楊海峰、張曉東、劉甲、徐婷婷、張騰宙
(晉能控股煤業集團挖金灣煤業公司)
一、立項原因及背景
在煤礦井下回采作業中,斷層是一種十分常見的地質構造類型。受大斷層影響,提前停采嚴重造成資源損失,為了提高資源回收率,過大斷層就尤為重要。而8105小煤柱工作面是我公司首次過5m斷層,在過斷期間遇到了新的問題,給安全高效生產帶來了一定的影響。鑒于此,煤業公司結合工程實際,通過采取聯合支護技術、加強斷層揭露處巷道頂板管理、調整割煤工藝、預裂孔技術等方法解決我公司小煤柱工作面過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5m斷層積累了寶貴經驗、提供了技術支撐和保障。
二、研究或革新內容及創新點
1、工程概況
挖金灣公司山4#煤層一盤區8105小煤柱工作面東部為8103工作面采空區,該工作面走向長度為1527m,傾斜長度為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,煤層頂底板巖性如表1所示。工作面采用綜合機械化一次采全高后退式開采方法,MG800/2000-WD型采煤機割煤,ZZ13000/25/50型、ZZ13000/25/50H型(過渡架,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)支撐掩護式液壓支架支護,全部垮落法管理頂板。工作面頭部從1321m開始揭露5m斷層、1330m處出斷,尾部從1379m開始揭露、1390m處出斷,5m斷層特性如圖1。
表1 頂底板巖性
名稱 |
巖性 |
厚度/(m) |
巖性描述 |
老頂 |
砂巖 |
22.22~36.21 |
白色細砂巖、中粒砂巖,上部多為砂質泥巖 |
直接頂 |
泥巖 |
1.42~3.30 |
深灰色泥巖,局部含少量砂質成分 |
直接底 |
泥巖 高嶺質巖 |
3.16~6.67 |
深灰色泥巖,局部為深灰色高嶺巖 |
圖1 斷層特性圖
2、8105小煤柱工作面過5m斷層創新技術工藝
2.1斷層揭露處巷道頂板管理
1)2105巷聯合支護技術的應用:密切觀察順槽斷層范圍內及前后20m頂板壓力變化情況,禁止回收巷道原有支護材料。過斷前在里程1316m~1340m斷層揭露處的頂板破碎區域采用施工懸吊鋼梁、打井字型木垛、充填羅克休、噴漿等聯合支護技術管理頂板,聯合支護參數及布置示意圖如圖2。
施工工藝:打設工作平臺(腳手架和φ50mm×6m鋼管架打設長×寬×高為6m×5m×3m的平臺)→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)→拉桿穩固鋼梁(拉桿規格為φ18×1200mm雙頭螺紋桿)→鋪鋼筋網(鋼筋網搭接間距≥200mm,并用14#鉛絲與鋼梁綁扎)→鋪設井字型木垛→噴漿。
技術要求:采用聯合支護技術后巷道斷面不得小于原設計斷面(5300mm×3500mm),且要保證巷道平緩不得有阻礙風流的地方,同時鋼絞線鎖具外外露長度為250mm。
圖2 聯合支護參數及布置示意圖
2)5105巷頂板管理:5105巷側煤柱為6m小煤柱,在過斷期間密切觀察順槽斷層范圍內及前后20m頂板壓力變化情況,若巷道頂板出現縫隙等壓力顯現情況時,在距離煤柱側巷幫2.0m處增加一排支護。同時,過斷前在1370m~1410m處補打錨索組,錨索組三花布置,組合錨索規格為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)調節端面距:過斷期間,45#~56#支架處受斷層影響,頂板破碎程度較高,為較好地維護頂板確保安全生產,在該區域采取超前帶壓移架,在設備性能允許的范圍內二次推溜移架,將該處端面距縮減至100mm以內,從而縮短空頂時間和空頂面積,并且現場配備網徑為50mm×50mm的菱形金屬網(各金屬網搭接長度為200mm),確保安全過斷。
通過采用聯合支護技術、補打錨索組及調節端面距的方法,在過斷期間2105巷頂底板最大移近量為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;工作面內未發生漏頂現象。同時過斷期間未對兩巷進行二次維護,具有明顯的安全優勢和顯著的經濟效益,為安全過斷起到了堅實的保障作用。
2.2割煤工藝的調整和預裂孔技術的應用
1)工作面偽斜調整:為了縮短斷層在工作面推進時的暴露長度,減小煤機割矸量,并結合工作面設備技術性能及工作面實際情況,在工作面頭部遇斷開始按頭尾3:1進行推進,當頭尾錯差15m時工作面正常推進,使斷層面與工作面的交角約為19°,斷層在工作面揭露6~18個支架,效果較明顯。過斷后按頭尾1:5調整工作面,直至頭尾平齊。
2)仰斜過斷強行割矸:結合頂底板巖性、斷層特性和巷道實際情況,1330m~1390m巷道需爬坡,為保證工程質量及時安全順利通過斷層,要求工作面從頭向尾與兩順槽平緩過度。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25個循環(75刀)工作面推進至1390m共抬底5m,爬坡約為5°,仰斜過斷期間始終保證工作面采高在3.4~3.5m范圍內,以此達到最佳工程質量,仰斜過斷層示意圖如圖4。
圖4 8105工作面仰斜過斷層示意圖
