大采高综采工作面过断层方法及工程实践

2018-09-18高志龙

山西焦煤科技 2018年7期

高志龙

(西山煤电集团公司马兰矿，山西古交 030200)

煤炭资源在我国不仅储量丰富、分布广泛，而且煤层赋存条件复杂，受构造运动影响较为严重。其中，由于地壳剧烈运动而形成的断层构造作为一种典型的地质构造形态，在我国的沉积岩煤层中广泛存在[1]. 断层是岩层受强烈挤压作用发生断裂而形成的，并且断裂面两侧的岩层发生了明显的位移。无论正断层还是逆断层，其断层区域附近岩体破碎，且断层面之间夹杂各种碎屑物，破坏了煤层及顶底板岩层的完整性和连续性，严重威胁煤矿安全生产。

煤矿开采过程中，根据断层周围的水文、瓦斯等地质条件及煤层冲击倾向性等对工作面推进的影响，可采用设置断层保护煤柱和工作面直接推过断层两种方式。但是，近几年来随着煤炭资源开采力度的加大，对煤炭工业可持续发展战略的要求越来越高，减少和消除断层保护煤柱能有效提高资源的回采率且减少井下工作面搬运造成的工作面停产等的影响。因此，研究工作面过断层，尤其在大采高综采工作面过断层期间，通过合适的开采方法避免断层突水、煤与瓦斯突出、冲击地压及断层附近顶板稳定性等事故的发生，对煤矿安全生产和煤炭资源的高效回采利用具有重要的意义。

1 断层对工作面的影响

从断层构造的形成机理可以看出，断层对采煤工作面影响主要表现在两个方面[2-3]：1) 断层破坏了顶底板岩层和煤层的整体性，导致断层附近的采煤工作面受采动影响更加严重，工作面支护困难且易产生工作面冒顶和煤壁片帮事故。2) 断层可作为瓦斯等有毒有害气体和水流的通道，易引发煤与瓦斯突出、冲击地压和矿井突水等事故，严重影响煤炭资源的安全开采。

大采高综采工作面不仅机械化程度高，而且对顶底板岩层的稳定性要求较高，因此大采高综采工作面过断层时，受断层构造的影响更加显著。尤其当断层附近的工作面顶板为坚硬岩层时，较大的悬顶距和断层难以维持平衡，极易引发大面积顶板来压，造成工作面冲击地压等危险事故，并且随着采高的加大危险性增大。

2 工作面过断层的方法

我国的煤炭资源地质赋存条件复杂，断层构造广泛分布，为保证矿井安全高效的正常生产，当工作面回采过程中遇到断层时，可采用直接过断层的连续开采方法，以减少工作面搬家次数，保证矿井煤炭产量的稳定。

回采工作面过断层的难易程度不仅与断层位置、落差、倾角、倾向等断层条件有关，而且还与煤层的厚度、倾角、顶底板条件及回采方法、工作面推进速度等因素有关。为了适应不同的断层、煤层及顶底板条件，目前调整采高法、平推硬过法、挑顶卧底法、跳采法、放震动炮法、调斜工作面法等较广泛的应用于综采工作面过断层的技术方案中[4-5].

1) 调整采高法。

调整采高法的优点主要表现在工序比较简单，采高在调整过程中不会对工作面机械设备造成损坏，有利于设备的维护和保养，并且不会增加过多的机械设备负担；其缺点在于调整采高后，工作面过断层时会造成底部煤层的部分损失，在一定程度上降低了回采工作面的回采率。

这种方法的适用范围比较小，在使用该方法前要对断层的各项指标参数进行调查和了解，主要运用于断层落差较小，并且断层上下盘的煤层厚度高于液压支架的最小高度的综采工作面。

2) 平推硬过法。

当断层附近的顶底板岩层主要表现出弹脆性破坏，并且断层落差较小不利于调整液压支架采高时，可采用平推硬过法。这种方法的优点在于操作简单，可保证工作面正常作业，对回采的接续性影响较小；其缺点在于对采煤机等机械设备的要求较高，容易造成磨损，并且在推进过程中要加强对工作面顶板的管理工作。在选择采煤机推进速度和机械强度时，要在距离断层合理范围内，依据断层数据进行合理的选择。

3) 卧底挑顶法。

卧底挑顶法不使用采煤机进行过断层推进，而是主要借助爆破等方式进行回采工作面的过断层作业，实际上可以理解为平推硬过法的延伸形式。综采工作面使用卧底挑顶法过断层时的示意图见图1.

