;陳勝明等[5]針對23082工作面過斷層群問題,從采煤機割煤、液壓支架管理以及生產保障系統等方面考慮,給出過斷層群技術方案,實現了煤炭安全高效回采。山西某礦53105綜采工作面回采的3-1煤層厚度均值為1.2 m,開采范圍內發育有多條斷層。文中以該采面回采為工程背景,分析工作面采取的技術措施,為礦井后續其他薄煤層采煤工作面過復雜構造帶提供了可靠經驗借鑒。

1 工程概況

1.1 采面概況

53105綜采工作面位于5采區中部,采面北側為53103采空區,南側為圈定的53107綜采工作面(回采巷道已掘進完成),西側為采區集中巷道,東側為采區邊界。采面設計推進長度為1 216 m、斜長149 m,采用U型通風方式,開采的3-1煤層厚度均值為1.2 m、傾角為5°～12°.煤質為優質焦煤,經濟價值較高。根據53102綜采工作面回采巷道掘進揭露以及采面內瓦斯抽采鉆孔鉆進揭露,53102綜采工作面720～890 m范圍內地質構造發育復雜,煤層賦存不穩定,期間預計有超過20條落差在0.5～1.9 m斷層,構造帶分布位置及采面位置見圖1.

圖1 采面位置示意

53105綜采工作面配備智能化開采設備,主要開采設備包括:ZY4000/08/18D液壓支架、 ZTYC1600/15/29D超前支架、SGZ730/400刮板輸送機、MG2×200/870-WD7采煤機。現階段采面過復雜構造常用的方法有重開切眼、平推硬過兩種。由于53105綜采工作面內設備多,搬家留設大量的煤柱會導致煤炭資源浪費。為此,在53105綜采工作面采用平推硬過方法過地質構造帶。

1.2 采面過復雜構造帶面臨的主要問題

1) 采面720～890 m范圍斷層數量多、落差大、影響范圍廣,給采面回采過構造帶期間頂板管理帶來較大挑戰。在地質構造影響下,局部位置傾角變大,頂板不平整,容易導致液壓支架出現傾斜、咬架甚至側翻等問題。

2) 采面回采時,采煤機割矸量大,采煤機及刮板輸送機等設備故障率偏高,開機率難以保證,若停機時間過長會進一步惡化采面生產條件。

3) 在復雜構造帶內,災害防治效果會直接影響采面生產安全保障能力,災害影響類型包括瓦斯治理盲區、頂板裂隙水、采空區水等。

2 采面過構造帶技術

2.1 液壓支架控制技術

在53105綜采工作面過地質構造帶期間,由于斷層數量多、分布復雜,導致采面回采期間煤矸交替頻繁,在采面過斷層之前需適當減少臥底量、降低液壓支架俯斜度,確保液壓支架由煤層段平穩過渡到煤矸段;在過構造帶期間,采煤機適當降低牽引速度,液壓支架采用跟機移架,同時帶壓摩擦移架,局部采用單體支柱輔助移架;若回采期間煤層傾角增大,則在工作面液壓支架上增設防滑千斤頂,提高液壓支架穩定性,避免后期出現支架傾斜角度過大、倒架等問題;若出現液壓支架接頂不嚴密、頂板破碎等問題時,可采用架設木垛方式進行接頂[6-8]。

2.2 采煤機截割

53105綜采工作面在地質構造帶內回采期間,將采煤機采高控制在900 mm左右,適當大于工作面內液壓支架下限高度;當截割全巖時,采煤機單刀進深控制在400 mm以內,截割速度控制在1.0 m/min以內,當截割巖體堅硬、完整時,可采用松動爆破方式提高破巖效率;工作面回采期間,采煤機按照由上到下單向截割,應密切關注下方司機在前滾筒5 m位置至上方司機在后滾筒3 m范圍內的頂板,同時液壓支架應緊跟采煤機移架。

