超长大采高综采面安全推过大断层合理方法研究

华心祝，李志华，2，杨 科，朱若军，周德生，李迎富

(1.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽淮南232001; 2.安徽理工大学矿业工程博士后流动站，安徽淮南232001;3.国投新集能源股份有限公司刘庄煤矿，安徽阜阳236235)

大采高综采具有生产能力大、单产高、巷道布置简单、工序简单、巷道掘进量和维护量小、回采工效和煤炭资源采出率高等优点，已成为我国厚煤层开采的主要发展方向［1－2］。目前，常规的综采工作面过断层技术已趋成熟，但大采高综采工作面由于采高大，过断层破碎带时有支架实际支护阻力降低、支架位态变差、顶板漏矸等情况发生，尤其当断层断距较大时，会加大工作面通过的难度［3－4］。

国投新集刘庄煤矿171301工作面位于刘庄煤矿西三13－1煤采区，为西区首采工作面;开采标高为－515.7～－681.2m。工作面为倾向长壁布置，工作面倾向长为1285m，切眼长300m，煤层倾角5～9°，平均倾角7°;煤层厚度4.30～6.30m，平均总厚度5.14m。工作面东临F20断层，西临F8断层，北临F60断层，南临F22断层，F18断层斜切于工作面的北部 (F18断层倾向305°，倾角55～65°，落差为7.5～16.5m)，受上述断层的影响，工作面内小断层极为发育。而与171301工作面相邻的171303工作面煤层厚度5.10～6.40m，平均煤厚5.57m，受F18断层的影响更大 (图1)。当工作面接近裂缝带时，因顶板被切断，失去传递力的作用，工作面前方顶板岩层将给工作面和断层间的煤柱造成加压产生较高的应力集中，并引起大范围顶板运动，容易导致压垮型、漏冒型、推垮型等冒顶事故的发生［5］。因此，为了保证大采高综采工作面安全顺利通过F18大落差断层，需开展超长大采高综采面安全推过大断层合理方法研究。

1 断层影响区顶板平衡结构力学分析

当工作面接近断层时，基本顶便以工作面前方断层面发生断裂［6］。根据工作面开采方向与断层倾向之间的关系，概化为两组断层模型，一组是工作面由断层下盘向断层推进 (断层构造模型1);另一组是工作面由断层上盘向断层推进 (断层构造模型2)，如图2所示。

图1 F18断层影响区

图2 岩块平衡结构力学模型

在断层模型1中 (工作面由断层下盘向断层推进)，断层正应力N=Tcosθ－Rsinθ，断层剪应力F=Rcosθ+Tsinθ。在断层模型2中 (工作面由断层上盘向断层推进)，断层正应力N=Tcosθ+ Rsinθ，断层剪应力F=Rcosθ－Tsinθ。式中，T为水平推力;R为剪切力;θ为断裂面与垂直面形成的断裂角。

在断层模型1中 (工作面位于断层下盘)，随着工作面推进，断层正应力减小，断层剪应力增加，断层受采动影响易于“活化”，顶板结构不易取得平衡，即工作面矿压显现比较明显。相反在断层模型2中 (工作面位于断层上盘)，则情况要好得多，断层正应力增加，顶板则易于形成砌体梁式或传递梁式平衡结构，对控制顶板有利［7－8］。所以刘庄煤矿171301工作面、171303工作面采用由F18断层上盘向断层推进的方法通过大断层。

2 171301工作面过断层方法及存在问题

2.1 以往工作面过断层常用方法

以综采工作面过正断层、从上盘向下盘推进为例来说明［9］。当综采面从上盘接近断层面时，断层破碎带弱变区 (断层破碎带内煤层的范围)内的煤层因破坏严重，其黏聚力几乎为零，故很容易发生片帮，使端面空顶距增大，破碎的顶板岩层易造成端面冒顶。当综采面推进到下盘后，需割底留顶推进。而后部分顶煤是断层破碎带的弱变形区，破碎严重，不容易留住，端面很容易产生冒顶。

为了综采面快速、安全地通过断层，保持工作面的高产高效，必须消除或减弱弱变形区的影响，尽量减少端面冒顶的发生。同样以上述综采面过正断层、从上盘向下盘推进为例来说明，见图3所示。图中，a为断层倾角;h为断层落差;L1为煤层顶板爬坡点距断层面水平距离;L2为煤层底板爬坡点距断层面水平距离。