工作面頭部先揭露斷層,結合刮板輸送機垂直彎曲度允許范圍(±3°),頭尾分開挑頂扶底,即工作面頭部揭露斷層開始先挑頂扶底,中部、尾部平緩過渡,在斷層沿傾斜方向移動到工作面尾部后40個支架處,頭部中部平緩過渡,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)割煤方式的調整:工作面內斷層揭露的上盤巖層為白色細粒砂巖,下盤巖層為砂質泥巖(深灰色泥巖),上盤白色細粒砂巖只在斷層揭露工作面尾部(108架~132架)范圍內厚度達到1.4m~2.6m,下盤白色細粒砂巖只在79架~98架范圍內存在厚度達0.8m~1.6m。除此之外,工作面揭露白色細粒砂巖均在0~0.6m。下盤較松軟(f<4),可直接截割,為了降低大塊率,提高開機率,雙向割煤調整為單向割煤、減小截割深度、隨機移架,及上行挑頂,下行割底(清浮煤),采煤機日均更換截齒率10.7%,較爆破松動巖石節約成本效果顯著,同時有利于保證工作面工程質量和設備性能。
4)預裂孔技術的應用:工作面推進至白色細粒砂巖暴露厚度達0.6m以上時,運用預裂孔技術破碎巖層。該技術在我公司首次采用,綜合考慮割煤工藝、巖層巖性等制定兩套預裂孔技術參數,在白色細粒砂巖處孔深2.4m,泥巖處孔深1.6m,孔徑均為φ42,預裂孔布置示意圖如圖6。
圖6 預裂孔布置示意圖
方案一:白色細粒砂巖揭露厚度在0.6~0.8m時,布置一排孔間距為0.5m的單排預裂孔;揭露厚度在0.8~1.4m時,預裂孔采用三花布置,孔間距0.5m;揭露厚度在1.4~2.6m時,預裂孔采用五花布置,頂底孔間距為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。泥巖處和裂紋處均布置間距為0.8m單排預裂孔。
方案二:白色細粒砂巖揭露厚度在0.6~0.8m時,將孔間距縮小為0.3m布置單排預裂孔;揭露厚度在0.8~1.4m時,孔間距縮小為0.35m;揭露厚度在1.4~2.6m時,頂底孔間距縮小為0.7m,在巖石整體性良好的地方將頂底孔間距縮小為0.6m,并適當的增加底孔與薄弱面間距100mm,減小頂孔與頂板間距15mm。
通過在現場應用預裂孔技術,方案二較方案一日均采煤機更換截齒率降低42%,方案二較傳統松動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,考慮對設備性能影響、人員安全等因素方案二具有顯著優勢。
2.3工作面回采巷道礦壓規律顯現
斷層影響范圍內的回采巷道在工作面超前支撐壓力的作用下將發生較大變形通過對回采巷道圍巖的觀察,來判斷工作面過斷層開采的安全性。通過觀察可知,8105工作面支撐壓力影響范圍約為0~29.4m,顯著影響區域為8.8m~20.8m。隨著工作面的推進2105巷頂底板最大移近量約為368mm,兩幫最大移近量約為108.3mm;5105巷底板鼓起量約為523mm(頂板已補打錨索組),兩幫最大移近量為385mm。由此可見,5m斷層對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,同時還需延長2105巷斷層影響區域巷道頂板支護,加強5105巷頂底板和兩幫的管理。
三、應用情況及經濟社會效益
1)8105小煤柱工作面過5m斷層采取的聯合支護技術、割煤工藝的調整和預裂孔松動技術均起到了很好的效果,為我公司及其他石炭系礦井生產提供了一定的技術支撐和優化方向。
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通過采用聯合支護技術、補打錨索組及調節端面距的方法,在過斷期間2105巷頂底板最大移近量為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;工作面內未發生漏頂現象。同時過斷期間未對兩巷進行二次維護,極大程度地降低了兩巷維護量。
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預裂孔技術的采用較傳統松動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,考慮對設備性能影響、人員安全等因素綜合比較,對人員、設備起到了很好的保護作用,具有非??捎^的安全性和經濟效益。
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過斷后,我公司可多回采177m,原煤約23萬噸,除去材料損耗、人工成本經濟效益增加約3千多萬元。
四、技術比較
此套過5m斷層技術工藝完全適應我公司石炭系山4#層小煤柱工作面,為集團公司其他石炭系礦井工程提供了一套比較成熟的過斷層經驗,但是生產過程中也發現了新的問題,影響了正常生產,我礦將深刻汲取教訓,為今后的小煤柱工作面過大斷層做好全方位保障,主要體現在以下三個方面:
1)實踐證明,使用聯合支護技術和采用打錨索組的措施充分發揮了主動支護的優勢,對回采巷道變形得到了控制,有效地提高了回采巷道的穩定性,取得了顯著的安全效益。
2)預裂孔技術破壞巖層充分利用了工作面礦山壓力的壓裂作用,較傳統松動爆破不僅將炸藥用量將至為零,還具有保護設備和人員安全性的優勢,此后過斷時結合現場實際情況合理調整預裂孔間排距,并考慮為預裂孔施加外力的作用。
3)5105巷受相鄰采空區的影響,巷道兩幫移近量較大,采用加密支護和錨索組支護巷道控制效果較好,此后掘進隊組在斷層處應加強鄰孔巷道兩幫支護。
五、推廣應用前景
此套小煤柱工作面過5m大斷層開采技術在我公司8105小煤柱工作面過5m大斷層試驗取得了較好的效果,不但將傳統過斷爆破器材消耗降至為零,而且工藝簡單高效、容易實施,易于掌握,相對來說,安全、生產效率較高。目前,該過斷技術得完全適合我礦地質條件??傮w來說,該開采技術能大量地減少回采巷道維護費用、截齒更換數量、爆破器材消耗量,能節約大量成本,同時對人員和采煤設備具有明顯的安全社會效益,具有較強的推廣價值。