闫永青
(长春兴煤业有限公司,山西 大同 037101)
断层是回采工作面常见地质构造,不仅会破坏回采煤层整体稳定性,而且会导致断层两盘煤体出现空间位移[1]。断层增加了工作面回采难度,降低了工作面煤柱回采率[2-6]。
综采工作面常用机械强行破岩法过断层,既无需对工作面回采角度进行调整,又便于工作面机械设备安全管理。但当工作面断层落差较大且揭露岩体硬度高时,采用强行破岩法过断层不仅降低了工作面回采效率,增加了采煤机、刮板输送机等设备故障率[7-8],而且煤柱损失量大,不利于工作面安全高效回采。
为提高工作面过断层期间的回采率、降低综采设备的故障率,现以长春兴煤矿103工作面为例,对工作面过F2断层期间的回采工艺进行优化,并采取合理有效的支护技术。
长春兴煤业有限公司103工作面位于井田北盘区东翼,工作面沿煤层走向呈东西布置。工作面北部为105工作面,东部为井田边界,南部为101采空区,西部为北盘区大巷(北盘区回风巷道、胶带巷、运输巷),如图1所示。
图1 103工作面平面布置
103工作面设计走向长度为1 200 m,倾向长度为185 m。工作面回采煤层为22#层,煤层平均厚度为9.5 m,平均倾角为2°,煤层存在伪顶,主要以砂质泥岩为主,平均厚度为0.25 m,岩体成黑灰色,泥岩结构,岩体单轴抗压强度不足20 MPa,岩体随采随落;直接顶主要以粗砂岩、中粒砂岩混合岩体为主,平均厚度为14.44 m,岩体成浅灰色,成分以石英为主,长石次之,分选差,岩体硬度高,基本顶主要以细、中、粗粒砂岩为主,平均厚度为22.61 m。
103工作面采用MG500/1180-WD型双滚筒电牵引采煤机落煤和装煤,SGZ1000/1400、SGZ1200/1400型刮板运输机运煤,ZF13000/25/38型液压支架维护工作面顶板,平均采高为3.5 m,采煤机机身高度2.24 m,支架行程在2.5~3.8 m,工作面采用综合放顶煤回采工艺,机采高度定在3.5 m,放煤高度为6.0 m。
103工作面地质条件复杂,地质构造主要以中小型断层为主,工作面在前500 m回采过程中共计揭露4条正断层,断层平均落差为1.4 m,平均倾角为52°。断层对工作面推进影响长度不足30 m,在前期回采过程中主要采用强行破岩法过断层。工作面回采至527 m处,在工作面尾部将揭露F2正断层,其落差为2.1 m,倾角为55°。通过钻探资料发现,F2断层影响工作面推进长度达49 m,断层导致上盘煤层下降,现场观察发现,工作面揭露F2断层后从130#~95#支架之间煤壁岩体厚度达2.0 m,岩体主要以灰白色粗砂岩为主,如图2所示。
图2 103工作面俯斜回采平、剖面
工作面前期采用采煤机强行破岩过F2断层,由于断层处岩体硬度高,岩体单轴抗压强度达50 MPa,导致工作面前期强行破岩时,采煤机损坏严重,主要表现在采煤机截齿磨损严重,前期共计更换59个截齿,截割部负荷大,截割电机烧毁一台,造成经济损失57.2万元。
采用强行破岩法过F2断层时,上盘底部煤层随着工作面推进被甩入采空区内,造成工作面内采空区遗煤量大。2020年2月11日夜班工作面揭露断层,2月14日早班采空区内CO浓度上升至0.000 8%,2月16日夜班采空区内CO浓度上升至0.001 3%,采空区内出现煤层自燃征兆。从采空区有害气体监测结果分析,由于工作面过断层采空区遗煤量大、推进速度慢,有引发采空区煤层自然发火可能。
针对强行机械破岩造成的采煤机损坏严重、采空区遗煤量大、工作面推进速度慢等问题,为了提高工作面回采效率,减少破岩量,决定采用俯斜法过断层,优化回采工艺。
(1)在进行俯斜回采前将工作面内浮煤清理干净,及时调整工作面成伪斜,并用采煤机将87#~130#支架前方煤壁岩体扫平、扫直,然后将采煤机移回至机头处。
(2)采煤机由机头斜切进刀进行割煤,当采煤机回采至87#支架时,采煤机前滚筒以10°俯角下山破煤,下山破岩高度为2.5 m,上滚筒破顶煤保证工作面回采高度达3.5 m。
(3)当工作面下山回采至95#支架前方时,进入断层上盘煤层,此时应及时调整采煤机回采角度,沿煤层底板进行回采,如图2所示。工作面在俯斜回采时需预留断层下盘顶煤,为了防止顶煤垮落,俯斜回采期间采用分段带压擦顶移架。
为了防止俯斜回采段顶煤出现破碎垮落现象,提高工作面俯斜回采期间液压支架支护效果,决定对俯斜段顶板采取“迈步式锚索梁棚+超前管棚”联合支护技术。
工作面在过断层期间受断层应力影响,煤壁出现片帮、顶板出现破碎现象,导致断层区支架不接顶或初撑力、工作阻力达不到设计值,所以决定对俯斜段顶板施工迈步式锚索梁棚。
