特殊条件下的采煤工艺

特殊条件下的采煤工艺(一）工作面过断层工艺(二）工作面过陷落柱工艺授课人：张勇第一部分工作面过断层工艺一、断层定义及影响：1、定义：岩层受地应力作用产生破裂，在力的作用下破裂面两侧岩块发生显著相对位移，这种断裂构造称为断层。2、影响：断裂构造是煤矿采掘工程常见的地质构造形态，断层给采煤工作面安全生产带来了极大的影响，尤其是大倾角工作面突遇落差较大断层，为确保施工安全,不得已常常采取工作面搬家、重新开切眼或局部补眼,造成丢三角煤,致使回采率降低、采掘接替失调,造成吨煤成本增加、降低了生产效益。二、断层的分类（两盘相对位移分类）：1、逆断层；断层的上盘相对上升，下盘相对下降。2、正断层；断层的上盘相对下降，下盘相对上升。3、平推断层；断层的上下盘沿水平方向移动，虽出现断裂，但不存在上下位移。见图1-1。图1-1三、判定断层可否通过的条件：判定断层可否通过的两个主要条件是断层线与工作面夹角，以及断层落差。1、工作面与断层线斜交时，夹角越大，处于断层带的采区面积越小，过断层工程量越小，过断层时间越长；反之其夹角越小，过断层工程量就越大，过断层时间越短。一般来说，对于中等稳定以上顶板，工作面与断层线夹角以20度-30度为宜；对不稳定顶板，工作面与断层线夹角可在30度-45度。2、断层落差较小时，剩余煤层厚度小于液压支架的最小支撑高度，不影响机组通过；落差较大时，则影响机组通过，需要因地制宜地采取措施（挑顶卧底）过断层。当由于落差过大、机组通过困难时，就应考虑工作面搬迁或绕过断层。在上述断层的破碎带内，煤的破坏程度较岩层严重，坡度小。当采煤工作面通过断层时，与保留岩顶相比，保留煤顶要困难得多。四、过断层方法：1、过断层方法过断层方法搬家跳采当工作面遇到落差和影响范围较大的垂直或斜交断层时，为躲避断层的影响，可在工作面断层前方重新开切眼，将工作面设备搬至新切眼继续开采。开掘绕道当在工作面某一端遇到难以通过的断层时，可探明断层影响范围，开掘绕道，将工作面改为刀把式布置，即将工作面由大面缩短为小面，或由小延长为大面，甩掉断层影响区域。放弃综采当工作面遇到影响范围广的大断层时，无法使用综采，可将其设备撤除，改为普采或炮采代替综采继续将工作面采完。直接硬过当断层落差小于工作面采高的2/3，其影响范围在30m以内，断层上下盘岩石的硬度系数f＜10时，在使用强力采煤机的条件下，或者采用松动爆破的辅助手段，可适当降低原工作面采高直接过断层。2、综采工作面处理断层参考方案围岩条件断层类别影响因素处理断层参考方案断层落差（m）影响长度（m）断层位置f≤10平行断层＞采高大于20中、端部搬家跳采或绕道处理＜2/3采高≥20中部可直接硬过垂直断层＞支架支撑上限＞20中、端部搬家跳采或绕道处理≤2/3采高＜20中部可直接硬过斜交断层＞2/3采高＞20中、端部搬家跳采或绕道处理＜1/2采高20-30中部可直接硬过f≤6平行断层＞2/3采高＞30中部放弃综采或搬家跳采≤1/2采高＜30中、端部可直接硬过垂直断层＞支架支撑上限＞30中、端部重新划分工作面开采≤2＜30中部可直接硬过斜交断层＞采高＞30中、端部搬家跳采或绕道处理＜2＜30端部可直接硬过＜2/3采高20-30中部可直接硬过注：1、厚煤层分层开采过断层时，按断层落差与煤层厚度的比列，降低分层采高和层数，直接通过工作面断层；2、影响长度指断层在工作面的暴露长度；3、围岩条件可视为两类，即坚硬顶板条件和中等以下条件。3、直接硬过的几种过断开采方法：1）、直接割煤过断层：当断层落差较小，上下两盘接触处之间的煤层的厚度大于或等于液压支架的下限通过高度，则液压支架可以顺利通过，综采工作面可直接采煤过断。2）、割顶(底)采煤过断：断层上下两盘接触处之间的煤厚小于液压支架下限通过高度，煤层底板或顶板岩石较软且顶板较整，可通过机组割底或割顶直接采煤过断。3）、用预掘巷与割底相结合的方法过断层落差较大，可采取预掘巷辅助法过断。