特厚煤層綜放工作面過斷層安全開采技術研究

付登科

（霍州煤電集團有限責任公司團柏煤礦，山西霍州031414）

1 工程概況

表1 斷層參數總表

霍州煤電集團公司龐龐塔礦的9-700綜放工作面位于9#煤七采區南翼0#工作面，工作面走向長2394m，傾斜寬232m，煤層埋深約為380m，開采煤層平均厚度11.8m，密度為1.41t/m3，煤層傾角平均14°，根據9#煤層的厚度、傾角等賦存特征，9-700綜放工作面設計機采高度為3.2m，工作面頂板為第二次夾矸，采煤機沿底板推進，不得留有底煤。放煤高度為8.6m，單輪順序放煤，采放比1：2.69，割煤深度0.8m。

據掘進資料，該面掘進中揭露斷層8條,其中F2、F6、F7對回采有很大的影響，F6斷層在西區9#煤層車場揭露，在9-700工作面內部延伸約700m后通過正巷揭露完成，對9-700工作正常回采影響很大，回采期間可能還會有小的斷層出現，因此在工作面開采過程中必須加強頂板管理，防止沖擊事故的發生。已揭露的各個斷層特征如表1。

2 微震特征觀測

為了觀測9-700綜放工作面開采過程中構造活化和圍巖破裂的信息，在工作面開采前，在工作面的軌道平巷和運輸平巷內，自開切眼處起，每間隔50m，各設置一組檢波器，工作面推進至檢波器位置時，隨撤隨安裝，保證工作面前后最少有六組的測量站同時正常運行。由于9-700上覆巖層較薄且表土層較厚，并且煤層較厚，因此選擇頻率范圍在60～1400Hz的檢波器來檢測高頻低能的微震時間[1]。

圖1 9-700綜放工作面平面測點布置圖

圖2 為9-700綜放工作面過斷層期間的微震特征曲線圖。由圖可知，工作面距斷層F1232m時，總能量達到峰值42895 J，此時微震時間數量為24個；當工作面距斷層213m時，在較長的一段時間內，微震時間的總數量和總能量漸漸減小；當推進至距工作面83米左右時，微震時間總數量又開始增加；事件數量的最大值在距斷層F155.3m時取得為36個。

圖2 綜放工作面過斷層F1期間微震事件特征曲線圖

根據9-700工作面斷層過程中微震事件特征曲線，根據微震事件總數量及總能量的階段性的變化規律，可將在綜放工作面對采動影響下斷層F1的活化分為三個過程[2]：

1）壓力顯現階段。由于斷層附近存在較大的構造應力，煤層的開采破壞了原本的平衡結構，當工作面遠離斷層（266-213m）時，工作面方向的煤巖體內積聚的構造應力釋放，此時工作面和巷道有發生活化型沖擊地壓的危險。這個過程中液壓支架的受力會逐漸增大，工作面頂板的控制難度增加。

2）儲能階段。煤巖體內斷層雖然破壞了其連續性，但是斷層處仍然有某種程度上的摩擦阻力和粘聚力，能阻止一定應力范圍內的相對滑動，當工作面遠離斷層（213～83m）時，結構面抵抗著斷層的相對位移，因此結構表面可以積聚一些能量。期間工作面液壓支架工作阻力穩定，工作面生產不受斷層構造的影響。

3）結構活化階段。當工作面距斷層較近（83～0m）時，結構面間的粘聚力和摩擦力已經不足以阻止由于采動影響傳遞給斷層結構的支承壓力，導致頂板回轉下沉使斷層附近煤體和液壓支架承受很大的壓力，煤體如果在一瞬間崩塌，此時發生的就是斷層煤柱型沖擊災害。

通過對比9-700工作面過斷層F1期間微震事件特征曲線不同的階段，每個階段均有其明顯的特征。在壓力顯現階段，微震事件總能量最大，可達到42895 J，煤體蓄積著很多能量，而在結構活化階段，單日微震事件最大總能量僅為21036 J,只是壓力顯現階段的二分之一，說明斷層在應力顯現階段更容易誘發沖擊地壓，因此在9-700綜放工作面開采過程中，必須提前對頂板進行綜合管理，保證工作面對安全生產。

3 工作面過斷層期間沖擊地壓機制

根據在9-700工作面的微震監測結果將工作面過斷層過程中沖擊災害分為斷層煤柱型和斷層活化型兩種。

1）斷層活化型沖擊機制；斷層在形成過程用，由于斷層上下盤相對滑動的趨勢，使斷層兩側的巖體中積聚了大量的構造應力，其中水平應力為主。巷道的采掘及工作面的開采均破壞了斷層原本的平衡狀態，當工作面與斷層間的煤體不足以抵抗原本蓄積的水平構造應力時，工作面方向的煤巖體均會向圖3（a）所示方向運移，構造應力的釋放，導致工作面前方的煤巖體破壞震動，可能在工作面發生斷層活化性沖擊，破壞綜放工作面對設備，甚至威脅工人們的安全[3]。

