采煤工作面過斷層
礦區(qū)，工作面回采過程中，往往會(huì)多次出現(xiàn)過斷層回采，給設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來很大困難?；夭蛇^FX8斷層組有兩種方案:其一為重開切眼,跳采,其二為直接過斷層。重開切眼,綜采支架搬家—跳采—搬家,至少須投入資金100萬元,而且丟失斷層兩盤三角煤13萬t,同時(shí)加大了該礦綜放工作面接續(xù)的難度。只要采取相應(yīng)措施直接過斷層回采，既可達(dá)到安全采煤之目的，又能取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
一般采用以下幾種方法過斷開采：
(1)直接割煤過斷層
當(dāng)斷層落差較小，上下兩盤接觸處之間的煤層的厚
度大于或等于液壓支架的下限通過高度，則液壓支架可
以順利通過，綜采工作面可直接采煤過斷。
(2)割頂(底)采煤過斷
斷層上下兩盤接觸處之間的煤厚小于液壓支架下限
通過高度，煤層底板或頂板巖石較軟且頂板較完整，可
通過機(jī)組割底或割頂直接采煤過斷。
(3)用預(yù)掘巷與割底相結(jié)合的方法過斷
斷層落差較大，可采取預(yù)掘巷輔助法過斷。
2)用預(yù)掘巷與割底相結(jié)合的方法過斷層
大同挖金灣礦開采12-18801工作面時(shí),工作面推進(jìn)394m,遇到一條落差為0.68～1.45m的正斷層。根據(jù)斷距及MLS3-340采煤機(jī)的最小采高1.4m、ZY500-19/12液壓支架的下限通過高度按1.4m,支架傾斜度、斷裂面破碎程度等條件,提出了如下過斷層設(shè)計(jì):緊貼斷層面,沿著斷層走向掘1條30～50m長(zhǎng)的巷道,其規(guī)格為寬2.5m、高1.8m,然后在斷層一側(cè),跨斷層由外向里開幫,遞進(jìn)開2m幫,使巷寬增加到4.5m。然后在小斷面棚中間支大斷面長(zhǎng)梁棚,1棚3腿,并在長(zhǎng)梁上補(bǔ)1架1 7m長(zhǎng)的錨栓,以防機(jī)組通過時(shí)推倒棚腿,造成梁掉,頂板垮落,如圖1。
機(jī)組通過巷道前，還必須處理好支護(hù)與采煤的關(guān)系。
過巷時(shí)，棚梁方向基本與煤壁方向垂直，當(dāng)工作面支架接觸巷道長(zhǎng)棚梁時(shí)，必須使支架前探梁托在棚梁下面，然后移架。如果頂板不穩(wěn)定，可在煤壁貼近頂板處打超前眼扦入適當(dāng)數(shù)量的鋼棒，以使頂板保持相對(duì)穩(wěn)定，
工作面過斷時(shí)，還要解決底板坡度變化的問題。為
使機(jī)組和支架順利通過，需建造·-個(gè)坡度(見圈2)。坡
度的大小立要根據(jù)支架的縱問穩(wěn)定性和支架鉸接前探梁
允許的上下擺動(dòng)角度確定。我礦所使用的ZY500-19/12
型支掩式艾架，鉸接前探梁的擺動(dòng)范圍是±50，因而
坡度控制在12～140。
3) 開鑿斷層巷 回采過斷層
五陽(yáng)煤礦51采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,回采過程中經(jīng)常遇到斷層及構(gòu)造破碎帶等。5103綜放工作面煤層埋藏深度平均為220m。工作面基本沿煤層偽傾向布置,運(yùn)輸巷煤層沿底板有波狀起伏變化,平均坡度6°,運(yùn)輸巷全長(zhǎng)540m,切眼長(zhǎng)150m。煤層厚度穩(wěn)定,平均厚度為6.31m,含兩層夾矸,煤層普氏系數(shù)f=3～8,老頂為中粒砂巖,石英為主,致密堅(jiān)硬。采用后退式割底煤、低位放頂煤的綜合機(jī)械化采煤方法,使用MG—360型雙滾筒采煤機(jī),采高3.0m,截深0.6m,滾筒直徑1. 8m,使用ZZPF—4400型液壓支架,全部跨落法管理頂板。
