陳澤罡
(晉能控股煤業(yè)集團白洞礦業(yè)公司,山西 大同 037031)
斷層侵入回采煤層后造成斷層兩盤煤體出現(xiàn)空間上位移,工作面在過斷層期間若不采取合理有效的回采工藝,不僅增加了工作面破巖量,降低煤炭回采率,而且會增加設(shè)備故障率,降低工作面回采效率。同時,受斷層影響,斷層帶附近煤體穩(wěn)定性差、破碎嚴重,工作面過斷層時如不對頂板采取合理有效的控制技術(shù),很容易出現(xiàn)支架壓死、端面頂板垮落事故,威脅工作面安全高效回采。本文以白洞礦8119工作面為研究對象,對工作面過F7斷層提出了仰斜上山回采工藝,并對其頂板采取聯(lián)合控制技術(shù)[1-5],確保工作面安全快速過斷層帶。
晉能控股煤業(yè)集團白洞礦業(yè)公司8119工作面位于C5#煤層301盤區(qū)南部右翼,工作面南部為實煤區(qū),東部為本盤區(qū)回風(fēng)、材料、皮帶巷,西部靠近礦界煤柱與塔山井田相鄰。2119巷南部為實煤區(qū),5119巷北部與301盤區(qū)西部8105、8107面采空區(qū)相鄰,煤柱寬度為8 m。
8119工作面走向長度為1724 m,傾向長度為121 m。工作面回采的石炭系5#煤層,平均厚度為7.95 m,平均傾角為3°。煤層基本為一單斜構(gòu)造,走向近于 E-W,向北傾斜。煤層普遍有3~8層夾石,夾石厚一般為0.10~0.30 m,局部達到0.70 m,夾石斷斷續(xù)續(xù),不穩(wěn)定。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。
表1 8119工作面5#煤層頂?shù)装鍘r性匯總表
8119工作面采用綜合機械化低位放頂煤回采工藝,采煤高度為3.2 m,放煤高度為4.65 m。截至2021年4月19日工作面已回采450 m,工作面回采至436 m處時,位于工作面中部(42#~87#支架之間)煤壁揭露F7斷層,斷層落差為2.1 m,傾角為44°。斷層面位于42#~45#支架前方,其中42#~87#支架前方煤壁為斷層上盤,出現(xiàn)大面積巖體,以灰白色粉砂巖為主。通過在45#、55#、65#、75#支架前方煤壁施工長度為70 m探孔發(fā)現(xiàn),F(xiàn)7斷層對工作面回采影響長度為54 m。
8119工作面揭露F7斷層后的初期,采用強行破巖法回采工藝,在1#~42#支架前方煤壁采煤機斜切進刀后前滾筒割煤、后滾筒掃底煤進行回采,當采煤機推進至42#支架時,采用前后滾筒交替往返割煤工藝,即前滾筒破巖深度為0.4 m,后滾筒二次破巖。破巖后采煤機退后至42#支架處進行出煤矸,往返割煤直至破巖深度達0.8 m為一個循環(huán)。
8119工作面采用強行破巖法過斷層時,采煤機破巖量大,通過實際計算,工作面強行破巖時破巖量達2450 m3,煤柱損失量達0.89萬t,不僅降低了工作面經(jīng)濟效益,而且導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)遺煤量大,很容易造成采空區(qū)煤層自燃,不利于采空區(qū)安全管理。同時,由于斷層揭露的巖體硬度高,單軸抗壓強度為48 MPa,采用采煤機強行破巖時,采煤機截割部負荷大,截齒磨損嚴重。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),工作面回采前期共計磨損67個截齒,截割電機燒毀一臺,設(shè)備維修費用達49萬元。
為了加快工作面過斷層速度,減少采煤機破巖量,降低采煤機故障率,減少采空區(qū)遺煤量,通過研究決定采用仰斜回采工藝。
(1)8119工作面仰斜回采前,對工作面進行偽斜調(diào)整,保證工作面煤壁、刮板輸送機調(diào)平,并將工作面煤矸清理干凈,及時將支架移架到位。
(2)將采煤機移至機頭處斜切進刀并對三角煤柱進行回采,采煤機正?;夭芍辆鄶鄬?0 m處時調(diào)整采煤機割煤上山角,以7°仰角上山掘進,上山推進期間破上盤頂煤,留下盤底巖,如圖1。
圖1 8119工作面仰斜回采施工剖面示意圖(mm)
