复杂地质条件工作面构造探测及智能化开采技术

梁文彬，范 凯，卓 军

（四川华蓥山龙滩煤电有限责任公司，四川 广安638020）

煤矿智能化是适应现代工业技术革命发展趋势、保障国家能源安全，实现煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[1]。智能化综采作为领跑者，目前已在国内基于成熟，已建成145 个智能化综采工作面，如黄陵一矿、红柳林矿、兖矿转龙湾矿、宁煤金凤矿、淮南张集矿、枣庄滨湖矿等[2-3]。智能化综采作为煤矿开采发展的方向，目前已在全国各地推广，但这主要建立在地质条件简单、煤层赋存条件较好的综采工作面[4-8]。为提高智能化综采过地质构造适应性，以龙滩煤电公司3124S 智能化综采工作面过地质构造为工程背景，分析地质构造条件及开采难点，制定构造探测及开采技术方案，并经过工业实践，智能化综采工作面地质构造探测及开采取得显著效果，实现工作面地质构造段安全高效开采，提高智能化综采适应性。

1 工作面概况

龙滩煤电公司3124S 工作面是四川省第1 个智能化综采工作面，布置于矿井312 采区第1 阶段南翼，工作面走向长1 486 m，倾向长197.5 m。该工作面煤层倾角3°～7°，平均倾角5°，煤层总厚0.7～2.57 m，平均1.55 m，工作面面积294 434 m2，地质储量65.99 万t，可采储量为64.01 万t。工作面煤层顶板基本稳定，伪顶厚度为0～0.4 m，深灰色砂质泥岩；直接顶厚度为4.6～6.5 m，深灰色砂质泥岩；基本顶厚度为4.95～7.4 m，深灰色层状泥晶灰岩，深灰色泥岩。该工作面采用巷道远程集中控制、采煤机记忆割煤、自动跟机拉架推溜等智能化综采工艺，机巷桥转机、破碎机、带式输送机机尾自动推移，智能化控制平台、综保电源与变压器等辅助设备均布置于机巷串联成车整体随移。工作面机、风巷按煤层走向沿顶板按中线布置，机巷K0+940 m～K1+160 m段在掘进施工过程中遇地质构造，并向工作面延伸，巷道内煤层紊乱、起伏不定、顶板破碎，初步判断为走向断层。

2 开采难点

1）工作面内部地质构造形态不清，不能准确地判断地质构造对煤层破坏及安全智能开采的影响程度。

2）工作面受构造影响，煤层及顶板存在破碎带，回采过程中容易引起煤壁片帮和顶板垮冒事故。

3）机巷构造段巷道坡度起伏较大，局部段形成高冒区，机巷超前支护容易出现接顶不实等现象。

4）工作面内构造段瓦斯抽放存在盲区，可能造成因瓦斯治理不到位影响智能化工作面正常生产。

5）工作面受构造走向影响区域较长，倾向起伏变化较大，制约智能化设备安全高效开采。

3 构造探测及开采方案

3.1 地质构造形态探测

为准确掌握3124S 工作面煤层赋存状况，查清断裂构造空间基本形态，为智能化安全高效开采提供依据，对机巷地质构造采用钻孔进行探查。地质探查钻孔于机巷巷帮煤层开口，按垂直于工作面走向、间隔10～20 m 布置1 组，每组设计1～3 个钻孔，深度为100 m，钻孔倾角按煤层倾角和±5°进行布置。通过现场施工12 组22 个地质探查钻孔资料分析，3124S 机巷K0+940 m～K1+160 m 范围内共发育2 条断裂构造，分别为3124SJ-1 正断层及3124SJ-2逆断层。其中3124SJ-1 正断层发育于3124S 机巷K0+940 m～K1+160 m 段，实测地层断距0.2～2.8 m，断层倾角30°～80°、断层倾向275°～285°，该断层自3124S 机巷K0+970 m 处进入工作面，K1+146 m 重新进入巷道内，切割工作面走向长度共计176 m，切割工作面最远17.78 m；3124SJ-2 逆断层发育于3124S 机巷K1+21 m～K1+145 m 段，实测地层断距0～0.8 m，断层倾角60°～70°、断层倾向285°～295°，该断层未切割工作面，大致沿巷道方位发育、直至尖灭，地质钻孔平剖面布置探测成果图如图1。