2.3 回采推進

53105綜采工作面回采遇正斷層時,斷層上盤采用割頂留底方式推進;在遇逆斷層時,采用斷層下盤進行割頂留底方式推進。在工作面推進過斷層期間,應確保采面底板角度在合理范圍內,即確保液壓支架傾角控制在12°以內,支架移架距離在400 mm以內;采煤機單刀割頂板厚度在85 mm以內。在過斷層破碎帶時,若頂板較為破碎,則通過鋪設木垛提高液壓支架與頂板接觸效果,減少漏矸量。

工作面在過地質構造期間,若采面底板標高小于回采巷道底板標高時,在采面靠近上限端頭位置均采用留底煤方式平緩過渡;當采面底板標高大于回采巷道底板標高時,在機頭及機尾附近采用割底板、留頂煤方式確定平緩過渡,同時應確保采面液壓支架接頂密實,出口通暢。

2.4 安全保障措施

1) 優化通風及瓦斯治理措施。在工作面過地質構造帶之前就需要強化通風管理,提高通風系統可靠性并確保工作面通風系統平穩運行;復查地質構造帶內瓦斯抽采效果,并停止低負壓、低濃度鉆孔接抽;在構造帶附近補打瓦斯抽采鉆孔,以消除瓦斯抽采空白區;強化采面局部“四位一體”瓦斯治理措施,當推進期間遇到煤矸交替區域時,在煤壁上布置雙排瓦斯排放孔,提高瓦斯治理效果,排放孔孔徑為73 mm、孔深均為4 000 mm、布置間距為1 000～1 500 mm.

2) 強化水害防治。綜合采用物探、鉆探技術手段對復雜構造帶內、采面頂板及附近含水情況進行探測。結合現場情況針對性制定水害防治技術措施。強化采面前方、上覆采空區及鄰近工作面采空區富水及積水區探測并及時進行疏排。

3) 強化煤質管理。優化工作面過地質構造帶期間運輸系統,利用井下現有的矸石倉將過構造帶期間生產的矸石堆積到矸石倉內,減少混入到原煤中的矸石量,達到減少運輸量以及提升煤質質量的目的。

4) 強化頂板管理。確保頂板穩定是實現工作面安全過地質構造帶的基礎。因此在53105綜采工作面過地質構造帶之前即強化回采巷道頂板監測、圍巖支護,及時處理失效的錨桿、錨索等,同時通過適當增大超前支護距離、支護強度等方式提高地質構造帶影響范圍內回采巷道的穩定性。

3 現場應用效果

為確保礦井生產、保障煤炭產量,在53105綜采工作面過構造帶期間通過與地質條件較好的73102綜采工作面配采生產,煤炭月產量可達到20萬噸。在53105綜采工作面過地質構造帶時,每天組織1個生產班,耗時4個月通過復雜構造帶。期間采煤機、液壓支架以及刮板輸送機等設備均正常運行,采面及回采巷道頂板均得到有效管理,工作人員勞動強度較低。53105綜采工作面通過平推硬過方式過復雜構造帶,可回采價值1 800萬元以上的煤炭資源,同時避免重開切眼,節省了安裝及回撤設備的費用。

4 結 語

結合53105綜采工作面的現場條件,提出采用平推硬過方式過復雜構造帶,不僅可多回采煤炭資源,而且可避免重開切眼。

針對采面過復雜構造帶期間面臨的頂板破碎、煤矸交替、液壓支架傾角大、瓦斯異常涌出、涌水等問題,針對性地提出采煤機截割、液壓支架管控、采面推進以及安全保障等措施。

針對構造帶內煤矸交替、矸石堅硬等問題,提出淺循環截割方法,并在必要時通過爆破方式輔助割矸,通過強化液壓支架及開采設備管理,確保頂板穩定;通過補打瓦斯抽采鉆孔、采面瓦斯排放孔等,加大瓦斯災害治理強度;通過瓦斯抽采、排放結合消除瓦斯抽采空白區,解決復雜構造帶內瓦斯治理難題;通過綜合物探、鉆探技術手段提高水害治理能力。53105綜采工作面過構造帶期間,綜采設備高效運行,頂板保持穩定,瓦斯體積分數在正常范圍內,未出現異常涌水情況,現場應用取得較好效果。