图1 综采工作面挑顶卧底过断层示意图

在进行爆破施工前，要对断层的落差、倾角等进行探测，然后根据断层条件对爆破钻孔分布、钻孔参数和放药量等进行选择和确定。这种方法的优点在于可以避免回采设备过断层时的磨损，有利于设备的维护和保养，节约成本，适用于断层对回采工作面影响范围较小的断层；其缺点在于爆破施工的过程繁琐，还需要计算钻孔的布置参数等，在一定程度上增加了施工难度，影响回采工作面的推进速度。

4) 跳采法。

跳采法不同于平推硬过法，其主要思路是工作面遇到断层时采用绕过去的方式进行过断层，这种方法主要适用于断层落差较大，并且对回采工作影响较大的断层，针对不同的断层情况可以分为全部跳采和局部跳采两种方式。局部跳采法由于工程量大，加重回采作业的负担，因此在通常情况下应用较少；全部跳采法主要是通过改变工作面的尺寸实现过断层，保证工作面的正常接续，对回采工作面的回采率影响较小，工作面和巷道布置示意图见图2. 但是，在工作面施工时，通风系统、排水系统等辅助系统及相关设备的接续也需要重新布置，增加了巷道掘进工作量和开采成本。

图2 全部跳采法过断层示意图

5) 综合过断层方法。

煤矿回采工作面推进过程中，由于煤层赋存的复杂性及断层条件的差异性，往往需要综合考虑各种因素的影响，综合应用多种过断层的方法，避免单一过断层方法带来的弊端。因此，在应对极其复杂的断层条件时，可以选择多种过断层技术相结合应用的综合方法。

3 工程实践

3.1 工程概况

以西山煤电马兰矿18504大采高工作面为工程背景，该工作面所处的煤层埋深在435～475 m，煤层厚度范围为4～5 m，煤层倾角为近水平煤层，直接顶为平均厚度2.15 m灰泥岩，基本顶为平均厚度2.01 m的粉砂岩。该工作面的设计宽度在251 m左右，采用一次采全高的大采高综采作业方式，18504工作面从开切眼开始推进至1 000 m左右时，即将揭露斜穿工作面的F18504-9断层，该断层为正断层，落差为1.1～3.8 m，断层影响区域内煤岩破碎，严重影响了煤层及顶底板岩层的稳定性。

3.2 过断层方法选择

考虑到该煤层的顶板为强度较高的粉砂岩，不适宜采用切顶板的平推硬过法，并且断层F18504-9的落差为1.1～3.8 m，落差较大，调整采高的过断层方法也比较困难，因此，可以选用爆破法和跳采法两种方案[6]. 在综合考虑和比较各种方法的基础上，鉴于跳采法可有效防止顶板冒落及综合机械化掘进系统的可靠性，最终采用跳采法过F18504-9断层。

3.3 工作面的矿压显现监测

为分析断层对大采高综采工作面的影响并验证在此处应用跳采法的合理性，对断层影响区域范围内工作面液压支架的阻力进行了监测，分析工作面过断层期间的矿压显现特征。通过对现场监测的数据进行统计，工作面过断层时非周期来压和周期来压期间支架工作阻力变化规律见图3，图4.

图3 非周期来压期间液压支架工作阻力变化曲线图

如图3所示，工作面过断层时非周期来压期间支架工作阻力呈现单驼峰形，即当断层区域处于非周期来压状态时，断层位置在 32 号支架处，并且28～30号液压支架的工作阻力大于两侧支架，以断层区域范围内的支架位置为中心，向断层前方和后方呈现降低趋势，最大降低幅度在20%左右。

图4 周期来压期间液压支架工作阻力变化曲线图

如图4所示，顶板初次来压后，随着工作面的继续推进，顶板周期来压开始影响断层区域，支架平均阻力较非周期来压的阻力明显增加，最大阻力值的增加幅度在40%左右。从支架阻力的变化规律可知，曲线呈现明显的双驼峰形，其中41～43号支架阻力值为第一个驼峰，51～52 号支架阻力值为第二个驼峰，明显大于断层面附近46～49号支架的阻力值。分析以断层面附近的支架为中心的两侧支架阻力明显增大的原因，当断层位置所处的破断的关键块体较短，其回转下沉量较大，导致断层两侧的支架承受更多的上覆岩层重量，工作阻力明显升高，形成图4所示的双驼峰形曲线。

综上分析，断层区域处于非周期来压影响时，断层附近支架的工作阻力最大，呈现单驼峰状态；而当断层区域处于周期来压影响时，不仅支架整体的工作阻力提高，而且断层面两侧的支架工作阻力明显高于断层影响区域内的支架阻力，呈现双驼峰状态。因此，在工作面过断层期间要根据顶板运动规律加强对不同位置支架的管理，使支架发挥最大的功效，有效支护顶板，确保工作面回采安全。