掘进面过断层围岩控制技术研究.pdf

2023 年第 11 期2023 年 11 月煤矿开采的环节非常多，包括煤炭的采掘、运输、洗煤等，这些环节之间都有一定的联系，而且环环相扣，其中最重要的环节就是煤矿的采掘过程，这个过程不仅决定着煤炭的生产效率，还直接决定着煤矿运行环境的安全性、可靠性等。煤矿在掘进的过程中可能会遇到断层区域，为了有效提高煤矿开采的安全，避免施工人员的生命安全受到威胁，需要做好顶板控制或围岩控制等工作，因为在掘进时断层区域的煤层、岩层、顶板等受到一些因素影响而发生变化，在没有预防的情况下极有可能发生坍塌等事故，一旦发生这些事故，不仅会降低煤矿的生产效率、质量等，还有可能有伤亡情况发生，严重制约了煤矿的发展，给煤矿企业带来的经济损失是无法预估的。因此，需要借助先进的设备和技术，提高掘进面过断层围岩控制技术，并且不断创新和改善，促使中国的煤炭行业发展更好。1掘进工作面过断层概述1.1平巷过断层通常情况下，如果在对水平巷道进行掘进时发现有煤层突然消失不见，煤矿会把这样的情况称为有断层的存在。此时就要分 2 种情况进行深入分析并采取相应的措施。1)若利用矿压监测技术发现该断层区域的岩石压力都比较小，而且通过一些设备和技术勘测水文地质及瓦斯含量得知对开采的影响不大时，可以继续沿着当前的断层路线进行采煤。2)若借助矿压监测等技术得出该区域的岩石力学性质是比较复杂、波动比较大，无法预测其压力时，而且地下水含量及瓦斯的含量都相对比较高时1，就不能再继续推进，需要改到另一个岩层进行采掘。1.2倾斜巷过断层在对倾斜巷过断层的过程中，一般情况下消失的煤层会通过改变原有的掘进坡度来寻找，但是在寻找的过程中也需要进行综合考虑分析，可以通过 2 个方面进行探究。一方面是断层的落差比较大，可以借助断层的石门到达另一个煤层区域，这样在某种程度上是可以将煤炭资源的利用率提高；另一方面就是断层的落差相对较小，需要借助一些手段勘察煤层，例如常见的卧底或挑顶等方法2。1.3过大断层煤矿在掘进的过程中，遇到的工作面极有可能是较大的断层，并且断层的结构是相对松散的，此时就得通过一些能够稳固围岩的手段进行有效加固，一般会有注浆、锚网等，这样才能为后续的工作提供保障。收稿日期：2023-02-27作者简介：柴成梁袁 1993 年生袁 男袁 山西山阴人袁 助理工程师袁 主要从事煤矿掘进管理相关工作遥掘进面过断层围岩控制技术研究柴成梁（山西华阳集团新能股份有限公司二矿，山西 阳泉 045000）摘要：煤矿掘进工作面过断层工作非常重要袁 直接关乎采掘的安全性遥 主要研究的是掘进面过断层围岩控制技术袁分析了过断层的方法遥 结合实际情况需要对断层区围岩进行有效控制袁 从而进一步提高围岩的稳定性袁 过断层围岩控制技术种类较多袁 可以结合多种形式的支护方式袁 使断层掘进面的稳定性尧 安全性有所保障遥关键词：掘进工作面曰 过断层曰 围岩控制技术中图分类号：TD353文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)11-0120-03Surrounding Rock Control Technology Passing through Faults in Driving FaceCHAI Chengliang(No.2 Coal Mine,Shanxi Huayang Group New Energy Co.,Ltd.,Yangquan 045000,Shanxi,China)Abstract:The work of passing through faults in coal mine driving faces is very important,which directly affects the safety ofmining.This paper mainly studied the control technology of surrounding rock passing through faults