姚 宇

（山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046103）

引言

在地殼運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受內(nèi)部擠壓產(chǎn)生的不同作用力的影響，不同地區(qū)會(huì)形成不同形態(tài)的地質(zhì)構(gòu)造。而在采煤機(jī)械設(shè)備作業(yè)過(guò)程中，各種形態(tài)的地質(zhì)構(gòu)造都將會(huì)給煤礦開(kāi)采帶來(lái)一定的影響，甚至?xí)l(fā)煤礦安全事故。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造給采煤機(jī)械設(shè)備帶來(lái)的影響分析，并通過(guò)采取有效探測(cè)措施確認(rèn)煤礦地質(zhì)構(gòu)造，以便通過(guò)合理安排實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)械設(shè)備安全作業(yè)。

1 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)采煤機(jī)械設(shè)備的影響

煤礦開(kāi)采的環(huán)境相對(duì)惡劣，容易發(fā)生各種安全事故。而采煤機(jī)械設(shè)備多為液壓支架和大功率采煤機(jī)等重型機(jī)械設(shè)備，對(duì)煤礦提出了較高的地質(zhì)條件要求。就目前來(lái)看，機(jī)械化采煤將主要受到斷層、褶皺和頂?shù)装迦矫娴刭|(zhì)構(gòu)造的影響。加強(qiáng)對(duì)這些地質(zhì)構(gòu)造的特征分析，能夠更好地進(jìn)行采煤地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)，從而采取有效措施預(yù)防安全事故的發(fā)生。

1.1 斷層的影響

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，很容易遭遇小斷層。比如在開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)煤層厚度遞減或頂板移位等情況，都預(yù)示著小斷層的出現(xiàn)。在煤礦斷層落差不同的情況下，地質(zhì)勘查開(kāi)采難度不同，機(jī)械開(kāi)采設(shè)備受到的影響也并不相同。就目前來(lái)看，不同采煤機(jī)可以適應(yīng)不同復(fù)雜工作面底板標(biāo)高落差。在煤厚1.25～3.5cm范圍內(nèi)，可以較好地滿(mǎn)足機(jī)械化采煤要求，采煤機(jī)械機(jī)身長(zhǎng)度和參數(shù)調(diào)整范圍所受的過(guò)機(jī)空間限制較小。但是如果煤層過(guò)薄，采煤機(jī)械和人員則將受到諸多限制，使機(jī)械采煤難以實(shí)現(xiàn)。所以在煤礦開(kāi)采之前，需加強(qiáng)斷層探測(cè)，做好生產(chǎn)準(zhǔn)備。具體來(lái)講，需要對(duì)采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、調(diào)高范圍、機(jī)身高度和過(guò)機(jī)空間等參數(shù)進(jìn)行分析，明確支架最小高度和伸縮量，以便為機(jī)械設(shè)備的選擇提供數(shù)據(jù)依據(jù)。另外，還要對(duì)采煤機(jī)的作業(yè)方式進(jìn)行分析，以確認(rèn)采煤機(jī)是否會(huì)受到地質(zhì)構(gòu)造影響。比如采用綜合機(jī)械化采煤工藝，通過(guò)延長(zhǎng)綜采工作面提升采煤機(jī)的割煤量，減小采煤機(jī)在端頭作業(yè)和工作面斜切進(jìn)刀過(guò)程中受到的影響。而幾乎所有綜采工作面都會(huì)遭遇小斷層，一旦發(fā)現(xiàn)小斷層密集，可能直接導(dǎo)致工作面被迫停產(chǎn)搬家。即便小斷層并不密集，在發(fā)現(xiàn)時(shí)也要加強(qiáng)頂板控制，所以工作面單產(chǎn)和生產(chǎn)進(jìn)度都會(huì)受到影響[1]。此外，遭遇斷層會(huì)導(dǎo)致頂板活動(dòng)加劇，必要時(shí)需利用采煤機(jī)進(jìn)行頂?shù)装鍘r石切割，因此會(huì)給工作面生產(chǎn)帶來(lái)安全、效率等多方面影響。