图3 工作面过断层一般方法

当综采面从断层的上盘向下盘推进时，不是到了断层面后再爬坡，而是当综采面距断层面一定距离处就开始以一定的仰角爬坡，割顶板岩层或顶煤，留底煤，使得综采面推进到断层下盘时，其底板正好为原推进的层位岩层，从而恢复到正常回采，这样就可以消除或减小断层下盘弱变形区对综采面回采的影响。

2.2 171301工作面过断层存在问题

171301工作面在回采过程中遇见F18断层，采用采煤机破煤层顶、底板平整过渡，底板起伏坡度不大于15°。如遇到比较硬的岩层，采煤机割不动的情况下，采用放炮来破岩层，将采高严格控制在4.5m左右。若断层交面在工作面上段和下段，采煤机破断层上盘的顶板;若断层交面在工作面中段，采煤机破断层下盘的底板、上盘的顶板，如图4所示。由于171301工作面采用破顶破底的方法过断层，而该面顶板为较为坚硬的砂岩，采煤机割不动，不得不采用放炮来破岩层，造成工作面推进速度慢;又由于过断层时平整过渡、未及时调整采高造成割煤少、割矸多，经济效益差的局面。

3 171303工作面过断层合理方法确定

3.1 171303工作面过断层方法的提出

断层是影响煤炭开采重要的地质因素［10］。F18断层落差较大，达到17m，从而增加了回采的难度。若处理不当，不仅会严重影响正常生产，还会对井下工作人员造成一定的安全隐患。针对不同工作面的具体情况，应采取相应过断层方法和措施，最大限度地回收煤炭资源，提高工作面的产量和矿井的经济效益。

图4 171301工作面过F18断层地质剖面

根据171303工作面具体的地质条件，确定如下过F18大断层方案:

(1)工作面在过断层影响范围内，在风、机巷巷道较高处提前接顶，沿现两巷底板进行移架，工作面方向按两巷底板为准进行调整。

(2)该断层为正断层，且13－1煤底板为泥岩，顶板为砂岩，因此在过断层期间，在断层面下盘进行调整坡度，顺坡过渡到断层面下盘的13－1煤，期间在断层下盘需及时调整坡度留顶煤破煤层底板。

(3)在断层面处在工作面上端头及下端头位置50m，其坡度调整范围比较小时，可适当减小过断层调整坡度。

(4)在工作面刮板机及支架能够调整的情况下，工作面过断层调整坡度不大于15°。

(5)在过断层范围内，如需要破顶板砂岩，在采煤机割不动的情况下，采用放松动炮进行破矸。

图5为171303工作面过F18断层预想剖面图。

图5 171303工作面过F18断层预想地质剖面

3.2 工作面过断层方法相似模拟试验

以刘庄矿171303工作面地质条件为背景，对大采高综采面过大断层方法进行了相似模拟试验。试验主要研究工作面采用卧底方法过断层时采场围岩力学特征及顶板岩层稳定性。采用安徽理工大学采矿实验室的旋转式平面应变模型试验台，模型架尺寸为:2m×0.2m×2m(长×宽×高)。F18断层为正断层，倾角60°，落差17m。铺设材料选用河沙、石膏和石灰、云母粉等。自煤层底板开始，逐层称取相似材料，干拌均匀后，加水拌匀，倒入模型架，铺平锤实。先铺设下盘岩层，铺设好后，在断层面撒上云母粉，模拟断层结构面，再铺设上盘岩层。每层铺好后，在层面上撒上云母粉，模拟层理间结构面［11］，再依次铺设上层岩层。

工作面由断层上盘向断层推进，当工作面推进到下盘后，在断层面下盘进行调整坡度，按照15°坡度割底留顶，顺坡过渡到断层面下盘的13－1煤。模拟试验过程如图6所示。

图6 模拟试验过程

由图6可知，工作面由断层上盘向断层推进，工作面前方矿压作用力方向近乎垂直于前方断层，易于形成砌体梁式或传递梁式平衡结构。断层不易于“活化”，即使当工作面推进到断层面附近，断层对矿压显现及顶板活动影响较小，上盘、下盘沿断层面紧密结合，断层滑移量较小。工作面过断层时，顶板裂缝带进入断层带，上盘中沿断层面形成了多条垂直断层面的裂纹，顶板稳定性差，冒落带高，并且随着工作面的推进，冒落带高度增加，工作面片帮深度增加，顶板在旋转下沉过程中不易形成平衡结构，导致顶板周期断裂步距减小，工作面支承压力增大。通过提高支架支护强度，保证支架具有良好运行状态，工作面仍能连续推进到断层下盘煤层。