in the driving face,andanalyzed the methods of passing through faults.Based on the actual situation,effective control of the surrounding rock in the faultarea is necessary to further improve the stability of the surrounding rock.There are many types of control technologies for thesurrounding rock passing through faults,which can be combined with various forms of support methods to ensure the stability andsafety of the driving face passing through faults.Key words:driving face;passing through fault;surrounding rock control technology（总第 218 期）技术研究1202023 年 11 月2023 年第 11 期2掘进工作面过断层常用方法2.1跳采法掘进工作面过断层的方法比较多，其中跳采法是一种相对较为简单的方式，也就是在掘进中遇到断层区域时采取直接跳过断层区域的方法，图 1 为跳采法示意图。此方法在应用的过程中需要另开切眼，将工作面搬到另一个区域，从而可以极大地减少因开采断层而带来的安全事故，确保采掘环境的安全稳定性。这种方式虽然简单，但其不足之处就是需要投入的成本较高，因为要重新开一个巷道，建立新的供电、通风、排水等系统3，同时管理工作难度也随之加大。采用这种方法一般是在断层落差极大的情况下，不适用于断层落差较小的区域。图 1跳采法示意图2.2平推硬过法如果煤矿企业在过断层想选择一条比较经济的方式就可以使用平推硬过法，此方法主要通过对采煤机的切割角度进行调整，从而达到过断层的目的，图 2 为平推硬过法示意图。平推硬过法在使用时不需要调整回采顺序，整个过程的施工工作量比较小，和正常掘进差别不大。不过这种方法会对采煤机造成严重的磨损，因为采煤机需要切割岩石，会对截齿造成损害。在这种情况下，对液压支架进行调整时相对困难，一旦操作失误就有可能造成支架滑倒等故障，给开采进度造成一定的困扰4。平推硬过法适用于断层落差比较小的区域。3巷道围岩特征分析3.1钻探分析在进行煤层开采的过程中，了解巷道围岩特征是非常有必要的，一般情况下，会在掘进工作面钻孔，这样可以达到对断层超前探测的目的。通常钻孔深度要根据实际情况决定，将钻孔设置在巷道右侧帮部，而且要和底板间隔一定的距离，与水平面有夹角，这些都可以根据实际情况进行调整。3.2围岩力学参数分析为了掌握过断层围岩的具体情况，一般会利用各种手段测试岩石的物理力学性质，通过测试可以得知掘进工作面断层地方围岩结构的单轴抗压强度，能够发现吸水饱和后抗压强度会出现一定程度的降低。与此同时需要计算出岩石的内摩擦角、黏聚力等，由这些参数能够进一步了解断层处的岩石抗压强度、稳定性及需要的支护强度。注：H 为断层落差，L 为起坡点距断层的水平距离。图 2平推硬过法示意图4围岩失稳分析煤矿在掘进的过程中距离断层区越近越容易诱发巷道围岩变形，从而影响围岩的是稳定性，使其失稳的概率变大，而引发这些的主要原因有以下 3 个方面：1)构造应力。煤矿内各种断层形成的主要原因是地质运动，这既会增大断层内部的构造应力，也会使断层的自身结构变得复杂、多样，一般这种构造应力具有不稳定性，在实际开采的过程中严重地影响着围岩的稳定性。2)岩体岩性。部分煤矿在掘进遇到断层，其断层的掩体有可能是泥岩层，这类岩层的完整性非常差，而且能够看到很多的破碎区，同时还具备遇水膨胀的特点，这就增大了巷道顶板冒落的可能性，甚至会威胁到围岩的稳定性。