图1 地质钻孔平剖面布置探测成果图Fig.1 Exploration results of geological drilling plane section layout

3.2 构造顶板注浆加固

工作面断层附近煤层及顶板受压变形形成破碎带，回采推进过程中易发生煤壁片帮及顶板垮冒，需提前进行注浆加固[9]。注浆加固参数主要包括渗透半径、封孔长度、注浆压力、注浆量、注浆时间等。注浆浆液选用水灰比为1∶1 的水泥-水玻璃混合浆液，根据有关理论公式计算，浆液的扩散半径在压力为4 MPa 时为12 m，以扩散半径10 m 为依据，注浆孔终孔间距为20 m，即在机巷间隔20 m 沿工作面倾向向断层施工1 组注浆钻孔，每组布置3 个钻孔，分别对断层煤层及上、下5 m 进行注浆，断层注浆加固示意图如图2。 封孔长度参照够承受孔内浆液压力和防止孔内煤岩松散区浆液外渗流失为依据，一般为钻孔长度的1/3。

图2 断层注浆加固示意图Fig.2 Schematic diagram of fault grouting reinforcement

3.3 巷道优化挑顶改造

根据3124S 机巷地质构造钻孔探测结果，3124SJ-1 正断层切断工作面最远17.78 m，断距达到2.8 m，对后期工作面瓦斯防突和智能化高效开采构成安全威胁，需对该段巷道进行挑顶改造。巷道挑顶高度以3124SJ-1 正断层下盘煤层顶板延伸线作为参考，保证回采工作面平直度。巷道改造断面及支护方式与原巷道一致，挑顶后的矸石回填底板，并用水泥灌注硬化，防止软底影响智能化开采过程中桥转机、带式输送机机尾推移。巷道挑顶改造示意如图3。

图3 巷道挑顶改造示意图Fig.3 Schematic diagram of roadway roof lifting transformation

3.4 机巷超前铺设假顶

在巷道挑顶过程中，由于顶板层理发育、顶板破碎，顶板容易离层垮冒形成高冒区，工作面回采过程中超前支护难以接顶[10]。该段顶板在回采前采用单体支柱配合11#工字钢、钢筋网、笆片、枕木等架设木垛的方式进行支护。采用3 根11#工字钢顺巷道走向布置在高冒区下方，两端采用锚索、锚杆锁至顶板；再采用11#工字钢顺巷道倾向铺设在上方，排距800 mm；并在11#工字钢上方铺设钢筋网、笆片；最后在搭好的支护平台上用枕木按“#”字型方式架设木垛接顶；枕木采用抓钉连成整体，木垛保证接顶严实，最后将倾向钢梁两端采用单体液压支柱支撑固定在顶板上，并采用防倒绳将单体支柱连接固定。

3.5 灾害治理补充强化

按照工作面局部存在地质构造，采取“区域性强化预抽+局部补充治理”的思路对该构造段进行治理。工作面区域防突措施采取顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯措施，钻孔由机、风巷顺煤层倾向平行布置，孔间距1.5～2 m，孔深100 m，孔径94 mm 或115 mm，每间隔10 m 实施1 个水力压裂孔，孔深90 m。机巷构造段在巷道改造前后分别对3124SJ-1正断层上、下盘进行灾害治理。挑顶改造前，在3124S 机巷构造段实施抽排孔措施，钻孔按1.5 m 孔间距布置，孔径115 mm，孔深施工至断层面见矸为止；改造后采取高密度钻孔预抽方案，在构造段按1 m 孔间距施工钻孔，孔深100 m，孔径94 mm，预抽断层下盘煤层瓦斯。区域性强化预抽主要采取深孔预裂爆破措施，按40 m 孔间距施工80 m 深孔预裂爆破孔，进行预裂爆破增透促抽。局部补充治理主要采取加强排放孔与浅孔注水措施，工作面推至距构造段前10 m 直至过完构造后10 m 期间的区域验证均采取加强排放孔与浅孔注水措施，加强排放孔个数、深度以及注水孔重点布置在工作面断层影响范围内或局部抽采盲区以及煤层瓦斯异常、瓦斯涌出量大的局部区域。