4 工程实践

4.1 大采高综采面过断层安全技术保障体系

F18断层落差较大，影响范围大，为确保171303工作面安全顺利通过断层影响区域，建立了171303工作面过断层工作面爆破、机电设备及工具使用、顶板管理、倒架、咬架走斜、防治水等安全技术保障体系 (图7)，从而保证工作面顺利通过该大断层，实现了工作面过大断层连续推进，提高了采出率，减少了巷道掘进量。

图7 大采高综采面过大断层安全技术保障体系

4.2 工程实践效果分析

171301工作面采用挑顶兼卧底的方法通过该断层，无论是在断层上盘还是断层下盘都会损失一定的煤。171303工作面完全采用卧底的方法，只在断层下盘有丢煤。可以看出工作面过断层时若坡度过于平缓，则会造成每米推进煤量减少，矸石量增加。所以，为了减少丢煤，在工作面刮板机及支架能够调整的情况下，尽量加大调架力度，沿煤顶推进，过断层时降低采高。例如可以沿图8中虚线推进。

表1和表2分别为171301，171303工作面过断层期间每米推进煤量、矸石量和损失煤量，可以看出171301工作面每米推进掘出煤量和矸石量总和约2600t，171303工作面每米推进掘出煤量和矸石量总和约2260t，工作面推进过程中每米推进煤量越少，那么每米推进矸石量就越多。通过对比可以看出171301工作面在回采过程中遇见F18断层，采用采煤机破煤层顶、底板平整过渡，每米推进煤量较低，甚至不到每米推进矸石量的一半，造成每米推进损失煤量高，矸石含量高，严重影响到煤质，而且大量煤炭遗留在采空区，还会造成安全隐患。171303工作面在过断层期间，根据断层产状，采用卧底的方法，在断层下盘及时调整坡度留顶煤破煤层底板。每米推进煤量较高，高于每米推进矸石量。

图8 171303工作面过F18断层地质剖面

表1 171301工作面过断层参数统计

表2 171303工作面过断层参数统计

5 结 论

(1)大采高综采面采用由断层上盘向断层推进的方法通过断层，顶板则易于形成砌体梁式或传递梁式平衡结构，工作面矿压显现不明显，对控制顶板有利。

(2)当工作面顶板为较坚硬的砂岩，采煤机割不动时，可以根据工作面具体地质条件，采用卧底方法通过该断层。

(3)171301工作面采用采煤机破煤层顶、底板平整过渡，每米推进煤量较低，造成每米推进损失煤量高，矸石含量高。171303工作面采用卧底的方法，在断层下盘及时调整坡度留顶煤破煤层底板。每米推进煤量较高，每米推进矸石量减少。

(4)在采煤机、支架等设备允许的情况下过大断层时尽可能加大仰采角度，不仅可以缩短过断层割岩石的距离，而且还可以提高煤炭采出率。

［1］谢广祥，华心祝，杨 科.极复杂煤层条件下倾斜长壁大采高综采技术［J］.煤炭科学技术，2007，35(3):7－10.

［2］陈 亮，孟祥瑞，高召宁，等.大采高综采工作面煤壁片帮机理分析［J］.煤炭科学技术，2011，39(5):18－20.

［3］杨文斌.大采高工作面过断层技术 ［J］.煤炭工程，2010 (8):53－55.

［4］周祖舜，王 涛.综采工作面过大断层实践探讨［J］.中国煤炭，2011，37(5):61－63.

［5］窦林名，陆菜平，牟宗龙，等.采场顶板控制及监测技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2009.

［6］钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

［7］LI Zhi－hua，DOU Lin－ming，MU Zong－long，et al.Study on fault induced rock bursts［J］.Journal of China University of Mining and Technology，2008，18(3):321－326.

［8］李志华，窦林名，牟宗龙.断层对顶板型冲击矿压的影响［J］.采矿与安全工程学报，2008，25(2):154－158.

［9］窦林名.高产高效工作面安全生产保障关键技术分析［J］.煤矿机电，2002(6):11－15.

［10］孟召平，彭苏萍，冯 玉，等.断裂结构面对回采工作面矿压及顶板稳定性的影响 ［J］.煤田地质与勘探，2006，34 (3):24－27.

［11］李志华，窦林名，陆振裕，等.采动诱发断层滑移失稳的研究［J］.采矿与安全工程学报，2010，27(4):499－504.