矿井综采工作面安全高效过断层技术研究.pdf

2023年第11期西部探矿工程*收稿日期：2022-10-11作者简介：张云峰（1988-），男（汉族），山西晋城人，助理工程师，现从事采煤技术工作。矿井综采工作面安全高效过断层技术研究张云峰*（山西兰花集团莒山煤矿有限公司，山西 晋城 048000）摘要：为促进山西晋城兰花集团某矿22207工作面安全顺利的过F14、FS162断层，基于22207工作面过F14、FS162断层的工程概况，总结了综采工作面常用过断层方法，分析了这些过断层方法的主要特点与适用条件，结合这些过断层方法，研究了22207综采工作面安全、高效过断层技术，通过强化支护，改进优化采煤工艺以及进行预裂孔松动，22207工作面安全顺利地通过了F14、FS162断层，可为类似工况下的综采工作面安全高效过断层提供参考。关键词：综采工作面；过断层；方法；特点中图分类号：TD26 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)11-0172-04在科学技术不断发展的今天，由于地质结构的原因，煤矿综采工作面的高产高效生产受到了极大的限制。在我国大部分地区，由于煤层地质情况比较复杂，在回采过程中，经常会受到断层的影响，使其不能进行有效的回采。为了达到高效、高效益的生产效果，大多数矿井都采用了断层带连续开采技术，从而保证了矿井的正常生产。目前，我国常用的过断层法有：调高法、平推硬过法、调斜工作面法、采用振动炮法、导硐法、综和法等方法对顶板进行强化，化学加固应用也较为广泛。然而，以上的断层法都会影响到采场的生产，给生产带来很多的人身安全隐患，影响设备和施工1。本文以山西晋城兰花集团22207工作面过F14、FS162断层为工程实例，通过对综采工作面超断技术的深入探讨，采用强化支护、优化采煤工艺和预裂孔松散等综合防治技术，确保了采区在穿越断层期间的安全，并提高了采掘作业的采掘效果，为同类煤矿的采场过断层提供了参考。1工程概况山西晋城兰花集团22207综采工作面的倾角为411，平均为8，开采长度为420m，斜坡长为125m，开采高度为2.8m。采场采取了一次全高采煤工艺，即向长壁后退式综合机械化。采煤机选取的型号为MG250/600-WD，刮板输送机的型号为S6Z-764/630，液压支架采用的型号为ZZ5200/19.5/42。见表1。表1主要影响工作面的断层产状一览表构造F14FS162走向（）24974倾向（）339164倾角（）6060性质正正落差（m）2.56.0影响程度影响较大影响较大22207工作面在回采过程中相继发现了2个正断层，即FS162、F14。FS162断层在前部暴露后逐渐向工作面扩展，走向140m,F14是新发现的断层，并逐渐向工作面扩展2。由于割煤机很难切削坚硬的顶板，所以为了保证工作面的安全，一般采用上盘挑头，结合工作面的技术状况和断层的产状，采取了一种上盘挑顶、下盘振动炮法处理断层问题。如图1为工作面断层位置平面图，图2为工作面断层位置剖面图。2综采工作面过断层技术分析综采工作面的断层通过技术的实施，主要依赖于断层的高度差、煤层厚度和综采设备的作业高度的限制，也包括断层部位岩石硬度、工作面掘进方向、煤层倾角、断层区断层方向、工作面与断层的夹角等参数。在煤矿开采中，如果断层的落差比煤层的深度和1722023年第11期西部探矿工程最小作业高度之间的差异较大，那么在发生断层时，除了强化工作面的支撑以外，无需再采取其他的保护措施；而在断层落差比煤层厚大、强行通过工作面成本较高，通常是再挖一条切孔，进行工作面的小搬迁；当断层离盘区边缘或工作面的停采线不远时，可以直接避开断层，将剩余的煤块安排在炮采工作面进行开采。在有大的断层和需要穿越的情况下，可以采取放震动炮、导硐或改变采煤器行走段等措施。（1）调整采高法一般是在较低的落差进行，而且上下盘之间的煤层要比最小的液压支架高一些。当煤体的煤位超出设备最少允许煤位时，必须对煤体与事故发生前的过渡区进行评估，并对其进行修正。（2）平推硬穿法，通常也被称为强制截断围岩法，它是针对煤层顶部、底板是不坚硬、断层少的煤层而设计的。如果煤层的高度低于设备允许的最小煤层，而在离断层部位5m，工作面上和下侧的围岩比较松软，那么采煤机宜采用顶板或带顶棚，慢慢地爬坡或者下坡，推着传送带，拉着支撑架，最后把它推出断层。