五、断层带附近煤岩破坏状况：1、断层是由于地层的运动、挤压等形成的，是地层运动过程中能量的聚集和释放的结果。地层中聚集的能量在释放过程中，岩层要断裂、挤压、错动、破碎等，并伴有大量裂隙的产生。因此，在断层带附近，形成断层的破碎带，如图5-1所示。2、一般顶板岩层的强度大于煤层的强度，在同样大小力的作用下，煤岩破碎后，煤的粉末多于顶板岩石的粉末，即煤的破碎程度比岩石的严重。在断层的破碎带内，煤的破坏程度较岩层严重，块度小。当回采工作面通过断层时，与保留岩顶相比，保留煤顶要困难得多。图5-1断层破碎带示意图破碎带弱变带六、综采面过断层时附近煤岩破断研究：1、综采工作面过正断层，以图6-1点划线的方向从上盘向下盘推进。当工作面还在断层的上盘，快通过断层面时，断层破碎带弱变区A范围内的煤层由于破坏严重，而A区的煤沿断层面的下滑力为，因而煤层保留不住，会发生片帮。工作面煤壁片帮后，端面空顶范围增大，破碎的顶板岩层可能会发生冒顶，从而影响生产。图6-1综采工作面2、当工作面从上盘推进到下盘时，因支架不能直上直下，需割底板，留顶煤推进，而这部分顶煤处在断层破碎带弱变区B范围内，破坏严重，顶煤保留不住，端面就会发生冒顶。3、工作面过正断层，从下盘向上盘推进时；工作面过逆断层，从上盘向下盘推进和从下盘向上盘推进时，均存在与上述类似的不利情况，如图6-2、6-3、6-4所示。图6-2综采工作面从下盘向上盘推进过正断层图6-3综采工作面从上盘向下盘推进过逆断层图6-4综采工作面从下盘向上盘推进过逆断层七、工作面端面顶煤（板）冒落分析：1、端面顶板冒落后，如不进行勾顶，而采取让支架抬头的工作方式来应付端面冒顶，其结果不仅降低了支架的承载能力，而且会进一步恶化顶板。而由于平衡千斤顶伸出量的限制，过大的顶梁抬头，又会造成大量支架平衡千斤顶和耳座的损坏。2、即使支架闯过冒顶区，支架顶梁上的顶板也已破碎和出现空洞，支架无法支住顶板，自身的稳定性也很差，极易导致支架沿工作面倾斜方向倾倒，支架顶梁相互咬架，立柱与底座的销轴拉断等，从而使过断层的时间延长，形成恶性循环。3、端面顶板冒空后，若采用勾顶和超前支护的方法，势必造成工作面停产处理，致使生产效率降低，坑木等材料消耗增加。因此，在综采工作面过断层时，必须消除断层破碎带内弱变区的影响，尽量防止工作面端面冒顶的发生和煤层片帮的产生。若已发生端面冒顶，必须立即组织人员勾顶，护好顶板，尽快通过断层破碎带。八、综采工作面快速过断层消除弱变区技术：为了安全、快速地通过断层，就必须消除弱变区的影响，尽量减少端面冒顶的发生。下面以正断层，采面从上盘向下盘推进为例来说明。设断层的落差为h，断层面的倾角为α，如图8-1所示。当工作面由断层的上盘向下盘推进，顶板处距断层面L1，底板处距断层面L2时，工作面顶板以γ的仰角仰采，割顶板岩层，留底煤，使工作面推到断层下盘时，其顶板与下盘煤层的顶板一致，此后工作面再俯采，恢复到沿煤层底板的正常回采。这样就消除了断层下盘弱变区的影响。hγαL2L1m图8-1工作面由断层的上盘向下盘推进tan1tan11hLtan12mLL为过断层消除弱变区的影响，针对不同的过断层方式采取的技术措施见表8-1。九、过断层期间采取技术措施：1、为了减少断层在工作面内的暴露范围，遇断层时应适当调整工作面方向。当围岩为中等稳定以上时，工作面与断层走向夹角应不小于20-30°；围岩不稳定时，此夹角应增至30-50°。但调整工作面方向，会引起工作面长度变化，需增减工作面支架数，或增加三角煤损失。2、应按断层性质、落差及顶底板岩层硬度等因素确定采用挑顶和下切或同时挑顶及下切，做到既有利于维护顶板又减少破岩量。3、当岩石普氏系数＜4时，可用采煤机直接割岩，牵引速度应减小；滚筒能变速的采煤机，滚筒用低速旋转。若用爆破处理岩石，对附近的支架要加以保护。4、过断层时要预先逐步减小采高，以减小破岩量和增加支架的稳定性，但是支柱要留有足够的伸缩量，以防压死支架。