工作面揭露隐伏断层的识别及过断方法

杨发长 代生福 许长举 程远东 梁永国 史勇

0 引言

麻家梁矿位于宁武盆地朔南矿区，首采4#煤层。14101 回采工作面为首采工作面，采用走向长壁采煤法，工作面走向长2 680 m，倾向长250 m，为超大断面回采。4#煤层顶板K5 砂岩富水性不均一，为主要充水来源，底板距奥灰含水层仅112 m，坑透、音频电透视及钻探均暂未发现陷落柱。2013 年11 月14日夜班回采时揭露隐伏正断层，揭露落差为2.4 m，表现为工作面内大范围揭露断层下盘岩石，断层走向与回采工作面走向近乎一致，初时揭露范围仅10 余架支架左右，至次日早班时揭露范围增大至20 架。经现场勘察，初步确定断层产状等要素，及时确定过断措施，调整采面仰角，截至19 日早班时65 架支架之前已全部通过断层。至11 月27 日，14101 工作面已安全顺利通过断层。

1 断层识别方法

揭露的断层与回采工作面相交较为常见，这种断层对生产影响也较小，相对好调整。隐伏断层常常因局部揭露而被判断为其他构造，例如褶曲、单斜、底包（原生沉积间断）等。如未能及时判断并采取有效措施而误认为底包或褶曲继续平推，将会造成工作面全断面揭露大厚度岩体，极大影响回采进度和产量，切割岩层将直接缩短综采设备的使用年限；倘若为导水断层，对矿井生产的影响更为严重，甚至有淹井的可能性。对该类断层的准确识别对于优化支护方案、变更采煤方法、提高生产效率具有极其重要的意义。常见断层与本次揭露的隐伏断层的对比见图1。

图1 常见断层与本次揭露的隐伏断层的对比

1.1 根据沉积相识别

15 日早班断层揭露于第50 架～26 架支架之间，岩体底部因有浮煤掩盖无法观测；下部呈水平层理，且为砂岩与砂质泥岩互层，是典型的三角洲前缘沉积；中部为厚层砂岩，低角度交错层理，为三角洲前缘河口砂坝相；上部中粒砂岩可见小型冲刷痕迹，为三角洲平原天然堤；顶部是炭质泥岩，为泥潭沼泽相，再向上是煤体。这是基准面下降时进积成煤环境下完整的沉积序列，与宁武盆地4#煤层形成时的沉积环境相符，未见明显沉积间断，故排除底包的可能性；因未见明显不定向垮塌排列和垂直节理，故排除陷落柱的可能性，初步判断为断层（见第32 页图2）。

1.2 根据揭露情况分析断层产状

头巷及尾巷两顺槽于推测断层处均可见假顶支护，巷道呈明显下山，分析该断层揭露时因巷道沿（见图3）底全煤掘进并未发现该断层，通过断层后因发现留有底煤，适当调整巷道坡度，所以呈下山掘进，而断层面冒顶处仅作为裂隙发育带进行处理。此外，工作面圈定后，物探报告分析该异常为裂隙，钻探也未发现异常。故此，推断该断层与回采面走向近似，贯穿整个工作面。

图2 揭露的岩石处沉积相分析

第50 架及第26 架支架两处可见明显的断层面，断层面处上盘的煤层可见明显的定向擦痕。因揭露前工作面内未见断层，且揭露后岩石层理清晰较为稳定，故初步判断这两处揭露的断层为同一条断层。根据断层揭露情况，预测第26 架支架处向东走向为东偏北3°（即87°），自第50 架支架处向西走向为西偏北8°（即278°）。该断层成弧形切割回采工作面，回采时将断层面割出，根据推测的走向计算，预计尾巷向前推进20 m 左右时将完全揭露该断层（见图4）。

图3 推断顺槽揭露该断层时剖面

2 断层对回采的影响及采取的措施

2.1 对回采的影响

（1）断层破坏了岩层的连续性，降低了岩石的强度，容易引起应力集中。目前14101 工作面第60～70架支架处明显压力增大，导致采高不够。

（2）因断层倾向与开采方向相反，先开采的是断层上盘，回采放顶煤时，顶板离层扩散到断层面附近时会沿断层面产生裂隙，此时断层形成类似屏障的作用，阻止了破坏向对盘发展，使揭露的断层面附近上盘处易发生冒顶及片帮，工作面第70～80 架支架处已见大块煤壁垮落。

图4 14101 工作面14 日早班采掘工程示意

（3）断层极易形成导水通道而导致工作面涌水量增大，而且断层面附近的煤层及顶板均较为破碎，易发生突水和瓦斯积聚。目前第20～50 架支架架前明显积水增多，建议加强瓦斯监测。

（4）经济损失。影响生产进度和煤炭资源储量。断层处需留底煤或采取不放顶方法通过断层，直接造成煤炭资源的浪费。机组切割岩层也严重影响了生产进度，降低了机组的使用寿命。

2.2 采取的措施

（1）至18 日早班头巷已完全通过断层，自第66～109 架支架处，采煤机每完成一次割煤时抬升3～5 架支架。因煤层倾角变化不明显，调整角度以6°～8°为宜。

（2）断层面处向辅助运输顺槽方向大约15 架支架范围适当留底煤，通过在机道下衬道木等方法，提前预先调整角度，减少切割岩石。

（3）断层面处至溜尾方向大约20 架支架范围建议少放顶煤或不放顶，已通过断层进入下盘的可以正常放顶。

（4）工作面自揭露断层后继续推进12 m，顶回风巷向东40 m 的位置为原顶回风巷揭露的断层与目前工作面内的断层交汇处，建议左右各10 架支架处不放顶煤。

（5）前期应增设水泵于断层面附近排水，防止架前积水影响生产；后期随着工作面角度增大，涌水将自流后古塘，由14101 工作面泄水巷排出。

（6）加强瓦斯监测力度，防止瓦斯大量积聚。

3 结论

结合上述分析，现场给出初步解决方案。18 日早班时胶带顺槽已完全通过断层。19 日早班观测时断层面位于第112～120 架支架处，工作面煤壁呈梯形垮落。至26 日早班，工作面仅第124 架支架处可见顶回风巷揭露的断层。截至27 日早班时已安全通过该断层。从揭露隐伏断层到工作面平稳通过断层总用时不足两周，未发生一例事故，产量也未受明显影响。