（3）调斜工作面法。一般适用于较大的上下间隙和较小角度的断层面，当断层的落差大于或等于采掘高度，与断层方向呈小角度交叉时，可以通过改变倾斜角度，使工作面与断层走向平行，减少了煤耗。（4）放振爆破法又叫放炮提底法，在有较大落差和有高强度岩层的综采工作面上使用。当断层上、下两段煤层的接触厚度比综采液压支架的最小作业高度要小，因为围岩坚硬，割煤机很难将其切断，这时就需要对其进行长度和斜率的计算，可在作业之前将上底板通过断层；在断层的一边，如果在某一段的顶板比另一段的煤层低，则应采取顶升式的方法来跨越断层；在断层带上，在某一段煤层的底板比另一条煤层高的情况下，通常采取卧底的方法来通过断层。在进行钻孔爆破时，必须合理地确定井眼的方位和倾角，进行浅孔的小孔爆破，并对油井等工作面的机械液压装置进行事先的安全保护3。（5）导硐法。即在断层的上下盘挖岩巷，首先在断层部位开挖岩巷，再进行可靠的支撑，从而将断层变成空巷，降低采区的采石量，提高采掘推进率。当断层高度降低时，管道开挖长度会减少，从而使管道长度能够顺利地穿过设备。（6）综合法。在矿井复杂地质条件下，单靠一种方法是不够的，运用两种以上的方式来协同应对断层。322207工作面过断层技术目前有多种途径可以通过断层，其中最常用的有两种：调整采高法，即在断层顶部、底板上的煤层厚度超过规定值时，可以使采高降低，每次采煤的厚度都在100150mm之间，然后再恢复到原来的开采高度；另外一种提底规则是，当煤层的上、下煤层的厚度比设备的最小允许厚度要小的时候，就可以采用。3.1过断层松动爆破技术在穿越断层时，对岩石质地较为坚硬的部分，必须采取松散爆破技术，图3是22207工作面的爆破警戒图，其爆破工艺参数见表2；爆破工艺过程及应注意的问题如下：（1）打眼。钻孔采用YT24气腿式凿岩机3台，其中1台为备用设备，采用ZQ圆柱形钻头（规格：43mm），六角空心钢（直径：26mm1500mm）；安排专人打眼放炮；每一次爆破后，采煤机都会切2次，在切割完一次后，找块大的岩石区域进行钻孔，然后再进行一次爆破。第二次切割后，工作面2个风枪并行打孔；钻井时，图2工作面断层位置剖面图图1工作面断层位置平面图1732023年第11期西部探矿工程每队3名工人，2名操作凿岩机，1名负责安全监督;钻孔时按岩层厚度来决定孔的排列形式：1.5m以下的钻孔是单排孔，1.52.5m的钻孔是双排孔，而超过2.5m的岩石则是五孔。（2）装药。选择矿用类乳化液作为爆炸物，采用毫秒级延迟的电雷管进行引爆。严格按照说明书上的相关要求，使用炸药和雷管;在组装引信时，首先拧断引信脚线，将引信从卷筒的顶端装入，再用脚线缠绕；将引信装入药包，脚线结头悬空；在装药过程中，首先将炮孔中的石粉冲走，然后用木棒将药片轻轻地推进，然后进行前向装药；每眼的装药量600g，每孔1枚；采用湿法填埋，每孔用1块水炮泥，其余用粘土密封；分组进行炸药装填，装填完毕后将雷管引线连接悬空；单次引爆的炮眼不得超过12个，且每次炸药装填完毕后必须全部引爆。（3）联线、爆破。联线为串联式，一次联线最多12个孔，从前部到尾部进行爆破。（4）构顶临时支护。每次放炮后，必须进行支护，才允许进行后续的爆破工作。通过拉架、打出护帮板后，仍然无法有效地支撑顶板的部位，采用在支架上部铺设网片，通过木梁进行维护。用于铺设网片的10号菱形金属网，其规格为0.7m10m，采用“L”型网络钩子，由联网线连接，网线采用长度为300mm的14号钢丝；在施工之前，要严格落实“打帮问顶”的规定，用1.5m长的撬棒清除顶帮浮矸和活石；工作人员举起物品，喊出相同的口令，并肩而行，注意前面的障碍物或冒头，互相保护；在穿木梁、铺网时，应安排一人观察煤帮、煤帮及支架的安全状况，并对着煤墙进行作业，以预防事故的发生；在施工期间，必须由领班和班长在工地上进行指导，并及时解决施工中出现的问题。图322207工作面爆破警戒图表2炮眼爆破参数名称顶眼眼深（m）1.2水平倾角（）70眼径（mm）43水平眼距（m）0.6装药量（g/眼）600雷管数量（个/眼）1连线方式串联一次起爆数量12个3.2过断层控制技术（1）在坡度大约为煤层厚度的倾斜断层中，一般采用切割式切煤器通过，并应密切关注顶板坡度、顶板破碎及坚硬岩石的改变。如顶板硬度较大，则应采取爆破方法来选取顶板或底板，在发生破裂时，采煤机驾驶员与支护人员要密切合作，采取立即支护方式，并严格遵循穿越断层的施工工艺，采煤机在截煤时，应将底板削平，不得践踏工作面。