3)支护方式。在过断层时支护技术非常重要，如果断层自身出现破碎情况比较严重，而且内部含有的构造应力十分巨大，那么只用单一的支护技术是远远不够的5，例如围岩的缝隙没有完全充满注浆液，锚杆未完全进入稳定岩层，这些都是造成围岩失稳的原因。5巷道过断层围岩控制技术分析为了进一步提高掘进工作面过断层的效率，确保采掘过程的安全，一般会采取一些措施进行加固，使围岩具有更好的稳定性5.1注浆支护技术对断层区域进行信息收集得知在构造应力的影响下，如果发现岩体是一种无规则成型状态，那么说明该围岩没有很好的承载能力，需要采用注浆支护的方式。该方式的原理就是先进行钻孔，再通过高压的形式将注浆材料注入。现阶段，煤矿中常用的注浆材料工作面开切眼断层推进方向起坡点底煤割底区推进方向L臆12毅顶煤割顶区H=2 3 m柴成梁：掘进面过断层围岩控制技术研究1212023 年第 11 期2023 年 11 月有水泥砂浆、马丽散、雷特因等，这些材料都有自身的优点和不足之处6。一般要求注浆材料具有一定的流动性和黏接性，这样才能够直接流入到岩体间裂隙区并凝固，从而提高断层岩石整体抗压强度。5.2撞锲支护技术撞楔支护也是一种被广泛应用的支护方式，这种支护技术适用于通过破碎岩体或软岩的区域。撞锲支护就是在掘进工作面的前方将撞锲钢管布置在煤岩体中，从而可以起到超前支护的作用，进一步稳固围岩，防止在后续的掘进中发生坍塌事故。对于掘进迎头设备一般可以根据煤矿的实际情况选择合适的规格再控制破碎煤岩体，同时在设置撞锲时需要具有科学合理的排距和间距，通常撞锲布置的位置在掘进巷道拱顶位置，可以很好地连接起永久支护和掘进巷道布置的撞锲尾部，从而加大撞锲围岩控制能力。5.3水力膨胀锚杆支护技术一般如果遇到的煤壁片帮比较严重，那么只利用单一传统锚杆支护技术不能起到很好的支护效果，不但支护失效率高，而且支护损耗也高。水力膨胀锚杆支护技术不同于传统的螺纹钢锚杆或玻璃钢，其锚杆侧旁的结构设置成扩张凹槽，在锚杆支护之后需要通过高压的形式将水注入锚杆体内。锚杆扩张凹槽会在高水压力的作用下发生膨胀，并且在膨胀时有 2 个很好的作用：1)将锚杆杆体的体积增大，进而加强锚杆支护的效果；2)钻孔壁煤岩体会因锚杆膨胀而受到一定的挤压作用7，从而可以防止煤岩体裂隙发生扩张。图 3 为水力膨胀锚杆结构及支护技术原理图。图 3水力膨胀锚杆结构及支护技术原理图5.4人工假顶支护技术支架前方一旦出现顶板局部冒漏，而且冒漏程度比较大，就很容易造成冒漏区域顶板稳定性不好的情况，进而会再次诱发冒漏事故或者出现瓦斯积聚的现象，在这种情况下，一般会使用人工假顶支护技术。该支护技术首先要利用锚索在冒漏区范围的工作面倾向方向设置 2 排单锚索，每排设置的锚索数量、锚索排距、间距等可根据实际情况而定，同时锚索设置之后需要控制外露长度。其次，需要将工字钢梁安装在2 排锚索外露端，并且与顶板有一定的距离，这样可以确保钢梁面齐平。最后就是需要将金属网铺设在吊棚上方，利用道木和防水油布设置成木垛，所使用的道木长度需要具体测量，吊棚上方设计木垛的工作完成后需要再次确定与冒漏区顶板接触严实。图 4 为工作面冒漏区人工假顶平面示意图。图 4工作面冒漏区人工假顶平面示意图5.5超前管棚支护技术受到断层的影响，掘进工作面的煤柱支撑强度会降低，使得煤柱内有裂隙带产生，进而严重破坏煤柱的力学结构，造成事故发生。与此同时，因应力之间具有一定的传递能力，煤柱前方的应力也有可能受到破坏，使得围岩出现超前破坏的现象。在实际掘进时，如果支架不能够起到超前支护的作用，那么顶板、煤柱等都有可能破碎、坍塌。基于以上原因，企业需要在掘进工作面的断层区使用超前管棚支护技术进行支护8。该技术利用管棚、钢针等支护，支护体在煤岩内具有梁效应支护的作用，从而可以控制构造应力，防止有超前破坏的情况，最大程度地降低了顶板破碎、煤柱片帮的概率，为安全采掘提供保障。