1.2 褶皺的影響

在機(jī)械化采煤過(guò)程中，也時(shí)常遭遇褶皺現(xiàn)象。在擁有向斜和背斜結(jié)構(gòu)的煤礦地質(zhì)構(gòu)造中，煤層頂板通常存在撓曲構(gòu)造形式。而該種構(gòu)造不規(guī)則性較強(qiáng)，并且有較大規(guī)模，將給煤礦支護(hù)帶來(lái)較大的難度。在褶皺構(gòu)造作用下，煤層也可能發(fā)生傾角變化，導(dǎo)致液壓支架的適應(yīng)范圍被超出，進(jìn)而給機(jī)械化開(kāi)采帶來(lái)阻礙。此外，褶皺的產(chǎn)生，主要是受到煤層構(gòu)造應(yīng)力的作用。而煤層與頂?shù)装鍘r石存在一定的力學(xué)差異，由于煤層塑性較強(qiáng)，容易在褶皺形成的過(guò)程中出現(xiàn)煤層厚度變薄的情況。如果小褶皺在煤礦開(kāi)采過(guò)程中頻繁出現(xiàn)，煤層將會(huì)出現(xiàn)急劇產(chǎn)狀變化，突破綜采機(jī)架型的承載范圍，繼而給煤礦運(yùn)輸帶來(lái)困難。此外，次級(jí)褶皺的出現(xiàn)，將導(dǎo)致煤層呈波浪形，致使煤礦開(kāi)采人員難以把握煤層分層厚度，造成部分段頂煤厚薄不均，最終引發(fā)頂?shù)装迤屏训那闆r。面對(duì)這種情況，可以考慮采用短壁綜合機(jī)械化采煤方式，在使用雙滾筒采煤機(jī)的工作面利用中部斜進(jìn)刀或單向割煤方式進(jìn)行作業(yè)。

1.3 頂?shù)装宓挠绊?/h3>

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，煤層頂?shù)装寰哂蟹€(wěn)定性和冒落性。在煤層頂?shù)装鍨閳?jiān)硬砂巖或礫巖的情況下，煤層具有較高的抗壓強(qiáng)度，約在80～120 MPa范圍內(nèi)，可以使煤礦整體穩(wěn)定性得到提高。實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采煤，可以采用打孔注水和放炮等措施進(jìn)行強(qiáng)制性放頂處理，以減小采煤機(jī)械受到的壓力和硬度影響。如在暴露寬度達(dá)到0.6 m的穩(wěn)定頂板煤礦中，可以采用刨煤機(jī)。但是如果煤層頂板不穩(wěn)，還應(yīng)采用機(jī)身較窄的刨煤機(jī)。該類(lèi)刨煤機(jī)的機(jī)身梯度較小，適合在無(wú)立柱采煤空間中采用，可以實(shí)現(xiàn)分段刨煤或縮小位移。在實(shí)際進(jìn)行綜合機(jī)械化采煤階段，還要進(jìn)行分段挖掘，以減小頂?shù)装鍘r石給綜采機(jī)械帶來(lái)的影響。如果頂?shù)装宕嬖谒睗瘢矔?huì)給采煤機(jī)械設(shè)備帶來(lái)影響，因此，還要利用具有較大發(fā)掘力度的采煤機(jī)械，以實(shí)現(xiàn)順利運(yùn)輸。想要具體確定工作面煤層底頂板的穩(wěn)定性，還要加強(qiáng)對(duì)頂?shù)装鍘r石厚度、成本和結(jié)構(gòu)等因素的分析，以確定采用哪種機(jī)械化采煤技術(shù)。如果頂?shù)装鍘r石為巖質(zhì)泥巖，利用綜采機(jī)械可以直接過(guò)斷層[2]。

2 影響采煤機(jī)械設(shè)備地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)方法

2.1 開(kāi)展震波探測(cè)

在選擇采煤機(jī)械設(shè)備前，考慮到一些煤礦的煤層較厚且復(fù)雜地段較多，需完成長(zhǎng)距離探測(cè)，還需利用便攜式礦井地質(zhì)探測(cè)設(shè)備進(jìn)行煤礦地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)。采用震波探測(cè)法，可利用彈性波勘探原理，將地震及聲波當(dāng)成彈性波波源，加強(qiáng)被探測(cè)介質(zhì)厚度和距離的探測(cè)[3]。利用折射解析法、自激自收解析法等多種方法對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行解析，則能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地段煤層厚度等數(shù)據(jù)的有效探測(cè)。就目前來(lái)看，采用該種探測(cè)手段，使復(fù)雜地段的煤層厚度變化得到準(zhǔn)確反映，并且能夠使煤層底板起伏情況得到連續(xù)反映，因此，為研究煤層地質(zhì)構(gòu)造提供技術(shù)支撐。結(jié)合探測(cè)得到的煤礦基本構(gòu)造形態(tài)數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行煤礦工作面的科學(xué)布置。比如在一水平礦井位于背斜區(qū)和向斜西翼的范圍內(nèi)，探測(cè)得到的煤層厚度在18～40 m范圍內(nèi)，煤層傾角則5～16°之間時(shí)，可以選用綜采機(jī)械設(shè)備，利用傾斜分層綜采放頂煤開(kāi)采法進(jìn)行煤礦開(kāi)采，將水平礦井劃分為兩個(gè)采區(qū)，分別按照走向進(jìn)行工作面布置，使工作面穿過(guò)背斜軸，并由南部沿傾向布置。

