大采高综采工作面过断层关键技术研究

宋景利 谢廷深 刘兆辉

（沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿，辽宁 辽阳 111307）

煤矿井工开采受地质条件影响较大，断层往往造成回采不连续，断层附近应力分布不规律，导致工作面顶板破碎，围岩不稳定，回采过程中顶板维护困难，当构造应力与采动应力叠加时，断层局部可能出现“活化”或滑动，威胁安全生产。沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿北二下采区1210-2工作面为大采高综采工作面，掘进期间揭露的煤层显示，工作面回采期间需过Fh2（H=2.7 m）断层。为保证安全高效快速过断层，须对大采高工作面过断层期间的覆岩运动规律进行研究，为工作面过断层回采提供必要的理论依据和技术指导。

1 概况

1210-2工作面地面标高+21.1～ +25.7 m，井下标高为-908～ -942 m，主要回采12煤，为复合煤层，分为12-1、12-2煤层。12-1煤平均厚2.54 m，夹矸泥岩平均厚1.24 m，12-2煤平均厚2.80 m，煤层总厚6.58 m。煤层直接顶为2.2 m厚的泥岩，基本顶为10.75 m厚的泥岩，再往上为8.75 m厚的细粒砂岩。工作面回采期间将遇Fh2正断层，断层落差2.7 m。

2 大采高工作面过断层期间覆岩运动规律

为准确掌握大采高工作面过断层期间上覆岩层的运动规律，进行了相似模拟试验。根据1210-2工作面实际开采情况及相似模拟试验台的尺寸（宽×高=4500 mm×3200 mm），考虑大采高的开挖高度，采用的几何相似常数C1=60，容重相似常数Cγ=1.67，应力相似比数Cσ=100，时间相似比常数7.75。

（1）工作面进入断层前覆岩运动规律及顶板压力变化

根据相似模拟试验，顶板共发生5次垮落，分别在距断层48 m、36 m、21.6 m、9.6 m、3 m时，顶板垮落高度分别为9.6 m、12.6 m、13.8 m、15 m、34.2 m；从顶板岩层垮落、移动过程可以得出，直接顶冒落高度为13.8 m，为2.10倍采高，基本顶断裂高度为34.2 m，为5.20倍采高。

在进入断层前，观测顶板压力出现异常，上升很快，顶板压力变化规律如图1。

图1 工作面进入断层前支架压力变化

从图1可以看出，工作面在进入断层前10 m范围内顶板压力基本呈线性增加，增加速度较快，揭露断层时压力达到最大值为1041 N，正常来压时的压力为840 N，压力增加了201 N。

为验证相似模拟试验的准确性，在1210-2工作面进行了现场矿压监测，沿工作面方向布置了12个支架压力记录仪，通过支架的时间加权阻力与其均方差之和，参考支架的循环末阻力，来分析工作面周期来压情况。

工作面顶板周期来压步距情况具体见表1，基本顶来压期间动载系数具体见表2。

表1 工作面基本顶周期来压步距 单位：m

表2 基本顶来压期间动载系数统计表

观测期间，基本顶的周期来压步距为9.6～22 m，平均14.9 m。基本顶来压时动载系数最小为1.49，最大为2.06，平均1.7，支架的动载系数较大。根据观测数据及现场实际情况，矿压显现较为平缓，但工作面出现了支架动载系数偏高的反常状态。分析原因为支架的初撑力偏低，导致工作面虽然来压强度不大但动载系数较大，需要通过提高工作面支架的初撑力来防止由于初撑力低引起的顶板离层和煤壁片帮，降低来压时的动载系数。

根据相似模拟试验得出，最小来压步距为7.2 m，最大来压步距为22.2 m，平均来压步距为14.12 m，现场实测的平均来压步距为14.9 m。试验结果和现场实测结果基本一致，因此相似模拟试验数据及结果可靠。

（2）工作面进入断层后覆岩运动规律及顶板压力变化

在进入断层后，顶板压力变化规律如图2。

图2 工作面通过断层后支架压力变化

从支架支撑力变化图也可看出卸载区的范围为：过断层后16.8 m范围内，回采工作面会处于一个良好的状态。顶板压力在距断层35～40 m处才会恢复到正常的压力水平，如果工作面煤壁及顶板不是特别破碎，没有必要降低采高，可以以正常采高回采，最大限度提高煤炭回收率。

3 大采高工作面快速过断层回采技术实践

1210-2工作面回采至8#点外15 m处时，工作面将遇Fh2断层。该断层为正断层，落差2.7 m，影响工作面推进长度219 m，横穿整个工作面，根据断层走向在工作面预计最大暴露长度约3～5 m。断层位置平面示意图如图3。

图3 断层位置平面示意图

（1）快速过断层措施

① 将采高控制在4.0～4.8 m范围内。为保证采高，工作面推进至Fh2断层前，采煤机破断层下盘顶板，沿断层下盘层位推进，上盘留底煤随坡，并割顶板，工作面运输机、采煤机和支架倾角不得超过10°。

② 过断层时保证工作面采向，按正常回采方式过断层。由于断层横穿工作面，为防止大面积揭露断层，工作面伪斜开采，断层面走向与工作面成40°夹角逐渐向运输顺槽方向延伸。

③ 根据前述相似模拟试验可知，工作面在进入断层前10 m范围内顶板压力基本呈线性增加，增加速度较快，揭露断层时压力达到最大值，动载系数平均1.7。为了降低来压时的动载系数，防止由于初撑力低引起的顶板离层和煤壁片帮，在工作面进入断层前10 m范围内，工作面液压支架的液压系统要保证完好，液压支架达到初撑力。

④ 工作面回风顺槽在揭露Fh2断层时，沿煤层底板逐步抬运输机过渡，在此期间加强机尾三角点顶板管理，调整好运输机角度，弯曲程度不得大于5°，防止出现咬架、挤架现象，支架达到初撑力。工作面液压支架采用追机移架的方式支护顶板，移架后保证液压支架严密接触顶板并达到支架的初撑力，顶板破碎段采用擦顶移架方式移架。

⑤ 正确控制好工作面层位，断层过渡段保证支架间错茬不超过200 mm，且过渡段不少于17 m。抬运输机时每次推进破顶高度不得超过200 mm，两端头支架沿顺槽坡度进行前移。保证工作面运输机、采煤机和支架平直，运输机与转载机搭接合理，搭接距离200～400 mm之间。工作面过断层过程中必须保证运输机机头、机尾平稳过渡。

⑥ 运输顺槽过断层20 m左右后，工作面过断层回采结束，恢复到正常采高。

（2）回采效果

通过相似模拟试验指导大采高工作面的回采，使得工作面过断层的措施更有针对性。工作面过断层期间，没有出现支架压架、咬架、倒架现象，避免了大采高工作面煤壁片帮和支架端头冒顶发生，确保了大采高工作面过断层期间的回采安全，安全效益显著。

根据原有的经验，过断层50 m后逐渐恢复至正常采高，按新的开采方案，在运输顺槽过断层20 m即恢复到了正常采高，断层影响范围采高平均为4.5 m，正常采高平均为6.58 m，工作面面长200 m，煤的密度以1.4 t/m3计，则能多回采1.7万t煤，提高了煤炭回收率，经济效益明显。

4 结 语

通过相似模拟试验研究大采高工作面过断层过程中顶板运动规律及顶板压力变化规律，提出了控制采高、沿断层下盘层位推进、伪斜开采、液压支架高工作阻力、追机移架等过断层的技术及工艺措施，指导大采高工作面的回采，使得工作面过断层的措施更有针对性，安全效益和经济效益明显。