复杂煤层构造区综采工作面分割优化与工程实践

沈铭华，吕兆海，潘长斌，赵长红，田 坤，李方洲，崔 晨

(1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏 银川 750001;2.陕西能源职业技术学院，陕西 西安 710054;3.英国利物浦大学，英国 利物浦L69 3BX)

0 引言

煤矿生产过程中经常会遇到断层、褶曲等地质构造，同时构造应力场在空间的分布具有不均匀特征，这对矿井的安全生产影响很大[1-3]。众多科研人员对构造的评估方法及治理措施进行了深入研究。中煤科工集团[4]物探发现肖家洼煤矿221302胶运顺槽迎头存在陷落柱构造，采取注浆加固方式对陷落柱构造异常体外围及内部含水层进行治理。武俊峰等[5]通过井下钻探探测等技术，判明了区域性赤峪断层在紫晟煤业东南部呈现4条密集分布的断层组，评估断层在2-107工作面外围约115 m，断层破碎带宽约220 m，总落差190～325 m，减少了构造损失煤量。李静[6-7]等以准噶尔盆地苏13井三维区石炭系火成岩储层为例，对研究区构造复杂程度进行了表征，认为研究区地应力分布受断层数量、断层走向和石油开采的影响较大。笔者综合采取探巷、钻孔钻探、三维地震资料精细解释的方法，对金家渠煤矿综采工作面赋存构造特征和范围进行分析，将原有工作面进行分割优化，最终实现资源开采的最大化。

1 工作面概况

金家渠煤矿可采储量3.36亿吨，设计生产能力400万吨/年。110302综采工作面作为11采区开采的第二个工作面，所采煤层为3层煤，工作面走向长度1933 m，倾斜长279 m，平均倾角36°。工作面顶底板岩性特征见表1：伪顶厚0.2 m，为炭质泥岩；直接顶平均厚3.79 m，为粉砂岩；基本顶厚29.7 m，为中粒砂岩，较为坚硬。工作面安装两柱掩护式液压支架共162台，其中：151台ZY10000/22/45D型基本架，7台ZYP10000/22/45D型排头支架，2台ZYG10000/22/45D型过渡架，2台ZYT10000/22/45D型端头支架。

表1 工作面顶底板岩性特征

2 地质构造特征分析

通过2102#、2108#钻孔揭露煤层及巷道掘进期间的地质资料分析，该煤层厚度在3.3～4.2 m，煤层倾角16°～43°。工作面东部分布金家渠逆断层，落差75～350 m，且位于断层下盘，与下盘断煤交线最近距离157 m，如图1所示。煤层在该逆断层构造力的作用下发生塑性破坏，导致煤层局部出现变薄、断裂等现象[8-10]；若强行回采，工作面将揭露大量岩石，且支架上方顶板破碎。

图1 工作面布置图

2.1 掘进阶段揭露构造情况

掘进阶段揭露地质资料显示：在0～600 m范围内煤岩层赋存正常，煤层厚度平均3.75 m，煤层倾角平均18°；在600～994 m范围内主要受金家渠逆断层的影响，出现3煤变薄、翻转、分叉等地质异常现象，且在工作面内部形成向斜构造。3层煤沿倾向发生翻转，断面倾角在23°～52°；在620.7 m、721.5 m两处迎头断面显示煤岩层沿倾向发生翻转，814.3 m处迎头断面显示3层煤分叉呈上下两层特点，含有粉砂岩；在994 m处迎头全断面为粉砂岩。掘进阶段揭露细砂岩与粗砂岩均为钙质胶结，较为坚硬。

2.2 钻孔探测与三维地震资料解释

采用钻探方法沿倾向对工作面内部地质异常区域探测，施工3个钻场，探测结果如图2所示：1#钻场(644 m)探测区域3层煤没有出现翻转，但存在煤层分叉现象(分为3上煤、3下煤)，且沿煤层倾向倾角整体呈上坡趋势，推断煤层倾角约为7°，3上煤厚度约为3.4 m，推断沿工作面内部煤层呈合并趋势，在后续工作面回采时可沿3上煤开采。2#钻场(831.8 m)探测区域3层煤出现分叉现象，且煤层倾向发生翻转、搓揉现象，局部煤层倾角达到38°～52°；该范围3煤层赋存情况极为复杂，在工作面内部呈现向斜构造。3#钻场(930 m)探测区域3层煤出现分叉现象，3上煤厚度推测1.65 m，倾角变化较大，且在工作面内部分布向斜构造，向斜轴宽缓范围约为20 m；3下煤厚度2.4～3.4 m，受向斜构造影响范围0～51 m。三维地震资料精细解释显示，沿工作面运输顺槽倾向至工作面内侧70 m范围，3层煤三维地震时间剖面断点不连续。

