特厚煤层综放工作面过断层安全开采技术研究

付登科

（霍州煤电集团有限责任公司团柏煤矿，山西霍州031414）

1 工程概况

表1 断层参数总表

霍州煤电集团公司庞庞塔矿的9-700综放工作面位于9#煤七采区南翼0#工作面，工作面走向长2394m，倾斜宽232m，煤层埋深约为380m，开采煤层平均厚度11.8m，密度为1.41t/m3，煤层倾角平均14°，根据9#煤层的厚度、倾角等赋存特征，9-700综放工作面设计机采高度为3.2m，工作面顶板为第二次夹矸，采煤机沿底板推进，不得留有底煤。放煤高度为8.6m，单轮顺序放煤，采放比1：2.69，割煤深度0.8m。

据掘进资料，该面掘进中揭露断层8条,其中F2、F6、F7对回采有很大的影响，F6断层在西区9#煤层车场揭露，在9-700工作面内部延伸约700m后通过正巷揭露完成，对9-700工作正常回采影响很大，回采期间可能还会有小的断层出现，因此在工作面开采过程中必须加强顶板管理，防止冲击事故的发生。已揭露的各个断层特征如表1。

2 微震特征观测

为了观测9-700综放工作面开采过程中构造活化和围岩破裂的信息，在工作面开采前，在工作面的轨道平巷和运输平巷内，自开切眼处起，每间隔50m，各设置一组检波器，工作面推进至检波器位置时，随撤随安装，保证工作面前后最少有六组的测量站同时正常运行。由于9-700上覆岩层较薄且表土层较厚，并且煤层较厚，因此选择频率范围在60～1400Hz的检波器来检测高频低能的微震时间[1]。

图1 9-700综放工作面平面测点布置图

图2 为9-700综放工作面过断层期间的微震特征曲线图。由图可知，工作面距断层F1232m时，总能量达到峰值42895 J，此时微震时间数量为24个；当工作面距断层213m时，在较长的一段时间内，微震时间的总数量和总能量渐渐减小；当推进至距工作面83米左右时，微震时间总数量又开始增加；事件数量的最大值在距断层F155.3m时取得为36个。

图2 综放工作面过断层F1期间微震事件特征曲线图

根据9-700工作面断层过程中微震事件特征曲线，根据微震事件总数量及总能量的阶段性的变化规律，可将在综放工作面对采动影响下断层F1的活化分为三个过程[2]：

1）压力显现阶段。由于断层附近存在较大的构造应力，煤层的开采破坏了原本的平衡结构，当工作面远离断层（266-213m）时，工作面方向的煤岩体内积聚的构造应力释放，此时工作面和巷道有发生活化型冲击地压的危险。这个过程中液压支架的受力会逐渐增大，工作面顶板的控制难度增加。

2）储能阶段。煤岩体内断层虽然破坏了其连续性，但是断层处仍然有某种程度上的摩擦阻力和粘聚力，能阻止一定应力范围内的相对滑动，当工作面远离断层（213～83m）时，结构面抵抗着断层的相对位移，因此结构表面可以积聚一些能量。期间工作面液压支架工作阻力稳定，工作面生产不受断层构造的影响。

3）结构活化阶段。当工作面距断层较近（83～0m）时，结构面间的粘聚力和摩擦力已经不足以阻止由于采动影响传递给断层结构的支承压力，导致顶板回转下沉使断层附近煤体和液压支架承受很大的压力，煤体如果在一瞬间崩塌，此时发生的就是断层煤柱型冲击灾害。

通过对比9-700工作面过断层F1期间微震事件特征曲线不同的阶段，每个阶段均有其明显的特征。在压力显现阶段，微震事件总能量最大，可达到42895 J，煤体蓄积着很多能量，而在结构活化阶段，单日微震事件最大总能量仅为21036 J,只是压力显现阶段的二分之一，说明断层在应力显现阶段更容易诱发冲击地压，因此在9-700综放工作面开采过程中，必须提前对顶板进行综合管理，保证工作面对安全生产。

3 工作面过断层期间冲击地压机制

根据在9-700工作面的微震监测结果将工作面过断层过程中冲击灾害分为断层煤柱型和断层活化型两种。

1）断层活化型冲击机制；断层在形成过程用，由于断层上下盘相对滑动的趋势，使断层两侧的岩体中积聚了大量的构造应力，其中水平应力为主。巷道的采掘及工作面的开采均破坏了断层原本的平衡状态，当工作面与断层间的煤体不足以抵抗原本蓄积的水平构造应力时，工作面方向的煤岩体均会向图3（a）所示方向运移，构造应力的释放，导致工作面前方的煤岩体破坏震动，可能在工作面发生断层活化性冲击，破坏综放工作面对设备，甚至威胁工人们的安全[3]。

