大采高工作面過(guò)斷層煤壁片幫機(jī)理分析及控制

　　摘要:在斷層構(gòu)造影響下，大采高綜采工作面煤壁片幫控制一直是個(gè)難題。以陽(yáng)煤集團(tuán)榆樹(shù)坡煤業(yè)1201綜采工作面在推進(jìn)過(guò)程中過(guò)正斷層為工程背景，針對(duì)斷層構(gòu)造高幫煤壁穩(wěn)定性惡化且難以支護(hù)的問(wèn)題，運(yùn)用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法綜合研究，分析了斷層構(gòu)造處煤壁片幫嚴(yán)重的原因?yàn)?斷層的存在導(dǎo)致頂板載荷增大、煤體物理力學(xué)性能降低、煤壁裸露時(shí)間長(zhǎng)。為此提出高初撐力、高護(hù)幫高度、及時(shí)支護(hù)等措施，有效改善了煤壁片幫問(wèn)題，提高了回采效率。

　　關(guān)鍵詞:斷層,片幫控制,高初撐力,及時(shí)支護(hù)

　　隨著煤炭開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)步，大采高一次采全厚采煤法因其回采率高，受到煤礦企業(yè)的廣泛重視和極力推崇。但隨著工作面采高增加、煤壁增高，圍巖控制難度也隨之加大，回采過(guò)程中片幫、冒頂事故時(shí)有發(fā)生，特別是工作面遭遇斷層時(shí)控制難度大幅增加。

　　在煤礦實(shí)際地質(zhì)條件下，回采工作面需要通過(guò)斷層的情況已經(jīng)司空見(jiàn)慣，大大小小的斷層構(gòu)造在不同程度上改變了地下煤體的完整性，時(shí)刻改變著采場(chǎng)圍巖條件。據(jù)眾多煤礦回采工作面在遇到斷層時(shí)的情況來(lái)看，斷層的存在極大地延誤了工作面正常的推進(jìn)進(jìn)度，且構(gòu)造所帶來(lái)的圍巖不穩(wěn)定性直接威脅到工作面的生產(chǎn)安全[1-2]。

　　因此，對(duì)大采高工作面過(guò)斷層時(shí)圍巖控制技術(shù)的研究十分有必要。本文以陽(yáng)煤集團(tuán)榆樹(shù)坡煤業(yè)1201大采高綜采工作面過(guò)正斷層為例，分析研究了大采高工作面過(guò)斷層期間的圍巖破壞特征及控制技術(shù)，為相似地質(zhì)條件下的工作面回采提供參考與借鑒。

　　1工程背景

　　榆樹(shù)坡煤業(yè)1201綜采工作面位于2號(hào)煤一采區(qū)，四鄰無(wú)采空區(qū)存在，工作面埋深290～390m，煤層平均厚度4.7m，采用走向長(zhǎng)壁式一次采全厚綜合機(jī)械化采煤法。工作面使用ZY14000/26/56型掩護(hù)式液壓支架(中間架)和ZYG14000/26/50型過(guò)渡支架維護(hù)頂板，ZY14000/26/56型支架最大支撐高度5.6m，最小支撐高度2.6m，支架寬度1.75m，中心距1.75m，支架重量33t，額定工作阻力14000kN。

　　1201工作面受地質(zhì)構(gòu)造影響，分兩部分進(jìn)行回采。①部分傾斜長(zhǎng)度200m，走向長(zhǎng)1265m;②部分傾斜長(zhǎng)度100m，走向長(zhǎng)135m，工作面整體布置為刀把式布置。根據(jù)實(shí)際揭露情況可知:進(jìn)風(fēng)巷累計(jì)揭露4條正斷層，回風(fēng)巷揭露2條正斷層，且工作面內(nèi)部可能存在隱伏小構(gòu)造。D705、D706正斷層均為進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)時(shí)揭露，兩斷層構(gòu)造相似，對(duì)回采影響較大。距開(kāi)切眼196m處工作面遭遇D705正斷層，斷層傾角45°，平均落差3.7m;387m處工作面遭遇D706正斷層，斷層傾角60°，平均落差4.5m。