圖3 工作面過斷層期間沖擊地壓機制結構圖

2）斷層煤柱型沖擊機制。隨著工作面距斷層的減小，斷層上下盤移動的趨勢越來越強烈，由于斷層的破壞了頂底板的連續性，采煤工作面對擾動使頂板回轉下沉，導致斷層煤柱上應力高度集中，大量彈性能積聚在煤體內，如圖3（b）。頂板回轉下沉的角度越來越大，工作面對推進在不斷的減小煤柱的寬度，當煤柱承受不住頂板的壓力時，媒體會發生崩解碎裂，該過程中伴隨著大量的微震事件，此時可以采取增大液壓支架工作阻力、增加巷道兩側卸壓保護帶寬度等措施防止沖擊地壓的發生。

4 工作面過斷層期間沖擊地壓綜合防治措施及實踐

4.1 工作面過斷層期間沖擊防治措施

根據工作面距斷層距離的不同分別采取不同的措施來預防兩類動力災害。

4.1.1 斷層活化引起的沖擊地壓綜合防治

斷層活化階段，斷層需要釋放大量的水平構造應力，這個過程中應當嚴格的控制工作面對推進速度，并且加強工作面的頂板管理，提升巷道的支護強度。

合理的控制綜放工作面的推進速度，給斷層內的構造應力更多的釋放時間，將其變為一個相對勻速且平緩的過程，同時加強觀測，做好提前預警工作，最終避免出現沖擊事故。

加強巷道支護。對巷道加強超前支護，并且采用錨網加固巷道頂板，提高巷道圍巖對斷層活化過程中煤巖體形變和位移的抵抗能力。

4.1.2 斷層煤柱型沖擊地壓防治措施

防治斷層煤柱型沖擊地壓的主要技術措施有開采前進行預卸壓、開采過程中的實時監測和預警及出現預警后的解危措施。

在超前工作面300m處，斷層85米范圍內采用大直徑卸壓鉆孔增加煤體的塑性，進行提前卸壓。

為盡量縮小頂板的暴露時間，工作面采用及時支護的方式，過斷層時應采取帶壓移架的方法。用微震監測和應力監測，加強對煤巖體沖擊趨勢的判斷，當微震的總數或總能量出現較大波動時，采用電磁輻射法或鉆屑法進行驗證，如果確認有沖擊地壓的危險，就立刻制定具體的解危措施[4]。

4.2 9-700綜放工作面過斷層期間防沖實踐

霍州煤電集團公司辛置煤礦的9-700綜放工作面開采范圍內存在諸多斷層，為確保工作面安全通過斷層，超前工作面300m處對有沖擊地壓危險的區域進行卸壓，1號卸壓區是為了防止斷層活化型沖擊地壓，2號卸壓區號卸壓區為采空區二次見方與斷層疊加影響沖擊危險區，防止斷層煤柱型沖擊地壓，在2號卸壓區采用直徑150mm，孔深25m，間距為2.5m的大直徑卸壓鉆孔。

采用微震監測系統對采場周圍礦壓顯現進行實時監測。經過對工作面的綜合管理，在9-700工作面過斷層F1過程中微震事件監測到的數據也偶爾出現異常，但是沒有達到預警的程度，用鉆屑法進行驗證，也并未發現煤粉超標的現象，可知綜合防沖措施取得了理想的效果。為了降低對斷層活化階段的擾動影響，出于工作面安全的考慮，在斷層活化階段將工作面的推進速度降低了20%，保障工作面安全推過了斷層沖擊危險區。

圖4 工作面巧壓鉆孔施工圖

5 結 論

1）根據綜放9-700工作面微震監測的結果，將工作面開采過程中斷層導致巖層及煤體內壓力的變化分為三個階段分別為壓力顯現階段、儲能階段、結構活化階段，形象的描述了沖擊壓力的發展過程。

2）將工作面過斷層期間的動力災害歸結為斷層活化型和斷層煤柱型兩種類型，活化型主要由于工作面的擾動導致斷層兩側積聚的構造應力釋放從而引起沖擊地壓；斷層煤柱應力的高度集中，導致煤巖體失穩沖擊定義為煤柱型沖擊地壓。

3）基于9-700綜放工作面過斷層沖擊地壓提出了相應的沖綜合治理措施，并在工作面進行了現場驗證，為該工作面過F2、F6等較大斷層提供了解決措施，也為類似特厚煤層綜放工作面過斷層安全開采提供了借鑒。