图3 工作面过断层期间冲击地压机制结构图

2）断层煤柱型冲击机制。随着工作面距断层的减小，断层上下盘移动的趋势越来越强烈，由于断层的破坏了顶底板的连续性，采煤工作面对扰动使顶板回转下沉，导致断层煤柱上应力高度集中，大量弹性能积聚在煤体内，如图3（b）。顶板回转下沉的角度越来越大，工作面对推进在不断的减小煤柱的宽度，当煤柱承受不住顶板的压力时，媒体会发生崩解碎裂，该过程中伴随着大量的微震事件，此时可以采取增大液压支架工作阻力、增加巷道两侧卸压保护带宽度等措施防止冲击地压的发生。

4 工作面过断层期间冲击地压综合防治措施及实践

4.1 工作面过断层期间冲击防治措施

根据工作面距断层距离的不同分别采取不同的措施来预防两类动力灾害。

4.1.1 断层活化引起的冲击地压综合防治

断层活化阶段，断层需要释放大量的水平构造应力，这个过程中应当严格的控制工作面对推进速度，并且加强工作面的顶板管理，提升巷道的支护强度。

合理的控制综放工作面的推进速度，给断层内的构造应力更多的释放时间，将其变为一个相对匀速且平缓的过程，同时加强观测，做好提前预警工作，最终避免出现冲击事故。

加强巷道支护。对巷道加强超前支护，并且采用锚网加固巷道顶板，提高巷道围岩对断层活化过程中煤岩体形变和位移的抵抗能力。

4.1.2 断层煤柱型冲击地压防治措施

防治断层煤柱型冲击地压的主要技术措施有开采前进行预卸压、开采过程中的实时监测和预警及出现预警后的解危措施。

在超前工作面300m处，断层85米范围内采用大直径卸压钻孔增加煤体的塑性，进行提前卸压。

为尽量缩小顶板的暴露时间，工作面采用及时支护的方式，过断层时应采取带压移架的方法。用微震监测和应力监测，加强对煤岩体冲击趋势的判断，当微震的总数或总能量出现较大波动时，采用电磁辐射法或钻屑法进行验证，如果确认有冲击地压的危险，就立刻制定具体的解危措施[4]。

4.2 9-700综放工作面过断层期间防冲实践

霍州煤电集团公司辛置煤矿的9-700综放工作面开采范围内存在诸多断层，为确保工作面安全通过断层，超前工作面300m处对有冲击地压危险的区域进行卸压，1号卸压区是为了防止断层活化型冲击地压，2号卸压区号卸压区为采空区二次见方与断层叠加影响冲击危险区，防止断层煤柱型冲击地压，在2号卸压区采用直径150mm，孔深25m，间距为2.5m的大直径卸压钻孔。

采用微震监测系统对采场周围矿压显现进行实时监测。经过对工作面的综合管理，在9-700工作面过断层F1过程中微震事件监测到的数据也偶尔出现异常，但是没有达到预警的程度，用钻屑法进行验证，也并未发现煤粉超标的现象，可知综合防冲措施取得了理想的效果。为了降低对断层活化阶段的扰动影响，出于工作面安全的考虑，在断层活化阶段将工作面的推进速度降低了20%，保障工作面安全推过了断层冲击危险区。

图4 工作面巧压钻孔施工图

5 结 论

1）根据综放9-700工作面微震监测的结果，将工作面开采过程中断层导致岩层及煤体内压力的变化分为三个阶段分别为压力显现阶段、储能阶段、结构活化阶段，形象的描述了冲击压力的发展过程。

2）将工作面过断层期间的动力灾害归结为断层活化型和断层煤柱型两种类型，活化型主要由于工作面的扰动导致断层两侧积聚的构造应力释放从而引起冲击地压；断层煤柱应力的高度集中，导致煤岩体失稳冲击定义为煤柱型冲击地压。

3）基于9-700综放工作面过断层冲击地压提出了相应的冲综合治理措施，并在工作面进行了现场验证，为该工作面过F2、F6等较大断层提供了解决措施，也为类似特厚煤层综放工作面过断层安全开采提供了借鉴。