2.2 強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)觀察

在采煤機(jī)械設(shè)備作業(yè)過(guò)程中，還應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)觀察，以確認(rèn)地質(zhì)構(gòu)造給采煤機(jī)械設(shè)備帶來(lái)的影響。為此，在工作面掘進(jìn)和煤礦回采作業(yè)過(guò)程中，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)工作面煤壁、巷道兩幫等位置的觀測(cè)，并加強(qiáng)對(duì)井內(nèi)斷層、頂?shù)装宓葮?gòu)造的觀察。比如在觀測(cè)揭露夾矸時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)薄細(xì)泥巖線的觀測(cè)，對(duì)其傾角進(jìn)行測(cè)量和編錄。結(jié)合夾矸走向和傾角變化，通過(guò)分析得到煤礦次級(jí)褶皺發(fā)育規(guī)律，并對(duì)前方褶皺發(fā)育趨勢(shì)進(jìn)行判斷和預(yù)測(cè)。結(jié)合預(yù)測(cè)結(jié)果，進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)，并對(duì)巷道的方位和坡度進(jìn)行合理調(diào)整。例如在某煤礦沿煤層走向存在次級(jí)褶皺和底板隆起等情況時(shí)，通過(guò)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn)煤層底板等高線為“S”形。面對(duì)這種情況，還要在底板側(cè)沿著走向進(jìn)行工作面分段布置，并在頂板側(cè)將回風(fēng)巷布置在同一高程。采取該種措施，能夠避免按照等高線變化進(jìn)行回風(fēng)巷布置，以免煤礦工作面分段過(guò)多，造成過(guò)多采煤機(jī)械設(shè)備被占用，進(jìn)而導(dǎo)致采煤機(jī)械設(shè)備作業(yè)需求無(wú)法得到滿(mǎn)足。此外，考慮到采煤機(jī)械設(shè)備作業(yè)速度較快，同時(shí)也容易受錨網(wǎng)支護(hù)等問(wèn)題的干擾，造成煤礦地質(zhì)現(xiàn)象被毀壞，因此在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的過(guò)程中，還要加強(qiáng)地質(zhì)編錄，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)現(xiàn)象的準(zhǔn)確記錄，并結(jié)合原始地質(zhì)資料進(jìn)行科學(xué)分析，加強(qiáng)煤礦地質(zhì)情況的準(zhǔn)確判斷。

2.3 實(shí)現(xiàn)鉆孔探測(cè)

在采煤機(jī)械設(shè)備作業(yè)中，還要加強(qiáng)鉆孔探測(cè)，以確認(rèn)煤礦的各種地質(zhì)構(gòu)造。具體來(lái)講，就是利用轉(zhuǎn)矩較大的架柱支撐啟動(dòng)手持式鉆機(jī)進(jìn)行煤礦鉆探。采取該種探測(cè)方法，可以利用5～10 min達(dá)到20～30 m的鉆探深度。通過(guò)每隔50 m對(duì)各工作面靠煤層底板側(cè)進(jìn)行垂直向下鉆探，并且每隔100 m完成一次頂板向上鉆探，可以完成工作面切面圖繪制。結(jié)合切面圖，可以進(jìn)一步了解煤層走向變化，從而為煤礦下一工作面的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)[4]。結(jié)合鉆探得到的數(shù)據(jù)，也可以加強(qiáng)對(duì)隱蔽式小地質(zhì)構(gòu)造的預(yù)防。比如在打頂板錨桿和錨索的過(guò)程中，結(jié)合數(shù)據(jù)可以制定合理的錨桿鉆進(jìn)速度。如果鉆到某位置發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)速度更快，還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)該位置的探測(cè)，以便明確該位置的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過(guò)加強(qiáng)探測(cè)數(shù)據(jù)記載和分析，并結(jié)合探測(cè)結(jié)果制定各種應(yīng)急機(jī)制，有效預(yù)防各種安全事故的發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，在機(jī)械化采煤過(guò)程中，斷層、褶皺和頂?shù)装宓雀鞣N地質(zhì)構(gòu)造都將給采煤機(jī)械設(shè)備作業(yè)帶來(lái)一定影響，嚴(yán)重時(shí)不僅會(huì)造成機(jī)械設(shè)備損壞，還可能引發(fā)嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故，從而給煤礦開(kāi)采企業(yè)帶來(lái)較大損失。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造給采煤機(jī)械設(shè)備帶來(lái)的影響分析，并通過(guò)加強(qiáng)震波探測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和鉆孔探測(cè)實(shí)現(xiàn)有效預(yù)防，為煤礦生產(chǎn)提供更多安全保障。

[1] 王強(qiáng).地質(zhì)構(gòu)造對(duì)綜合機(jī)械化采煤的影響[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào)，2013（15）：197.

[2] 李志海.18305工作面過(guò)地質(zhì)構(gòu)造的方法及支護(hù)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（31）：93.

[3] 趙晉強(qiáng)，喬穎.影響綜合機(jī)械化采煤的煤層因素分析[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012（10）：157-158.

[4] 王卿.綜合機(jī)械化采煤的影響因素與經(jīng)驗(yàn)分析[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2016，31（12）：142-143.