3 工作面分割优化

根据探巷、钻孔探测及三维地震资料精细解释，发现沿运输顺槽走向600～994 m、沿工作面倾向内侧60 m范围存在煤层断点现象，工作面现有采煤设备通过该区域将要揭露3层煤老顶粗砂岩，对截割设备损耗大；将原有工作面进行分割优化，将工作面运输顺槽向上侧平移平距75 m，重新施工新运输顺槽，将采面划分为A区(1200 kt)、B区(700 kt)、C区(300 kt)三个可采区域及D区(弃采区)，如图3所示，这样就避免了回采阶段采煤机截割坚硬粗砂岩顶板，工作面推进速度较慢等问题。同时探讨跳采及缩短工作面的2套开采方案，跳采涉及回撤通道和切眼施工工程，而缩短工作面涉及避开地质构造影响区域，施工部分措施工程。

3.1 分割方案

方案1 跳采(施工回撤通道+切眼安装，保留110302辅巷原有排水系统)，如图3所示。

图2 工作面内部钻孔探测剖面

施工110302 II工作面皮带机头硐室、转载巷、运输顺槽，工作面回风顺槽停于1010 m处，运输顺槽停于1170 m处(停采线一位置)，工作面伪斜为15 m。工作面开采到停采线位置后，回收工作面支架、刮板输送机，并将转载机、皮带输送机运输至110302Ⅱ工作面运输顺槽重新安装。在110302 II工作面重新安装支架、刮板输送机后初采初放。

工程量及工期：(1)110302 II工作面运输顺槽开口绕道、机头硐室、转载巷等措施工程共计275 m，预计工期107 d。(2)110302 II工作面运输顺槽共计1024 m，预计工期77 d。(3)110302 II工作面新切眼共计155 m，预计工期43 d。(4)110302工作面回撤通道共计246 m，预计工期20 d。(5)因回收设备，需对回风顺槽0～700 m段进行维护，预计工期90 d(可平行作业)。(6)回收原工作面全部设备，预计工期45 d。(7)110302 II工作面共计安装145台支架，一部刮板输送机、一台采煤机，预计工期40 d。(8)110302 II工作面初采初放预计工期30 d。工期小计：从工作面停采至正常回采预计工期135 d，煤炭资源损失44 kt。

图3 方案1跳采布置

方案2 缩短工作面(施工1#-57#支架段回撤通道+局部安装)，如图4所示。

施工110302Ⅱ工作面皮带机头硐室、转载巷、运输顺槽，工作面回采至回风顺槽920 m处、运输顺槽1080 m处时，调整层位，与110302Ⅱ工作面运输顺槽连通，连通位置预计对应51#-52#支架段。连通前，运输顺槽上帮侧至110302Ⅱ工作面运输顺槽向上侧方向25 m范围内施工回撤通道113.4 m。1#～50#支架及其对应的刮板输送机框架需进行回收；同时1#～6#支架需与51#～56#支架进行替换。

工程量及工期：(1)110302Ⅱ工作面运输顺槽开口绕道、机头硐室、转载巷共计275 m，预计工期107 d。(2)110302Ⅱ工作面运输顺槽共计1024 m，预计工期77 d。(3)无需施工切眼。(4)110302工作面回撤通道共计117 m，预计工期18 d。(5)设备回收从110302Ⅱ工作面运输顺槽运输，可不对110302回风顺槽进行维护。(6)回收1#～50#支架及其对应的刮板输送机框架，预计工期25 d。(7)将工作面1#～6#支架替换安装至51#～56#支架位置，安装刮板输送机机头、偏转槽。采煤机移动至工作面上口，可无需安装。预计工期10 d。(8)110302Ⅱ工作面无需初采初放。工期小计：从工作面停采至正常回采预计工期53 d，煤炭资源损失33 kt。

图4 方案2缩短工作面布置

3.2 方案比较

方案1优点：①可利用现有排水系统。②工艺成熟。③跳采后，新工作面在回风顺槽安装位置巷道坡度较小。④工作面基本不揭露岩石。缺点：①煤炭损失量大。②工期相对最长。③增加回风顺槽维修工程。④回收、安装工作面内所有设备。⑤重新初采初放，顶板管控存在一定难度。

方案2优点：①设备无需全部回收。②不用施工新切眼。③无需初采初放，顶板管控难度小。④回撤设备从新运输顺槽运输，可不对回风顺槽进行维修。缺点：①工作面与新运输顺槽对接前需提前调整层位，施工精度要求较高。②工作面下部6台支架与中部支架进行替换，工艺较为复杂。