(3)當工作面仰斜回采30 m且完全進入下盤煤層底板后,再次調(diào)整采煤機回采角度進行近水平角度回采。工作面仰斜回采期間上滾筒往返割煤,下滾筒清煤。
(4)為了降低采煤機破巖期間故障率,仰斜回采過斷層下盤期間,對破巖厚度達0.8 m的巖體提前布置松動爆破孔進行爆破震動。松動爆破孔深度為0.8 m,間距為1.0 m,爆破孔內(nèi)填裝一支毫秒延期電雷管以及300 g礦用乳化炸藥,單次爆破孔數(shù)不得超過3個。
煤巖體內(nèi)部耦合控制技術(shù)是基于注漿與錨桿(索)聯(lián)合支護控制破碎圍巖,提高圍巖穩(wěn)定性,達到提高圍巖承載能力,防止圍巖垮落的目的。該支護技術(shù)在注漿加固、錨桿(索)預(yù)緊作用下,使加固圍巖內(nèi)部形成一個環(huán)狀承載圈;注漿時注漿液對圍巖松動圈進行粘接加固以及填充,改善圍巖力學(xué)性質(zhì),提高圍巖自身承載能力;采用錨桿(索)可將頂板及煤壁不穩(wěn)定巖體進行固定預(yù)緊,防止圍巖片幫、離層,約束圍巖變形區(qū)、塑性區(qū)發(fā)展。
(1)8119工作面仰斜回采過程中需破斷層上盤頂煤,現(xiàn)場發(fā)現(xiàn),仰斜期間32#~42#支架之間頂板破碎嚴重,支架支護效果差,最大端面距達1.5 m,煤壁片幫深度達1.2 m,在38#支架前方出現(xiàn)局部冒漏現(xiàn)象,所以32#~42#支架前方端面頂板為重點注漿加固區(qū)域。
(2)注漿鉆孔布置在32#~42#支架前方煤壁上,共計布置一排注漿鉆孔,鉆孔開口位置距離頂板1.0 m,鉆孔直徑為40 mm,深度為4.0 m,鉆孔仰角為50°,鉆孔布置間距為3.0 m,如圖2。鉆孔施工完后,依次對鉆孔進行注漿施工,注漿液為聚氨酯無機化學(xué)材料,注漿壓力為1.5 MPa。
圖2 8119工作面仰斜回采期間圍巖支護示意圖(mm)
對斷層區(qū)施工錨桿(索)可對不穩(wěn)定圍巖施加約束力,錨桿可對圍巖表層煤巖體進行控制,防止垮落,錨索可將松軟煤巖體固定在穩(wěn)定巖層上,從而形成一個穩(wěn)定、加固的承載圈。根據(jù)現(xiàn)場觀察,決定對8119工作面斷層區(qū)巷幫采用錨桿支護,頂板采用桁架錨索支護。
(1)煤壁錨桿支護。為便于后期采煤機割煤,斷層帶處煤壁采用玻璃鋼錨桿進行支護,錨桿長度為2.0 m,直徑為20 mm,錨桿外露端配套一塊直徑為15 mm玻璃鋼托盤;煤壁施工一排護幫支護,錨桿距頂板間距為1.5 m,錨桿間距為2.0 m。
(2)頂板桁架錨索支護。為控制頂板下沉,削弱應(yīng)力破壞作用,決定上山回采期間頂板施工桁架錨索支護。每組桁架錨索支護由兩根長度為4.3 m錨索、一根長度為0.5 m雙向張拉器以及兩根長度為1.5 m桁架拉桿組成。桁架錨索布置間距為1.5 m,布置排距為2.0 m。
(1)與傳統(tǒng)強行破巖工作面過斷層回采工藝相比,采用仰斜回采工藝時,減少了采煤機破巖量1900 m3,增加煤柱回采量0.74萬t,提高工作面經(jīng)濟效益700余萬元,后期采煤機截齒損壞僅11個,遠遠少于強行破巖工藝,也未出現(xiàn)采煤機電機、減速機燒毀事故,節(jié)約設(shè)備維修費用達28.7萬元。
(2)8119工作面仰斜回采期間頂板采取注漿、錨桿(索)耦合支護后,控制了煤壁片幫、端面頂板破碎現(xiàn)象,煤壁片幫深度最大0.4 m,端面距控制在0.6 m以下,未出現(xiàn)頂板嚴重破碎、頂板冒漏事故,液壓支架初撐力及工作阻力達95%以上。
白洞礦針對8119工作面前期過F7斷層期間設(shè)備故障情況、圍巖控制情況以及回采情況主要存在的問題,合理優(yōu)化過斷層回采工藝以及圍巖支護技術(shù),采用仰斜上山回采工藝后解決了傳統(tǒng)回采時破巖量大、設(shè)備故障率高以及回采效率低等難題。采用頂板聯(lián)合控制技術(shù)后,避免了仰斜回采過程中受回采應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力集中影響,導(dǎo)致煤壁片幫、頂板破碎現(xiàn)象,保證了工作面安全快速過斷層破碎區(qū),取得了顯著應(yīng)用成效。