5103工作面運(yùn)輸巷由切眼向外至停采線共揭露四條斷層,第一條斷層落差為3. 8m。采用平推硬過的方法。開始斷層巖石比較松軟時(shí),可用采煤機(jī)滾筒割下。當(dāng)斷層落差較大,巖石較硬采煤機(jī)難以截割通過時(shí),采用打淺眼、少裝藥、放小炮挑頂?shù)姆椒? 過斷層期間,生產(chǎn)推過速度明顯降低。第二、第三條斷層落差分別是0.8m和1.3m,對(duì)回采影響不大,都采用平推硬過的方法,第四條斷層落差4.5m,如仍采用硬過的方法顯然將對(duì)正常生產(chǎn)影響很大。因此采取開鑿斷層巷的方法,先將斷層巖石破取,而后使工作面通過這段空巷,保證工作面的正常生產(chǎn)。
施工順序：
① 先在斷層處(見圖2)垂直運(yùn)輸巷開口掘一條中間巷,平掘見頂后停掘,鑿斷層巷垂直中間巷開口平行運(yùn)輸巷掘進(jìn),從里到外依次掘三巷,全部將斷層掘完。
② 當(dāng)里面巷道掘到設(shè)計(jì)位置(即棚梁下面煤層厚度夠2. 5m時(shí)),從里往外稍靠運(yùn)輸巷側(cè)打木垛進(jìn)行加固。
③ 第二拱掘進(jìn)時(shí),保證兩巷棚梁頭相接, 第二拱掘到設(shè)計(jì)位置時(shí),第一拱從里往外打木垛進(jìn)行加固,方法同上。
④ 第三拱掘進(jìn)同前兩拱一樣,最后用木垛加強(qiáng)支護(hù)。三拱巷道掘完后,基本把影響生產(chǎn)的巖石破取。其余斷層延伸部分雖對(duì)回采也有影響,但此時(shí)只要工作面適當(dāng)降低采高(2.5m),只需破除少量的巖石即可。
工作面過斷層巷由于提前開鑿了斷層巷,造成應(yīng)力的重新分布,所以過斷層巷的關(guān)鍵問題是加強(qiáng)對(duì)工作面頂板的控制,見圖3。
4)大采高綜采工作面采用俯仰斜回采過斷層
(1)工作面概況
義馬礦務(wù)局耿村礦(2-1)11061工作面位于東一采區(qū)西翼,東至采區(qū)軌道上山,西至采區(qū)邊界,上部為已采的(1-2)11041和11061工作面。其煤層屬半亮型塊狀結(jié)構(gòu),內(nèi)生節(jié)理較發(fā)育,性脆、中硬。煤層中含兩層夾矸,上層為堅(jiān)硬的灰白色細(xì)砂巖,下層為質(zhì)軟的棕褐色泥巖。兩層夾矸累計(jì)厚度0.3m。工作面走向長(zhǎng)640m,斜長(zhǎng)146m,煤層傾角14～18°,煤層厚4.5～5.4m。工作面布置如圖1。
(2)過斷層工藝
根據(jù)斷層產(chǎn)狀,與工作面走向成65～75°斜交,落差1.4～4.5m之間,斷層影響寬度70m左右。結(jié)合煤層厚度平均5.2m,支架支撐高度2.5～4.7m之間,以及斷層破碎帶30m寬,工作面上巷在斷層帶附近由里向外以4°傾角下降,決定采用俯仰斜回采過斷層法,如圖2所示。具體作法是:在工作面推進(jìn)到距斷層40m時(shí),采用沿煤層頂板以6°傾角俯斜回采,并逐漸降低采高;待推進(jìn)到距斷層線2m時(shí),再以7°傾角仰斜回采,并逐漸增大采高,減小仰斜角度,直至采出斷層帶,盡快消除上巷與上端頭的臺(tái)階。