5、当断层地段需要下切或留底进行侧斜回采时，应使顶底板形成平缓的侧斜变化，以使支架和运输机槽处于良好的工作状态。6、断层附近可采取以下支护措施：①断层处先架设倾斜梁、倾斜棚或斜交梁，采取间隔移架，先移的支架顶梁托住倾斜梁后再移邻架；②可在煤壁上预先掏梁窝架设超前梁或超前走向棚；③尽量采取带压移架方式，以防松动顶板，并缩小割煤和移架间距，片帮较深时采取超前支护，减少控顶面积；④顶板冒空处应架设木垛或用其他材料充填，对破碎地带的顶板可用锚杆或向钻孔内注入化学胶结性溶液，以固定顶板；⑤沿断层开岩巷，巷道顶板采用普通锚杆支护，两帮采用玻璃钢锚杆支护，沿断层开巷时巷道的宽度与高度必须与综采面尺寸相适应，以利于工作面从断层的一盘逐步过渡到另一盘，尽快恢复正常开采。十、现场工程应用1、工作面构造区情况：根据《IX1324工作面回采地质说明书》提供的数据，IX13241巷距停采线向里284米揭露一逆断层F78（走向350°，倾向80°，倾角19°，落差H=5.0m），预计该断层与IX13243巷逆断层F65（走向334°，倾向64°，倾角14°，落差H=2.0m）在同一构造带上，因此对回采影响较大；IX13241巷由于受逆断层F78的影响：①在距停采线305—295m范围内，巷道由顶向下依次为：砂质泥岩0.6—1.5m、石灰岩0.1—0.2m、煤0.1—1.8m；②在距停采线295—280m范围内，巷道为全岩巷，岩性细砂岩和砂质泥岩；③在距停采线280—274m范围内，巷道由顶向下依次为：煤0.2—1.2m、细砂岩1.2—1.6m、砂质泥岩0.1—0.7m；IX13243巷在距停采线266—234m范围内，为一构造挤压区，巷道由顶向下依次为：煤0.6—1.3m、泥岩1.2—1.5m；IX13243巷在距停采线47—37m范围内，由于受到逆断层F65影响，巷道由顶向下依次为：泥岩0.5—1.6m、石灰岩0.2—0.4m、煤0.5—2.1m.距停采线310m～274米范围9#煤9#煤走向350°倾向80°倾角19°H=5.0m距停采线310m距停采线274mF78H=5.0mIX13241巷F78逆断层素描图2、制定安全技术措施：（1）过断层时，将断层区域采高控制在1.8—1.9米之间，机将断层区域前后各5个架采高与构造区采高随平，以便机组顺利通过。（2）顶板破碎时，应及时拉超前架，若顶板破碎厚度在300m以下时，在支架上架设平行于工作Φ200×2600mm的联锁板梁，若顶板塌矸严重，冒落高度超过300mm以上时必须进行勾顶。揭露断层后，矸石较软时可采用正规循环作业。若矸石较硬，机组割不动时采用放震动炮，机组扫矸的方法通过。3、过构造的过程：2011年12月18日中午班开始在机头揭露一逆断层构造，工作面1#—5#架有约0.3—0.5米厚的顶矸，需打眼放炮。根据地测部资料，确定为《IX1324地质报告》中所描述的F78逆断层构造。在构造揭露初期，工作面机头出现顶矸，并向机尾方向延伸。构造情况较为简单，矸软机组直接扫矸通过；出现矸硬的情况打眼放炮，一次放炮可通过机组两次。构造区域只需在每架架顶上两根垂直于工作面Φ200×2000mm走向板梁维护顶板。构造区影响生产主要因素是矸硬打眼放炮影响时间。12月23日构造区1#—6#架发展为全矸，对回采影响较大，机组无法直接通过，构造区采取放震动炮措施，一次放炮只能通过一次机组。由于构造区顶板不稳定，局部区域出现塌矸，根据过构造技术措施，在支架上架设平行于工作面的Φ200×2600mm联锁板梁，板梁每推进一个循环上一次，上平行于工作面板梁时，第一趟板梁上在构造段单号支架上；如先将构造段的1号架降下拉过，在将板梁平面朝上，放在所将支架上（以便不影响相邻支架降架为宜）；上板梁时，由班组长统一指挥，由专人操作支架阀组，专人观帮观顶，并用长柄工具找掉活煤活矸，确认顶板稳定后，派两名有经验的老工人站在所降支架的侧面（即有掩护地段）将板梁由机头向机尾方向放在1#架支架顶梁上，然后用长