6结束语综上所述，煤矿断层是一种比较常见的地质构造形式，由于断层区域围岩具有复杂性、不确定性，给施工带来一定的困难，因此，煤矿企业需要采取相应的支护措施进行加固，使围岩具有很好的稳定性，为掘进工作打好基石，进一步促进煤炭行业安全、稳定的发展。参考文献：1 蒋峰.综采工作面过断层顶板控制技术研究 J.中国石油和化工标准与质量，2022，42(18)：154-156.(a)水力膨胀锚杆膨胀前支护原理(b)水力膨胀锚杆膨胀后支护原理(c)水力膨胀锚杆结构槽钢锁具工字钢梁钢筋网罗克休膨胀剂道木顶板冒漏区金属网锚索水力膨胀锚杆水力膨胀锚杆钻孔钻孔岩体裂隙岩体裂隙收缩固定骨架杆件挡圈杆件端套注浆嘴玻璃钢托盘（下转第 133 页）1222023 年 11 月2023 年第 11 期2 郭忍.顶板淋水巷道过断层时围岩控制技术研究 J.山西冶金，2022，45(4)：153-154.3 程岩.综采工作面过断层时的顶板控制技术 J.当代化工研究，2021(15)：107-108.4 管帮军.掘进巷道过断层破碎带围岩控制技术 J.山东煤炭科技，2020，38(1)：22-23.5 郜陶陶.掘进工作面过断层围岩控制技术分析与应用 J.山东煤炭科技，2021，39(1)：25-27.6 王黎辉.巷道掘进过断层围岩控制探究 J.能源与节能，2021(4)：23-24.7 张丽峰.回采巷道掘进过断层围岩控制技术探讨 J.江西煤炭科技，2021(1)：70-73.8 李茹俊.综采工作面过断层围岩控制技术研究 J.煤，2020，29(12)：84-86.（编辑：郭赛珠）注：1#，2#，3#为卸压钻孔编号。图 4工作面卸压方式示意图5.1.2过集中煤柱时从工作面回采范围进入上覆集中煤柱正下方，至工作面推采出上覆集中煤柱范围，期间监测到微震事件主要分布于工作面前方 303 m 至工作面后方 968 m。5.1.3出集中煤柱后从工作面回采至出上覆集中煤柱 51.8 m，至当前回采位置的微震事件和能量的对比中可以得知，当上覆集中煤柱在工作面频繁出现时，微震事件增多，顶板活动则表现出在采后工作面相对活跃的情形。顶板在综放工作面过上覆集中煤柱后，迅速出现失稳回转，虽然下工作面的顶板有能量释放的现象，但是工作面顶板未完全垮落，在此期间微震事件更为活跃，直至顶板在工作面出集中煤柱后逐渐完成垮落。工作面应力、矿压动载在过上覆集中煤柱期间更为明显，但微破断过程略滞后于工作面采动。5.2应力监测分析（巷道变形监测）为了验证微震监测结果，在围岩中嵌入高精度应力传感器，实时监测采矿围岩近场系统中集中静载荷的集中和变化。为了实现对上覆煤柱的区域应力监测，在辅助运输巷割眼附近安装 2 组煤体应力计。比较正常开采段主巷道附近的超前支承压力。上覆煤柱应力峰值距离工作面 7 m，巷道靠近工作面可以有效提高工作面采煤效率。主巷和副巷围岩应力增大，稳定性较弱，发生相对活跃的微震事件。工作面煤壁前方 1050 m 是应力计监测区内开采的重要影响范围。与正常开采段的应力相比，在上覆集中煤柱的影响下，矿压显现影响距离更长，应力向煤体的传递也比正常开采段更快。深层煤中的应力更加强烈，微震事件呈现出更加活跃的趋势7-8。6结束语综放工作面端面顶煤的稳定性直接影响着煤壁的稳定性，支架护帮板水平推力、割煤高度直接影响着综放工作面煤壁的变形和破坏程度，另外综放工作面煤壁的稳定性也影响端面顶煤的稳定性，工作面的长度、推进速度和俯仰斜开采角度，也极大地影响着综放工作面煤壁和端面顶煤的稳定性。因此，在综放工作面实际生产过程中，不仅可以采用适当降低割煤高度、提高支架初撑力的措施提高大采高综放工作面煤壁的稳定性，还可以通过探明矿压规律、提高支护强度、减小空顶距等方式完善综放工作面的生产技术措施，从而大大提高综放工作面煤壁的稳定性。参考文献：1 胡旭东，郝建新.塔山煤矿上覆煤层遗留煤柱水力致裂卸压技术应用实践 J.山东煤炭科技，2021，39(1)：161-164.2 万新通，张少平，杨正伟.深埋综放工作面出集中煤柱矿压规律及防治技术 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