斷層由下巷落差1.4m至上巷逐漸增大到4.5m。因此工作面機(jī)械設(shè)備要下落3.5m左右。為了確保上端頭及機(jī)尾的正常行人、通風(fēng),保證不發(fā)生冒頂事故,保證煤炭質(zhì)量,采取了安全技術(shù)措施。
① 在距上端頭20m范圍內(nèi),支木套棚和機(jī)尾支架頂梁搭接,護(hù)好破碎頂板。在工作面距斷層10m(以6°傾角逐漸向下俯采)時(shí),架設(shè)木垛棚支護(hù)好頂板,直至通過斷層帶。
② 在過斷層期間全部實(shí)行擦頂帶壓移架,且前梁緊頂煤壁,盡量縮小梁端距,防止片幫冒頂。
③ 為了控制住頂板,盡量少破頂,在保證支架良好的受力狀態(tài)情況下,使采高控制在最低限度內(nèi)。
④ 采煤機(jī)在割煤時(shí),先割底刀,后割上刀。割后及時(shí)移超前架,嚴(yán)禁大面積空頂。
⑤ 加強(qiáng)通風(fēng)管理,防止上端頭瓦斯聚積;在機(jī)頭處掛擋風(fēng)簾,在支架間噴灑阻化劑和機(jī)尾隨采隨灌漿等防火措施。
⑥ 當(dāng)工作面推進(jìn)到斷層落差較大的位置時(shí),由礦統(tǒng)一安排對(duì)煤矸進(jìn)行分裝分運(yùn),盡力減少對(duì)煤炭質(zhì)量的影響。
5)“三軟”4.5m厚煤層綜放開采過斷層
(1) 工作面概況
任樓煤礦7215工作面走向長(zhǎng)685～658m, 工作面長(zhǎng)150m,煤厚3.4～5.3m。煤層傾角16～19°。采高2.2m,放煤高度2.4m,煤質(zhì)松軟,f=0.9～1.6。采放比1∶1.1。選用ZFS4400/15.5/27C型低位放頂煤支架。直接頂為粉砂質(zhì)泥巖,厚0.8～9.6m,平均4.9m,單向抗壓強(qiáng)度為19.3MPa。老頂為中細(xì)砂巖、粉砂巖,厚7.1～13.7m,單向抗壓強(qiáng)度為127.4MPa。直接底為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖,含1～2層煤線,厚2.7m,單向抗壓強(qiáng)度為25.6MPa。屬較為典型的“三軟”煤層。
工作面內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育,有3組斷層:F3正斷層位于工作面南部,切眼外側(cè)。受此影響,切眼附近煤層變薄。FX6正斷層位于工作面北側(cè),其產(chǎn)狀:170°～190°<70°,H=4.8～7.5m,可不跨采。FX8斷層組共發(fā)育4條斷層,其中以FX8為主,位于工作面中部,對(duì)工作面的回采影響較大。其產(chǎn)狀:
FX8-1:183°<70～90°,H=2.4m;
FX8-2:350°<80°,H=1.3m;
FX8-3:170°<66°,H=1.8m;
FX8:160°<40°,H=3～6m。
工作面布置及構(gòu)造如圖1所示。
回采過FX8斷層組有兩種方案:其一為重開切眼,跳采,其二為直接過斷層。重開切眼,綜采支架搬家—跳采—搬家,至少須投入資金100萬元,而且丟失斷層兩盤三角煤13萬t,同時(shí)加大了該礦綜放工作面接續(xù)的難度。若不跳采,在推進(jìn)到FX8而沒接觸到FX8-1、FX8-2、FX8-3組合斷層前,斷層落差小于煤厚,通過提架、縮小采高,減少破矸量。推進(jìn)到組合斷層后,累計(jì)落差大于6m,在工作面傾斜方向,破矸長(zhǎng)度15m左右,走向方向長(zhǎng)度約50m,破矸總量約1.5km3,可通過調(diào)整勞動(dòng)組合,放震動(dòng)炮,集中人工超前破巖,分裝分運(yùn)保證煤質(zhì)。為此,決定直接回采通過FX8斷層組。