　　其中D706斷層向工作面延伸約80m，走向影響范圍約22m。目前工作面已通過(guò)D705斷層，即將推進(jìn)至D706斷層附近。在工作面過(guò)D705斷層期間，其上下盤(pán)不同程度錯(cuò)位滑移導(dǎo)致工作面煤壁片幫嚴(yán)重，頂板破碎垮落，甚至有壓架事故發(fā)生，嚴(yán)重影響工作面生產(chǎn)安全，延誤回采效率，大采高工作面的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)得不到體現(xiàn)。

　　2斷層構(gòu)造帶圍巖破壞特征

　　2.1煤體破壞范圍的現(xiàn)場(chǎng)窺視

　　1201工作面臨近D706斷層10m時(shí)，在進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷靠采場(chǎng)幫面分別超前工作面5m、10m處向內(nèi)側(cè)煤體鉆孔進(jìn)行成像窺視，共設(shè)4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，由此對(duì)煤壁前方煤體受破壞情況觀察分析，鉆孔直徑28mm，孔深20m。其中回風(fēng)巷5m處鉆孔孔壁內(nèi)出現(xiàn)輕微破碎破壞情況，10m處孔壁較為完整、光滑，沒(méi)有出現(xiàn)破碎及裂縫;而進(jìn)風(fēng)巷5m處孔壁受破壞較為嚴(yán)重，有多條裂縫且完整程度較低，窺視儀探頭在此孔工作時(shí)前進(jìn)較為困難，10m處孔壁仍存在破碎情況，說(shuō)明工作面臨近斷層時(shí)，煤壁前方煤體受破壞強(qiáng)度嚴(yán)重且破壞范圍明顯加大。

　　2.2斷層的存在對(duì)圍巖破壞影響分析

　　[3-4]1)煤壁裸露時(shí)間變長(zhǎng)。1201綜采工作面采高4.7m，屬于大采高回采工作面，煤壁裸露面積較大，受高強(qiáng)度采動(dòng)影響，本身就容易發(fā)生煤壁片幫情況，同樣頂板也受高強(qiáng)度采動(dòng)影響破碎垮落程度較大。而遇到斷層時(shí)工作面推進(jìn)速度放慢，隨之煤壁裸露時(shí)間變長(zhǎng)，煤壁在長(zhǎng)時(shí)間得不到支護(hù)的情況下片幫加深、范圍加大。

　　2)煤體物理力學(xué)性能降低。斷層的存在破壞了煤體本身的完整性，基本頂在未達(dá)到其破斷極限前就發(fā)生破斷垮落，加劇了頂板破碎;另外，斷層附近煤體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均減小，煤壁極限承載能力降低，片幫幾率增加。

　　3)頂板載荷增大。在過(guò)斷層D705階段曾對(duì)支架工況做過(guò)相關(guān)壓力監(jiān)測(cè)，支架阻力P的變化曲線，L為負(fù)值表示工作面位于上盤(pán)時(shí)距斷層面距離，L為正值表示工作面位于下盤(pán)時(shí)距斷層面距離。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得知:工作面正常推進(jìn)時(shí)支架阻力為10000kN左右，在工作面靠近斷層面的過(guò)程中，支架阻力近乎呈線性增加且最大值達(dá)到13500kN，接觸斷層后支架阻力有所下降，但其值仍大于接觸之前。說(shuō)明斷層的存在導(dǎo)致采場(chǎng)頂板載荷急劇加大，而這是頂板破碎垮落的主導(dǎo)因素。另外，由于煤壁承載能力下降導(dǎo)致片幫事故更易發(fā)生。

　　4)斷層導(dǎo)水軟化圍巖。

　　據(jù)1201工作面地質(zhì)勘察資料得知，頂板老頂砂巖含水較大，在過(guò)斷層構(gòu)造階段由于斷層導(dǎo)水因素導(dǎo)致工作面圍巖內(nèi)部巖體孔隙加大，不論煤體或是頂板巖體均受水影響而不同程度壓裂軟化，從而降低了圍巖黏聚性等物理特性，加劇了頂板破碎及煤壁片幫程度。

