超長大采高綜采面安全推過大斷層合理方法研究

華心祝，李志華，2，楊 科，朱若軍，周德生，李迎富

(1.安徽理工大學煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽淮南232001; 2.安徽理工大學礦業工程博士后流動站，安徽淮南232001;3.國投新集能源股份有限公司劉莊煤礦，安徽阜陽236235)

大采高綜采具有生產能力大、單產高、巷道布置簡單、工序簡單、巷道掘進量和維護量小、回采工效和煤炭資源采出率高等優點，已成為我國厚煤層開采的主要發展方向［1－2］。目前，常規的綜采工作面過斷層技術已趨成熟，但大采高綜采工作面由于采高大，過斷層破碎帶時有支架實際支護阻力降低、支架位態變差、頂板漏矸等情況發生，尤其當斷層斷距較大時，會加大工作面通過的難度［3－4］。

國投新集劉莊煤礦171301工作面位于劉莊煤礦西三13－1煤采區，為西區首采工作面;開采標高為－515.7～－681.2m。工作面為傾向長壁布置，工作面傾向長為1285m，切眼長300m，煤層傾角5～9°，平均傾角7°;煤層厚度4.30～6.30m，平均總厚度5.14m。工作面東臨F20斷層，西臨F8斷層，北臨F60斷層，南臨F22斷層，F18斷層斜切于工作面的北部 (F18斷層傾向305°，傾角55～65°，落差為7.5～16.5m)，受上述斷層的影響，工作面內小斷層極為發育。而與171301工作面相鄰的171303工作面煤層厚度5.10～6.40m，平均煤厚5.57m，受F18斷層的影響更大 (圖1)。當工作面接近裂縫帶時，因頂板被切斷，失去傳遞力的作用，工作面前方頂板巖層將給工作面和斷層間的煤柱造成加壓產生較高的應力集中，并引起大范圍頂板運動，容易導致壓垮型、漏冒型、推垮型等冒頂事故的發生［5］。因此，為了保證大采高綜采工作面安全順利通過F18大落差斷層，需開展超長大采高綜采面安全推過大斷層合理方法研究。

1 斷層影響區頂板平衡結構力學分析

當工作面接近斷層時，基本頂便以工作面前方斷層面發生斷裂［6］。根據工作面開采方向與斷層傾向之間的關系，概化為兩組斷層模型，一組是工作面由斷層下盤向斷層推進 (斷層構造模型1);另一組是工作面由斷層上盤向斷層推進 (斷層構造模型2)，如圖2所示。

圖1 F18斷層影響區

圖2 巖塊平衡結構力學模型

在斷層模型1中 (工作面由斷層下盤向斷層推進)，斷層正應力N=Tcosθ－Rsinθ，斷層剪應力F=Rcosθ+Tsinθ。在斷層模型2中 (工作面由斷層上盤向斷層推進)，斷層正應力N=Tcosθ+ Rsinθ，斷層剪應力F=Rcosθ－Tsinθ。式中，T為水平推力;R為剪切力;θ為斷裂面與垂直面形成的斷裂角。

在斷層模型1中 (工作面位于斷層下盤)，隨著工作面推進，斷層正應力減小，斷層剪應力增加，斷層受采動影響易于“活化”，頂板結構不易取得平衡，即工作面礦壓顯現比較明顯。相反在斷層模型2中 (工作面位于斷層上盤)，則情況要好得多，斷層正應力增加，頂板則易于形成砌體梁式或傳遞梁式平衡結構，對控制頂板有利［7－8］。所以劉莊煤礦171301工作面、171303工作面采用由F18斷層上盤向斷層推進的方法通過大斷層。

2 171301工作面過斷層方法及存在問題

2.1 以往工作面過斷層常用方法

以綜采工作面過正斷層、從上盤向下盤推進為例來說明［9］。當綜采面從上盤接近斷層面時，斷層破碎帶弱變區 (斷層破碎帶內煤層的范圍)內的煤層因破壞嚴重，其黏聚力幾乎為零，故很容易發生片幫，使端面空頂距增大，破碎的頂板巖層易造成端面冒頂。當綜采面推進到下盤后，需割底留頂推進。而后部分頂煤是斷層破碎帶的弱變形區，破碎嚴重，不容易留住，端面很容易產生冒頂。