(2)過斷層工藝
確定工作面仰角
工作面從上風(fēng)巷首先揭露FX8斷層,斷層落差3.0m,斷層處煤層在工作面推進(jìn)方向的前上方。通過計(jì)算,機(jī)尾爬坡點(diǎn)在距風(fēng)巷頂揭露的斷層前18m起按10°(即每刀抬100mm)提架爬坡,到斷層面時(shí),支架頂梁正好到斷層下盤煤層底板(見圖2)。
架長(zhǎng)梁超前支護(hù)頂板
綜放工作面支架上方為頂煤。受斷層應(yīng)力擠壓破壞及提支架爬坡、頂煤逐漸變薄的影響,煤壁易片幫、漏頂。因此,煤機(jī)割煤后要及時(shí)帶壓擦頂移架,一次到位,端面距小于300mm。為防止頂板沿煤壁斷開,頂板超前破碎,且隨工作面推進(jìn),頂煤逐漸變薄,易冒頂。為此,在距斷層面5m時(shí)人工超前管理頂板,用Φ200mm×1.4m的半圓木打挑棚,一頭搭在前梁,另一頭用單體支撐,上方用撞楔、笆片背嚴(yán),防止冒頂。在過斷層遇頂板特別破碎時(shí),斷層上盤20m范圍內(nèi)的頂煤易冒頂。應(yīng)在煤壁貼頂板處打超前孔,插入工字鋼,架設(shè)沿傾斜方向的長(zhǎng)梁以控制頂板,使支架接頂嚴(yán)實(shí)(見圖3)。
調(diào)整支架和輸送機(jī)
工作面每推進(jìn)1m,斷層點(diǎn)沿工作面下移0.84m,如不及時(shí)提架,就會(huì)造成多破斷層下盤底板的巖石。為此,以斷層在煤壁的位置為基準(zhǔn),斷層帶附近斷層下盤支架和輸送機(jī)底板盡量不破底板巖石。斷層上盤30m范圍內(nèi)按每刀150～200mm的速度提輸送機(jī)和支架。往機(jī)頭方向30m范圍內(nèi)提輸送機(jī)丟底留頂,盡可能減少破巖量(見圖4)。
6)綜采過斷層化學(xué)加固
(2) 化學(xué)加固材料
聚氨醋材料是比較理想的井下注漿加固材料。它具有
粘度適中，凝膠時(shí)間可調(diào)、粘結(jié)強(qiáng)度較高，可產(chǎn)生二次發(fā)泡壓力，塑性好、性能穩(wěn)定等待點(diǎn)。國(guó)外如德國(guó)、日本、俄羅斯等也廣泛使用該材料。
聚氨醋是聚氨基甲酸醋的簡(jiǎn)稱，它是由多異氰酸醋和多元醇反應(yīng)生成的。
硬質(zhì)聚氨醋泡沫塑料是多異氰酸酪與多元醇按1:11比例均勻混合，首先由多異氰酸醋和水反應(yīng)生成二氧化碳或由于外發(fā)泡劑因受熱反應(yīng)而突然氣化，當(dāng)氣體濃度超過平衡飽合濃度后，溶液中即開始形成微細(xì)的氣泡，然后體積增大，很快形成聚氨醋泡沫塑料。
(3)化學(xué)加固設(shè)備及工藝
液動(dòng)泵主要應(yīng)用于有乳化液系統(tǒng)附近的施工地點(diǎn)，風(fēng)動(dòng)泵主要用于巷道，井筒等地，電動(dòng)泵幾乎可應(yīng)用于井下的任何地點(diǎn)。
化學(xué)加固是利用一定的設(shè)備及工藝將化學(xué)注漿材料后注到松散的煤巖體中，漿液滲透到煤巖體的裂隙中去，凝固后將松散的煤巖體加固成一個(gè)有機(jī)的整體。但采用化學(xué)加固煤巖體并不能使已受破壞的巖層組織恢復(fù)到末破壞前的程度，而只是提高那些由于受到采動(dòng)壓力影響的巖塊之間的相互摩擦粘接作用，以而阻止較大巖塊垮落。