(1)每架锚索梁棚主要由一根长度为3.5 m,宽度为0.12 m工字钢梁以及两根长度为4.5 m,直径为17.8 mm锚索组成,工字钢梁上布置两个锚索支护孔间距为1.75 m(液压支架宽度);锚索梁棚布置在俯斜回采段顶板上,梁棚与液压支架前探梁平行布置,如图4所示。
(2)第一排锚索梁棚布置在距前探梁0.3 m处,锚索梁棚在施工时两根锚索施工在相邻两架支架之间,锚索吊棚布置排距为1.5 m,相邻两排锚索吊棚成迈步式布置。
(3)为了提高锚索吊棚抗压能力,防止锚索吊棚出现变形现象,锚索吊棚预紧时在锁具与吊棚之间安装一个恒阻让压器,恒阻让压器长度0.3 m,让压长度为0.15 m,确保锚索吊棚施工后能够与蠕动变形顶板实现耦合支护目的。
由于工作面在俯斜回采时受断层构造应力影响,断层区前方煤壁出现应力超前破坏区,导致采煤机回采时,出现大块煤矸垮落,不仅设备损坏严重,而且很容易出现伤人事故,所以决定对俯斜段顶板施工超前管棚支护。
(1)超前管棚支护结构:103工作面俯斜段顶板施工的每根超前管棚支护体长度为2.9 m,直径为45 mm,孔壁厚度为8 mm,由中空无缝钢管焊制而成,中部孔直径为29 mm。每根超前管棚支护体由两节组成,每节长度为1.5 m,两节间采用丝扣连接,连接长度为0.1 m;其中位于孔底段呈削尖状,如图3所示。
图3 支护结构截面
(2)支护工艺:①首先在工作面俯斜段顶板布置一排超前支护孔(布置在87#~97#支架之间),支护孔深度为2.5 m,钻孔直径为50 mm,钻孔垂直煤壁布置,钻孔布置间距为1.0 m,共计布置18个支护孔。②支护孔施工完后插入超前支护体,相邻两排支护体布置排距为2.0 m,且两排支护体成交错式布置。
当工作面过断层期间围岩破碎严重时,特别是煤壁片帮或顶板破碎严重,采用锚索棚无法有效控制时,需对煤壁和顶板采取注浆加固及施工玻璃钢锚杆支护。
(1)注浆加固:当顶板破碎严重时需对顶板进行注浆加固,注浆孔布置在煤壁上,距顶板间距为1.5 m,钻孔深度为5.0 m,直径为50 mm,钻孔仰角为45°,钻孔终孔位置必须位于直接顶内。注浆钻孔施工完后采用马丽散、聚氨酯或固特异等有机注浆材料进行注浆加固;岩体注浆加固后可提高围岩力学结构,以及围岩单轴抗压强度[9-10]。
(2)玻璃钢锚杆支护:为了控制煤壁防止片帮事故,可对煤壁施工两排玻璃钢锚杆,玻璃钢锚杆长度为2.0 m,直径为28 mm,两排玻璃钢锚杆布置间距为2.0 m,布置排距为1.5 m,第一排布置在距顶板0.5 m处煤壁上,两排玻璃钢锚杆迈步式布置,如图4所示。
图4 103工作面俯斜段顶板支护断面
统计结果表明,103综采面采取俯斜回采工艺过F2断层,工作面破岩量减少了3 177 m3,底煤回收量增加0.012 Mt,增加效益962万元,采煤机截齿磨损量共计7个,未发生采煤机截割电机、液压马达损坏事故,减少了设备维修费用50余万元。
图5 俯斜回采后工作面CO浓度、支架工作阻力、围岩变化量曲线
103工作面采用俯斜回采工艺后,减少了采空区遗煤量,工作面推进速度较强行破岩法更快,通过工作面采空区束管监测系统数据表明,从2020年2月20日开始采空区内CO浓度呈下降趋势,2月26日后采空区内CO浓度下降为0.000 5%,采空区内CO浓度趋于稳定,如图5所示。
103工作面俯斜区顶板及煤壁采取联合控制技术后,俯斜回采过程中未出现严重顶板破碎、煤壁片帮现象。现场监测,俯斜回采过程中顶板下沉量控制在0.16 m以下,工作面液压支架过俯斜区时支架初撑力、工作阻力达95%以上;煤壁片帮深度控制在0.6 m以下,工作面在俯斜区回采速度达4.3 m/d,如图5所示。
103综采面采取俯斜回采工艺过F2断层及煤壁采取联合控制技术,与原强行破岩法相比,取得了很好的安全和经济效益:
1)103工作面过F2断层采用俯斜工艺及煤壁采取联合控制技术后,回采过程中顶板下沉量控制在0.16 m以下,工作面液压支架过俯斜区时支架初撑力、工作阻力达95%以上;煤壁片帮深度控制在0.6 m以下。
2)103工作面过F2断层采用俯斜工艺及煤壁采取联合控制技术,工作面在俯斜区回采速度较快,达4.3 m/d;减少了采空区遗煤量,煤柱回收率提高了5%,消除了工作面采空区遗煤自燃的安全隐患。
3)103综采面采取俯斜回采工艺过F2断层及煤壁采取联合控制技术后,工作面破岩量减少了3 177 m3,底煤回收量增加0.012 Mt,增加效益962万元;采煤机等设备事故率大幅度降低,减少了设备维修费用50余万元。