综合分析，方案2较方案1，措施工程量较少，首先省去了155 m的新切眼施工，同时回撤通道工程量由方案1中246 m减少到117 m；方案1相当于工作面设备整体搬家倒面，作业环节多，安全管控难度大，而方案2仅涉及回撤安装工作面部分设备，作业风险相对较小，有利于安全管控；方案1涉及初采初放，顶板管控难度较大。

3.3 工程实践

选取方案2，即重新施工110302工作面皮带运输巷(Ⅱ)，避开地质构造影响区域，回撤部分综采设备，形成新的回采系统，涉及回撤通道施工、顶板加强支护、设备回撤与安装三项工程。

3.3.1 回撤通道施工

110302工作面皮带运输巷(Ⅱ)与综采工作面贯通处正对支架位置预计为51#、52#支架，同时1#～6#支架需与51#～56#支架进行替换，刮板机机头与相应偏转槽需进行对接安装，为保证预留安装空间结构稳定，50#～57#支架需提前停采，具体为：50#～54#支架提前3个循环停止，55#～57#支架提前2个循环停止，分别预留10.3 m、9.4 m的安装空间，如图5所示。工作面内需预留主副绞车安装、支架转向空间，经计算回撤通道范围：贯通点向工作面上口25 m，贯通点至工作面下口(88.4 m)，共113.4 m；回撤通道设计净宽4 m、净高3.5 m，顶部采用锚杆与锚索配合梯形钢带、锚索桁架、钢筋网支护，帮部采用锚网支护。

图5 回撤施工及安装示意图

3.3.2 顶板加强支护

工作面回采距停采线15 m时，开始铺柔性网(PET800×800RS，长宽145 m×16 m)+钢丝绳(直径大于等于24.5 mm，绳间距800 mm，15道)，从79#支架铺设至1#支架位置。51#～56#支架替换区域顶板将受到多次扰动，在柔性网(长宽17.5 m×15 m)+钢丝绳支护条件下，对49#～58#支架段顶板区域增加双层经纬网、π型钢梁进行补强支护，铺网期间将π型钢梁捆绑于钢丝绳上，排距为800 mm，排与排端头错开1750 mm。51#～56#支架替换区域架前顶板在柔性网+经纬网加强支护条件下，采用锚索与梯形钢带、锚索桁架补强支护，钢带锚索使用4300 mm预应力钢绞线，间距800 mm；桁架锚索使用6300 mm预应力钢绞线，桁架采用11#矿用工字钢加工L取2500 mm。

3.3.3 设备回撤与安装

工作面需回撤50台支架及与其对应的刮板输送机中间槽，并重现安装1#～6#特殊支架、刮板机机头、偏转槽、转载机、皮带运输机及相关管线，预计工期40 d。先回撤65#支架至工作面下口段对应的刮板输送机，并将刮板输送机机头、6节偏转槽存放于井下车场等待安装。刮板输送机回收完毕后，在贯通点处，即51#、52#架前施工回撤平台，并安装主副绞车在62#、63#、64#架前区域；按顺序先回撤转载机与皮带机尾，再回撤1#～49#支架，其中1#～6#支架回撤至地面检修，然后逐一将1#～6#支架与51#～56#支架进行替换，最后回撤50#支架。具体工序：(1)1#～6#支架与51#～56#支架替换，先抽出51#、52#支架，并安装1#端头支架，再抽出53#支架，安装2#端头支架，由下向上依次安装3#～6#支架。(2)回收主、副绞车，利用皮带运输巷(Ⅱ)调向绞车安装刮板输送机部分中部槽、偏转槽、刮板机机头。(3)安装转载机、皮带机尾、皮带架、皮带机头，并调整轨道、恢复管线等。

4 结论

(1) 综合运用多种技术探明了构造影响区的范围和形态。综合采取探巷、钻孔钻探、三维地震资料精细解释的方法，分析运输顺槽600～994 m范围内3层煤出现翻转、分叉等地质构造异常，且沿工作面倾向内侧60 m范围存在煤层断点现象。

(2) 综合比对各方案的优缺点进而确定了最佳方案。探讨跳采及缩短工作面两种开采方案，从工程量、工期、作业环节及安全管控难度等要素，综合比对各方案的优缺点，采取方案二即施工皮带运输巷(Ⅱ)和部分回撤通道，形成新的回采系统。

(3) 提出了基于工作面分割优化实现资源利用最大化的开采思路。将原有工作面分割优化，重新划分为A区(1200 kt)、B区(700 kt)、C区(300 kt)三个可采区域及D区(弃采区)，最终实现煤炭资源开采的最大化。