(4)試驗(yàn)工作面概況
石咀山礦務(wù)局二礦2266綜放面走向長(zhǎng)706m，工作面長(zhǎng)137m，煤層傾角18050‘，煤厚4.3～5.6m，平均4.71m，頂板為2266二分層采空區(qū)，底板為8.67m細(xì)砂巖?；夭汕胺接袃蓷l與其相交的正斷層 (見圖1),F2210，F(xiàn)2211，走向S1O0E，傾向NE，F(xiàn)2210落差0.15～0.9m，上部落差大;F2211落差0.9～2.Om，下部落差大，斷層處剩余煤厚最小為3m，最大為3.8m，因此，采用常規(guī)方法過斷層是非常困難的，決定采用化學(xué)加固技術(shù)加固斷層破碎帶。
(5) F2211斷層帶加固施工情況
對(duì)二礦提出的綜放、綜采、炮采三個(gè)方案進(jìn)行了對(duì)比論證，最后決定采用綜放強(qiáng)行通過斷層，并加強(qiáng)了三條技術(shù)措施:
調(diào)整支架工作狀態(tài)，準(zhǔn)備爬坡;
沿?cái)鄬用骈_掘一條施工巷，超前處理破碎頂板及煤幫;
在斷層巷中采用化學(xué)加固，為了斷層線兩側(cè)破碎頂板及片幫煤壁能保障工作面順利通過。F2211斷層剖面見圖2。
鉆孔布置參數(shù)主要包括鉆孔位置、孔徑、孔深、鉆孔角度、孔間距等。鉆孔布置見圖3。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀纂分析及注漿施工，沿巷道頂郡每隔2.5m布置一鉆孔，共27個(gè)孔，孔深1.5m,φ43mm,平均傾角650。
沿巷道左上方平均間距2.5m布置一鉆孔，共26個(gè)孔，孔深2m，φ43mm，平均傾角300。離巷道開口23m處，在巷道腰部每隔5m布置一近水平鉆孔，共7個(gè)孔。
注漿參數(shù)主要包括每孔注漿量，注漿壓力，注漿時(shí)間，滲透半徑等。
由于巷道頂部比較破碎、裂隙發(fā)育、所以頂部鉆孔注液量較大。27個(gè)孔共注液2050kg，平均每孔76kg，最大為30Okg，最小為2Okg。平均注漿壓力為6.1MPa。最大為12MPa.最小2MPa。
由于左幫是靠近工作面的實(shí)體煤，故布置在巷道左上方的鉆孔注漿量較頂部鉆孔少。26個(gè)孔共注液1330kg，平均每孔51kg，最大160kg，最小10kg。平均注漿壓力為4.5MPa，最大lOMPa，最小0.6MPa。
由于煤層中己注人了一定量的聚氨醋材料，在巷道左幫中部的7個(gè)孔注液量均較小，共注液95kg，平均每孔13·5 kg，最大為40 kg，最小為10 kg。·各孔注漿壓力均為6MPa。
漿液在巖體裂隙中擴(kuò)散凝結(jié)后，能起到加固作用的范圍稱為擴(kuò)散半徑。在實(shí)際施工中，漿液在巖石裂隙中的擴(kuò)散是不規(guī)則的，即各個(gè)方向上漿液擴(kuò)散距離不同，所以很難準(zhǔn)確確定。漿液擴(kuò)散半徑隨巖體滲透系數(shù)、裂隙寬度、注漿壓力和壓注時(shí)間的增加而增大，隨濃度和粘度的增加而減少。根據(jù)多次施工實(shí)踐統(tǒng)計(jì)，聚氨醋材料在煤體中的滲透半徑為2m左右。
(6) 加固效果
斷層施工巷的整體看，經(jīng)過加固后，片幫得到控制，工作面超前壓力增大時(shí)，巷道內(nèi)有的木支架被壓斷·頂煤位移加大，最大達(dá)300mm，但頂煤在聚氨醋材料粘結(jié)下膠結(jié)牢固，只有塑性變形而無垮落現(xiàn)象。