為了綜采面快速、安全地通過斷層，保持工作面的高產高效，必須消除或減弱弱變形區的影響，盡量減少端面冒頂的發生。同樣以上述綜采面過正斷層、從上盤向下盤推進為例來說明，見圖3所示。圖中，a為斷層傾角;h為斷層落差;L1為煤層頂板爬坡點距斷層面水平距離;L2為煤層底板爬坡點距斷層面水平距離。

圖3 工作面過斷層一般方法

當綜采面從斷層的上盤向下盤推進時，不是到了斷層面后再爬坡，而是當綜采面距斷層面一定距離處就開始以一定的仰角爬坡，割頂板巖層或頂煤，留底煤，使得綜采面推進到斷層下盤時，其底板正好為原推進的層位巖層，從而恢復到正常回采，這樣就可以消除或減小斷層下盤弱變形區對綜采面回采的影響。

2.2 171301工作面過斷層存在問題

171301工作面在回采過程中遇見F18斷層，采用采煤機破煤層頂、底板平整過渡，底板起伏坡度不大于15°。如遇到比較硬的巖層，采煤機割不動的情況下，采用放炮來破巖層，將采高嚴格控制在4.5m左右。若斷層交面在工作面上段和下段，采煤機破斷層上盤的頂板;若斷層交面在工作面中段，采煤機破斷層下盤的底板、上盤的頂板，如圖4所示。由于171301工作面采用破頂破底的方法過斷層，而該面頂板為較為堅硬的砂巖，采煤機割不動，不得不采用放炮來破巖層，造成工作面推進速度慢;又由于過斷層時平整過渡、未及時調整采高造成割煤少、割矸多，經濟效益差的局面。

3 171303工作面過斷層合理方法確定

3.1 171303工作面過斷層方法的提出

斷層是影響煤炭開采重要的地質因素［10］。F18斷層落差較大，達到17m，從而增加了回采的難度。若處理不當，不僅會嚴重影響正常生產，還會對井下工作人員造成一定的安全隱患。針對不同工作面的具體情況，應采取相應過斷層方法和措施，最大限度地回收煤炭資源，提高工作面的產量和礦井的經濟效益。

圖4 171301工作面過F18斷層地質剖面

根據171303工作面具體的地質條件，確定如下過F18大斷層方案:

(1)工作面在過斷層影響范圍內，在風、機巷巷道較高處提前接頂，沿現兩巷底板進行移架，工作面方向按兩巷底板為準進行調整。

(2)該斷層為正斷層，且13－1煤底板為泥巖，頂板為砂巖，因此在過斷層期間，在斷層面下盤進行調整坡度，順坡過渡到斷層面下盤的13－1煤，期間在斷層下盤需及時調整坡度留頂煤破煤層底板。

(3)在斷層面處在工作面上端頭及下端頭位置50m，其坡度調整范圍比較小時，可適當減小過斷層調整坡度。

(4)在工作面刮板機及支架能夠調整的情況下，工作面過斷層調整坡度不大于15°。

(5)在過斷層范圍內，如需要破頂板砂巖，在采煤機割不動的情況下，采用放松動炮進行破矸。

圖5為171303工作面過F18斷層預想剖面圖。

圖5 171303工作面過F18斷層預想地質剖面

3.2 工作面過斷層方法相似模擬試驗

以劉莊礦171303工作面地質條件為背景，對大采高綜采面過大斷層方法進行了相似模擬試驗。試驗主要研究工作面采用臥底方法過斷層時采場圍巖力學特征及頂板巖層穩定性。采用安徽理工大學采礦實驗室的旋轉式平面應變模型試驗臺，模型架尺寸為:2m×0.2m×2m(長×寬×高)。F18斷層為正斷層，傾角60°，落差17m。鋪設材料選用河沙、石膏和石灰、云母粉等。自煤層底板開始，逐層稱取相似材料，干拌均勻后，加水拌勻，倒入模型架，鋪平錘實。先鋪設下盤巖層，鋪設好后，在斷層面撒上云母粉，模擬斷層結構面，再鋪設上盤巖層。每層鋪好后，在層面上撒上云母粉，模擬層理間結構面［11］，再依次鋪設上層巖層。