　　3圍巖控制方案研究

　　1201綜采工作面過(guò)斷層D705期間，圍巖在原有的支護(hù)方案下得不到有效控制，產(chǎn)生煤壁片幫、頂板破碎垮落，導(dǎo)致工作面推進(jìn)緩慢甚至一度停滯。基于以上分析，在工作面過(guò)D706斷層期間，提出了以下綜合過(guò)斷層方案[5]。

　　1)增加支架初撐力。對(duì)于斷層構(gòu)造帶來(lái)的采場(chǎng)頂板載荷增加，有必要通過(guò)增加支架初撐力來(lái)限制頂板下沉量。正常割煤階段，據(jù)實(shí)際測(cè)量得知，支架工作阻力在10000～11000kN。由ZY14000/26/56型液壓支架性能可知，支架留有一定的富裕阻力，所以在過(guò)斷層階段可以適當(dāng)增加其初撐力來(lái)維護(hù)頂板，并在斷層兩側(cè)砌木垛來(lái)分擔(dān)頂板載荷。

　　2)增加護(hù)幫高度。在通過(guò)斷層階段，最大可能地延伸支架前端護(hù)幫板，增加護(hù)幫高度，從而限制由于斷層構(gòu)造引起的煤體破碎，避免煤壁大范圍片幫影響采煤機(jī)組正常運(yùn)行及工作面人員安全。

　　3)降低采高。工作面推至斷層附近將采高降低至3.5m，減少割巖量，留下底煤，從而降低了保持煤壁穩(wěn)定所需的最小水平支護(hù)力。

　　4)及時(shí)支護(hù)。在回采過(guò)程中，支架滯后采煤機(jī)滾筒2～3架緊隨采煤機(jī)向煤壁推進(jìn)，并在滾筒走過(guò)煤體后支架工及時(shí)打開(kāi)護(hù)幫板支護(hù)煤壁，防治煤壁片幫破碎。同時(shí)為加快過(guò)斷層速度，需超前滾筒3～4架及時(shí)收回護(hù)幫板，避免延誤滾筒高速前進(jìn)。

　　4工程應(yīng)用分析

　　在回采過(guò)D706斷層階段應(yīng)用以上綜合過(guò)斷層方案，期間對(duì)工作面進(jìn)行礦壓及變形量監(jiān)測(cè)，并與過(guò)D705斷層時(shí)進(jìn)行比較。過(guò)D706斷層期間片幫最大深度為0.23m，較過(guò)D705斷層時(shí)降低了74%，最大高度為0.41m，較過(guò)D705斷層期間降低了68%;另一方面，支架阻力明顯降低，接近于工作面正常推進(jìn)時(shí)的阻力值。因此，綜合過(guò)斷層方案有效改善了1201大采高工作面過(guò)斷層期間煤壁大范圍片幫及頂板破碎、垮落等圍巖破壞問(wèn)題。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　1)1201工作面正常推進(jìn)時(shí)煤壁前方煤體破壞范圍較小，在5m以內(nèi);當(dāng)遇到斷層時(shí)，受破壞范圍較大，破壞深度在15m左右。2)提出了“提高初撐力、增加護(hù)幫高度、降低割煤高度、及時(shí)支護(hù)”的綜合過(guò)斷層方案。經(jīng)工程應(yīng)用，有效改善了過(guò)斷層期間煤壁片幫、頂板破碎等問(wèn)題，為工作面“安全、高效”生產(chǎn)提供了有力保障。

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　　煤炭方向論文投稿刊物：《煤炭科學(xué)技術(shù)》(月刊)創(chuàng)刊于1973年，是由國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局主管、煤炭科學(xué)研究總院主辦的綜合性煤炭科技期刊。主要刊載煤炭工業(yè)各領(lǐng)域取得的新成果、新技術(shù)、新經(jīng)驗(yàn)及新產(chǎn)品等方面的論文，內(nèi)容包括煤田與礦井地質(zhì)、煤礦基建、地下與露天開(kāi)采、巖石力學(xué)與井巷支護(hù)、礦山測(cè)量、礦山電氣、礦山機(jī)械、礦山自動(dòng)化、井巷運(yùn)輸、通風(fēng)與安全、煤炭化工與綜合利用、潔凈煤技術(shù)等。

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