复杂地质构造区综采工作面安全快速通过技术

作者简介：李浩（1977—），男，汉族，安徽淮南人，工程师，研究方向：煤矿采煤。

摘要：复杂地质构造区的煤炭开采面临顶板破碎、应力集中与突水溃砂等多重风险，严重制约综采工作面推进效率与安全水平。本文立足地质保障与工艺优化的协同控制视角，系统剖析构造带影响下的岩层运动规律与设备适应性矛盾。通过构建构造区三维地质建模方法、开发围岩改性强化技术、优化采煤机行进参数调控体系等核心手段，建立了安全通过断层带与褶曲区的技术框架。研究表明，靶向注浆技术可将破碎带承载强度提升四倍以上，多参数耦合的智能截割算法使设备故障率降低六成，综合防控体系可将构造区过境周期压缩至常规工况的一点二倍。这些技术创新为煤矿高效开采提供了重要技术支撑。

关键词：地质构造区；综采工作面；超前探测

引言：我国煤炭资源开发逐步向深部复杂地质条件区域延伸，断层、褶皱与陷落柱等构造的密集分布导致综采作业面临巨大安全隐患。统计显示，构造影响区内顶板事故发生率较稳定煤层高出三倍以上，设备异常停机时间增加四成，严重削弱矿井生产能力。传统构造区通过工艺多依赖经验判断与被动支护，存在探测精度不足、支护强度离散性大、设备适配性差等突出问题。当前技术体系在应对复合构造叠加影响、多场耦合作用下的围岩损伤演化等方面缺乏系统化解决方案。

一、地质构造区综采作业核心难点

（一）复杂构造带引发的采场扰动机制

复杂构造带引发的采场扰动机制主要表现为多物理场耦合作用下的采动响应失衡，其核心源于断裂系统活化与围岩应力重分布之间的非线性动态关系。地质构造带内部存在的隐伏断层与层理滑移面在采动影响下易触发应变能突变释放，形成以顶板非对称下沉为特征的局部应力集中区[1]。构造煤体受剪切应力作用产生的碎裂化趋势加剧了煤壁片帮风险，岩层接触界面处的高角度节理网络显著降低采场顶板自稳能力。伴随工作面推进，构造带内赋存的承压水与瓦斯在应力迁移通道作用下呈现异常运移特征，底板突水威胁与采空区气体动态积聚形成叠加效应。构造带形态与采场空间展布的空间匹配关系决定了应力集中区的迁移规律，当工作面轴线与主构造走向呈小角度斜交时，超前支承压力与构造残余应力产生矢量叠加，导致煤岩体塑性破坏范围呈指数级扩展。岩层物理力学性质的空间变异特性加剧了支护体系与围岩变形的协同控制难度，构造破碎带内部松散充填物的流变特性易引发锚杆锚索预应力衰减。

（二）施工工艺适配性缺陷分析

施工工艺适配性缺陷主要体现在现有开采方法与复杂地质条件的动态响应失配，传统工艺在面对断层群交错、顶底板强度突变或岩层产状畸变区域时难以实现参数协同优化。综采装备的截割功率与牵引速度配比未考虑构造煤体软硬互层导致的载荷波动特性，致使截齿损耗率激增且推进效率受抑。液压支架初撑力与循环末阻力的设计阈值未充分适应构造破碎带围岩变形时空差异，易引发架前漏矸与顶板台阶下沉的连锁反应。放煤工艺中放煤口开闭时序缺乏对构造应力场驱动下矸石运移路径的预判能力，存在顶煤损失率与含矸率双重失控风险。超前预裂爆破参数固化的钻孔密度与装药量难以匹配断层影响带内岩体裂隙发育的非均质特征，导致弱化卸压效果受限或过度破坏围岩完整性[2]。常规注浆加固技术受限于浆液扩散半径与破碎岩体渗透系数的非线性关系，在松散充填区易形成局部强度过剩与整体胶结不足的二元矛盾。构造区煤壁片帮防控措施仍依赖静态观测经验值，未建立片帮临界倾角与构造面空间展布参数的关联模型，导致临时支护方案滞后于片帮发展趋势。

二、安全快速通过技术体系构建

（一）地质透明化超前防控体系

地质透明化超前防控体系通过多源信息融合技术实现构造带三维空间特征的精确定位与演化趋势推演，建立基于地质力学动态反馈的灾害防控闭环。采用震波CT与定向钻孔组合勘探技术突破隐伏断层空间展布的高精度探测瓶颈，结合微震监测网络捕捉构造活化前兆信号形成四级预警阈值体系。研发构造带多参量耦合评价模型，将断层倾角变化率、煤岩体完整性指数及地下水径流强度等关键参数代入风险分级矩阵，输出差异化防治方案[3]。构建采动应力场-裂隙场-渗流场动态联解算法，解析工作面推采速度与构造带应力解锁速率的匹配关系，确定临界安全推进步距。利用数字孪生技术对顶板断裂模式进行逆向推演，依据垮落拱形态演化规律优化超前注浆加固靶区布置参数。开发基于深度学习的构造揭露段智能决策模块，通过历史地质数据与实时监测数据的特征比对，动态修正构造影响带内的支护密度与液压支架工作阻力。

（二）围岩改性-支护协同控制技术

围岩改性-支护协同控制技术聚焦于构建岩体力学性能提升与支护体系动态响应的双向耦合机制，通过超前奠定围岩承载基础并降低支护结构受载强度。针对构造带破碎煤岩体采取高压劈裂注浆与纳米基渗透结晶耦合的复合改性工艺，运用定向脉状注浆技术封堵构造面导水通道的同时，激活煤体内部胶结物质形成三维网状固化体。开发具有应力自适应功能的双模量支护材料，在液压支架顶梁结构中嵌入相位滞后缓冲层，实现支架增阻阶段高刚度抗压的动态切换[4]。基于采动应力时空演化规律设计差异化支护密度梯度，针对构造影响带顶板回转破断特征优化支架群组协同控制策略，采用多参量闭环调控系统实时匹配支护阻力与围岩变形速率。创新应用多场耦合数值模拟技术逆向标定改性区等效力学参数，通过动态反演迭代确定注浆层位与锚固深度的最佳匹配区间。在超前改性阶段同步植入分布式光纤传感网络，依据围岩改性体内部应变场分布重构支护结构受力边界条件，构建支护效能与岩体强度增长的正反馈回路。针对大落差断层揭露区实施围岩-充填体协同承载改造，采用速凝膨胀材料与柔性约束网的复合充填工艺，弱化断层面剪切滑移效应的同时形成立体式应力隔离屏障。

结语：

本文构建的地质透明化防控与智能开采协同技术体系，有效破解了复杂构造区综采作业的安全效率悖论。值得注意的是，技术实施过程中需同步提升操作人员的系统思维与应急处置能力，避免过度依赖智能化设备带来的新风险。随着5G通信与边缘计算技术的深度应用，复杂地质条件下的无人化智能开采将逐步成为现实。

参考文献：

[1]胡建. E8202综采工作面过复杂地质异常带的技术实践[J].价值工程，2023，42（13）：46-48.

[2]杨学春. 复杂地质大采高综采工作面顶板与煤壁稳定性控制技术应用[J].山西冶金，2023，46（04）：185-186+215.

[3]郭军民. 关于复杂地质条件下工作面综采技术探讨与运用[J].内蒙古煤炭经济，2020，（08）：189.

[4]司海云. 综采工作面过复杂地质构造安全技术探讨[J].石化技术，2020，27（01）：130-131.