（2）当采煤机通过断层时，应及时将探头伸出。当片帮、断面的间隔超过规定的距离时，必须带上超前支架，并应控制其转速，确保速度的落后控制在合理范围内;同时，必须保证采高超过2m，严禁采高过大，也不允许采煤机过不了断层。（3）通过断层时，要加强施工现场的质量管理，确保支架和输送机的平直，支架之间的间隔距离是均匀的；在移动过程中，要随时注意支架工作状况。支架必须与顶板、底板相垂直，顶面要牢固。如有倾斜的趋势，应立即调整平衡油缸，避免支架发生倾斜。（4）在通过断层时，要确保煤炭的品质，尽量排除矸石，在必要的情况下可以粉碎矸石，以确保质量。（5）在需要进入人机通道工作的情况下，应切断采煤机和滑槽的动力，并将其锁紧，以保证液压支架的伸缩臂能伸直，确定安全后才能继续工作；在轨道上操作时，严禁在工作场地的10个以内的支撑区域内进行支架移动，以免发生意外4。（下转第181页）1742023年第11期西部探矿工程压力影响测试:在3个相同甲烷浓度（3%）的密闭空间中，分别加注40kPa、80kPa、120kPa的压力，并在三种不同的压力下，利用有线和无线激光传感器对甲烷浓度进行测量。试验结果表明：当气压增大时，有线传感器测得甲烷浓度的测量值会发生较大的变化，而无线激光传感器的测量结果则没有明显的改变。4.2井下现场应用效果在2301工作面安装期间，对原线路甲烷传感器进行了优化，并在后溜加装了一套无线激光甲烷监测系统。其中，无线激光甲烷传感器1台，网络分站1台，工业环网基站1台。截至2022年8月15日，2301已全部安装完毕，对3个月的实际使用，由于无线激光甲烷传感器在巷道中的应用，有效地解决了由于切眼内的机械设备而造成的电缆断裂、监控失效等问题，在后期的掘进过程中，未发现由于传感器精度问题造成的报警，利用无线激光甲烷传感器对煤层瓦斯进行监测，将其测量精度控制在0.1%以内，真实有效地监测了煤层瓦斯浓度。5结语经试验比较和分析，结果表明：GJJ100W无线激光甲烷传感器在矿井下的应用，不但保证了检测精度和数据传输速度，而且对周围环境的影响较小，适用于各种复杂情况下的工作面和硐室甲烷气体的检测，确保了矿井开采施工安全，该系统能够适应矿井的安全、高效的开采要求，并取得了良好的效果。参考文献：1崔兰超，程志强，罗刘敏.基于无线传感网络的煤矿甲烷监测系统的设计J.煤炭技术，2022,41(7)：80-83.2彭玉杰，宋大钊，李振雷，何学秋，王洪磊，邱黎明.基于甲烷实时监测的炮掘工作面爆破自动识别与突出危险性预测J.煤炭科学技术，2022,50(5)：66-69.（上接第174页）（6）保证出口的最低高度超过1.8m，最小的宽度超过0.7m。4结束语22207工作面采用上盘挑顶，下盘放振动炮的采矿法，在2级断层中连续通过2.5m、6.0m的断层，有效减少了工作面的移动次数，使工作面的长度得到了有效的提高，同时也提升了经济效益。在采矿过程中采取了许多措施，保证了矿井的采高，保证了煤矿的优质，并有效地保证了综采工作面的正常、超常运行。大量的调查与实践证明，在采用适当的技术措施后，综采工作面断层的产量将与常规开采的产量相当。参考文献：1赵伟.沿空留巷深孔预裂卸压与巷内加强支护协同护巷技术研究J.煤炭工程，2021,53(11)：23-25.2崔魏，崔峰.考虑蠕变影响的近断层软岩巷道变形破坏特征与支护对策J.煤矿安全，2021,52(11)：78-80.3赵洪宝，程辉，吉东亮，王涛，王伊阔，蒋长宝.近距离煤层回采巷道非对称性破坏机理与演化规律研究J.中国矿业大学学报，2021,50(6)：62-65.4田学春.综采工作面沿空送巷支护设计与实践应用J.山东煤炭科技，2021,39(10)：33-35.（上接第177页）可以实现测区图像的全部拍摄。地面分辨率最高可以达到厘米级精度水平。Pix4Mapper在土方测量期间生成地表模型、三维点云数据、正射照片和其他结果。参考文献:1袁红.无人机航测技术在土方测量中的应用研究J.测绘与空间地理信息，2021(6).2莫师慧.无人机在土方测量中的应用研究J.科学技术创新，2021(5).3陈洪.无人机倾斜摄影实景三维应用于土方测量工程J.城市勘测，2020(12).4王峰.无人机遥感平台技术研究与应用J.遥感信息，2020(2).181