工作面由斷層上盤向斷層推進，當工作面推進到下盤后，在斷層面下盤進行調整坡度，按照15°坡度割底留頂，順坡過渡到斷層面下盤的13－1煤。模擬試驗過程如圖6所示。

圖6 模擬試驗過程

由圖6可知，工作面由斷層上盤向斷層推進，工作面前方礦壓作用力方向近乎垂直于前方斷層，易于形成砌體梁式或傳遞梁式平衡結構。斷層不易于“活化”，即使當工作面推進到斷層面附近，斷層對礦壓顯現及頂板活動影響較小，上盤、下盤沿斷層面緊密結合，斷層滑移量較小。工作面過斷層時，頂板裂縫帶進入斷層帶，上盤中沿斷層面形成了多條垂直斷層面的裂紋，頂板穩定性差，冒落帶高，并且隨著工作面的推進，冒落帶高度增加，工作面片幫深度增加，頂板在旋轉下沉過程中不易形成平衡結構，導致頂板周期斷裂步距減小，工作面支承壓力增大。通過提高支架支護強度，保證支架具有良好運行狀態，工作面仍能連續推進到斷層下盤煤層。

4 工程實踐

4.1 大采高綜采面過斷層安全技術保障體系

F18斷層落差較大，影響范圍大，為確保171303工作面安全順利通過斷層影響區域，建立了171303工作面過斷層工作面爆破、機電設備及工具使用、頂板管理、倒架、咬架走斜、防治水等安全技術保障體系 (圖7)，從而保證工作面順利通過該大斷層，實現了工作面過大斷層連續推進，提高了采出率，減少了巷道掘進量。

圖7 大采高綜采面過大斷層安全技術保障體系

4.2 工程實踐效果分析

171301工作面采用挑頂兼臥底的方法通過該斷層，無論是在斷層上盤還是斷層下盤都會損失一定的煤。171303工作面完全采用臥底的方法，只在斷層下盤有丟煤。可以看出工作面過斷層時若坡度過于平緩，則會造成每米推進煤量減少，矸石量增加。所以，為了減少丟煤，在工作面刮板機及支架能夠調整的情況下，盡量加大調架力度，沿煤頂推進，過斷層時降低采高。例如可以沿圖8中虛線推進。

表1和表2分別為171301，171303工作面過斷層期間每米推進煤量、矸石量和損失煤量，可以看出171301工作面每米推進掘出煤量和矸石量總和約2600t，171303工作面每米推進掘出煤量和矸石量總和約2260t，工作面推進過程中每米推進煤量越少，那么每米推進矸石量就越多。通過對比可以看出171301工作面在回采過程中遇見F18斷層，采用采煤機破煤層頂、底板平整過渡，每米推進煤量較低，甚至不到每米推進矸石量的一半，造成每米推進損失煤量高，矸石含量高，嚴重影響到煤質，而且大量煤炭遺留在采空區，還會造成安全隱患。171303工作面在過斷層期間，根據斷層產狀，采用臥底的方法，在斷層下盤及時調整坡度留頂煤破煤層底板。每米推進煤量較高，高于每米推進矸石量。

圖8 171303工作面過F18斷層地質剖面

表1 171301工作面過斷層參數統計

表2 171303工作面過斷層參數統計

5 結 論

(1)大采高綜采面采用由斷層上盤向斷層推進的方法通過斷層，頂板則易于形成砌體梁式或傳遞梁式平衡結構，工作面礦壓顯現不明顯，對控制頂板有利。

(2)當工作面頂板為較堅硬的砂巖，采煤機割不動時，可以根據工作面具體地質條件，采用臥底方法通過該斷層。

(3)171301工作面采用采煤機破煤層頂、底板平整過渡，每米推進煤量較低，造成每米推進損失煤量高，矸石含量高。171303工作面采用臥底的方法，在斷層下盤及時調整坡度留頂煤破煤層底板。每米推進煤量較高，每米推進矸石量減少。

(4)在采煤機、支架等設備允許的情況下過大斷層時盡可能加大仰采角度，不僅可以縮短過斷層割巖石的距離，而且還可以提高煤炭采出率。

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