3.6 煤机破岩智能开采

根据断层结构形态及巷道挑顶改造，工作面需通过3124SJ-1 正断层上盘煤层顶板岩石区域。由于智能化工作面设备精密，管缆线布置较多，若采用松动爆破破岩，需撤除部分精密设备，并对部分无法撤出设备构成破坏性影响。因此，采用高强度大直径肯纳金属重型破岩滚筒，实施割煤机破岩智能化开采。断层上盘区域岩石采取多循环、浅截深方式破岩，工作面每刀增加破岩高度0～100 mm，以保证机巷顶板与断层下盘煤层顶板平直为基准。工作面断层至机巷影响范围内，采高控制缩小至最低，减少割矸量。智能化综采端部自动切割和跟机拉架加强人工干预，采煤机切割速度控制在3 m/min 以内。工作面在进入和退出断层期间，支架上方顶板破碎易漏矸，采取在支架上方背钢梁、木料、芭片等措施；过断层过程中，割煤后采取跟机、带压移架，溜子弯曲长度大于15 m；断层面煤岩交接处易片帮，采取贴帮支柱；工作面底板煤层较软，采用单体支柱和支架抬底装置辅助移架，防止支架插底；割煤机进刀避开断层面和顶板破碎段。

4 实践效果

龙滩煤电公司3124S 智能化综采工作面于2019 年9 月26 日开始进入3124SJ-1 正断层，于11月15 日完成断层构造段回采，剔除影响，实际回采用时42 d。回采过程中，工作面采用“两采一准”开采工艺，实测断距0.2～2.3 m，沿巷道走向切割工作面，含破碎带影响工作面倾向50 m，断层对下段30 m 及机巷影响较大。通过前期的地质构造形态探测、构造顶板注浆加固、巷道优化挑顶改造、机巷超前铺设假顶、灾害治理补充强化、煤机破岩智能开采等一系列技术方案实施，智能化综采工作面实现了安全高效推过断层，回采期间未发生轻伤及以上安全事故、瓦斯未突未超、顶板未垮未漏，工作面月产量达到7.8 万t，取得了显著效果。

5 结 论

1）根据巷道揭露构造情况进行预判，利用地质钻孔进行补充探测，查清工作面内部地质构造形态，为准确判断地质构造对煤层破坏及安全开采影响程度提供依据。

2）在机巷分段对工作面受构造影响煤层及顶底板破碎围岩进行钻孔注水泥-水玻璃混合浆，加固破碎围岩，解决了回采过程中易出现煤壁片帮和破碎顶板易垮冒的问题。

3）结合已探测断层沿工作面走向延伸较长、影响倾向距离较短特性，以断层落差为依据按远端煤层顶板延伸线做参考实施巷道挑顶改造，减少了工作面起伏变化，实现了智能化综采过断层安全高效开采。

4）在机巷构造段超高段采用“工字钢抬棚+锚索梁+木垛铺设假顶”主动与被动相结合的支护方式，有效解决了巷道超高或顶板不平超前支护接顶不实的难题。

5）在机巷挑顶改造前后分别对断层上、下盘实施顺层倾向钻孔瓦斯抽采治理，实施深孔预裂爆破区域性强化和加密排放孔与浅孔注水局部补充治理措施，有效解决了工作面内构造段瓦斯抽放易存在盲区制约工作面正常生产的问题。