断层对超大采高工作面的影响及应对措施

2020-03-31呼绿雄

陕西煤炭 2020年2期

呼绿雄

(神东煤炭集团大柳塔煤矿，陕西神木 719315)

0 引言

断层、褶皱、节理等地质构造对煤矿开采的影响很大[1-3]。其中，断层是一种在地壳运动中广泛发育的地质形态，严重破坏岩层连续性和完整性，也降低了地质结构稳定性。在神东矿区，浅埋深煤层的煤层顶板一般为单一的主关键层结构，并且是大采高工作面，断层的存在对工作面顶板管控以及矿压显现的影响非常明显[4-6]。以神东大柳塔煤矿52503综采工作面7 m超大采高的开采为背景，探究本工作面断层对开采工作的影响，并制定合理的技术措施，以保证工作面安全回采，同时为类似煤层的开采提供参考。

1 工程背景

神东大柳塔煤矿52503综采工作面的走向长度为4 383 m，工作面长168 m，倾角平均2°，煤层平均厚度7.15 m，采高7 m，采用走向长壁后退式一次采全高综合机械化采煤法，采空区采用全部垮落法来管理顶板。综采工作面上覆基岩是中下侏罗统延安组地层，厚度约为35～80 m，基岩厚度从切眼开始到回撤通道逐渐变厚。地表大多被第四系松散沉积物覆盖，工作面埋深平均180 m。综采面顶底板状况见表1。

表1 工作面顶底板情况

除端头支架和过渡支架外，52503综采工作面中部顶板支护使用86台型号为ZY21000/32/70D的两柱支撑掩护式液压支架。其主要技术特征见表2。

表2 液压支架主要技术特征

2 工作面断层情况

2.1 断层特征

52503综采工作面左右两边分别是尚未开采的52502综采面和52504综采面，与左右两工作面之间均有大断层隔开，如图1所示。两断层与工作面走向方向基本平行，从52503工作面切眼一直延续到回撤通道。两条断层距工作面两顺槽很近，左边断层距52503回风顺槽为5～20 m，右侧断层距52503运输顺槽(2)为5～15 m。工作面左右两边的断层均是正断层，落差25～40 m，中部下沉，属于“地堑”工作面，如图2所示。由于左右大断层的影响，工作面的布置长度仅为168.5 m。

图1 52503综采工作面断层平面示意图

图2 52503综采工作面断层剖面示意图

2.2 断层影响

断层对煤岩层的整体影响：断层改变了附近煤岩层的埋藏条件，同时也使煤岩层发生了错断和明显的位移[7-9]。由于断层的存在，在断层发育处，煤岩层的裂隙也十分发育，比较破碎。而且断层附近可能有次生断层存在，对工作面回采中的矿压显现、两顺槽及联巷顶板的稳定性控制都可能会造成很大影响，更容易发生瓦斯突出、透水、煤壁片帮、冒顶、压架等事故，对工作面回采的安全造成很大威胁。由于大柳塔煤矿52煤层受水害、瓦斯影响极小，因此重点分析断层对52503综采工作面开采除透水、瓦斯以外的其他重大影响。

断层对工作面回采的影响：52503综采工作面沿两顺槽走向方向的两条大断层的存在，改变了工作面上覆岩层的原始应力状态，煤层顶板发生破断已不完整，两顺槽顶板也出现离层，处于破碎、不稳定状态，对工作面的矿压显现造成很大影响。在这种地质条件下，煤层开采对顶板来说相当于是二次采动，由于顶板本身就不完好或已破断，在工作面推进过程中，采空区顶板不再是有规律的周期性的破断垮落，因此工作面周期来压非常不明显。有时工作面突然来压，持续6～8 m，压力最高可达50 MPa；此时由于顶板破碎，在来压期间，工作面片帮漏矸严重，立柱下缩明显，来压区域安全阀大面积开启，开启率达40%；紧接着，又持续多次来压，且无法判断工作面来压区域部位，然后很长一段时间再无来压现象，很难预测。由于工作面埋深浅、基岩薄、载荷层厚度较大，且老顶已经破断或不完整，对于7 m大采高工作面来说，工作面上覆岩层可能会呈整体切落式破断，而切落的块体不太容易形成比较稳定的承载结构，会出现滑落失稳现象，因此会使工作面的矿压显现更加强烈且难以控制。

断层对顺槽的影响：由于工作面两条大断层距顺槽很近，在顺槽处最近仅5 m，因此在回采过程中会对顺槽及联巷的稳定性构成严重威胁。①在工作面回采推进过程中，52503运输顺槽前方顶板离层仪观测值跟原始值相同，离层量为零，出现顶板下沉等现象。但是受超前支承压力的影响，在工作面前方5～15 m范围内，运输顺槽正帮出现帮鼓现象，帮鼓影响范围大约为2～3 m。副帮煤壁片帮严重，中部及下部出现网兜；②52503回风顺槽顶板有一定离层量，但未发生明显顶板下沉现象。在回风顺槽超前工作面15 m范围内，受超前支承压力影响，正帮发生帮鼓、副帮片帮严重，大部分出现网兜，部分锚杆窜出，金属护网被破坏；超前支架支撑范围内顶锚索和顶锚杆被破坏，部分掉落，存在很大安全隐患，作业人员必须现场危险源辨识并处理安全隐患后方可作业。

断层对联巷及密闭的影响：①工作面机头通过52503运顺联巷时，联巷密闭未发生变化，联巷抹角处片帮严重；机头即将通过联巷时，前部副帮大面积片帮；②工作面机尾通过52503回顺联巷时，机尾联巷在距工作面20 m时密闭喷层零星脱落；距工作面10 m时密闭喷层和联巷抹角喷层部分掉落，砖墙有压酥迹象；超前5 m时联巷口顶板下沉量为100～150 mm，密闭砖墙开始大面积掉皮。当工作面正推进通过机尾10#联巷时，联巷发生严重冒顶，两根单体被埋，如图3所示；③该处联巷为双抹角大断面联巷，此时机尾侧断层距离工作面正帮越来越近，而断层形成时破坏了周围围岩的整体性结构，使得该联巷口顶板不完好形成各种裂隙。在工作面采煤机推进至81#架快与机尾正帮割通时，采动影响加剧了该大断面联巷口顶板的不稳定性，使得顶板趋于破碎离层状态，此时当支架工降下86#支架时减小了支架对顶板的支撑作用，直接导致联巷口顶板失稳垮落，造成冒顶。

图3 52503回风顺槽联巷冒顶示意图

3 应对措施

3.1 安全管理措施

由于这两条断层对52503工作面矿压规律、顶板管控、两顺槽及联巷造成重大影响，因此必须采取有效的安全管理措施。

实时观测和分析：成立矿压观测小组，记录矿压数据以及工作面顶板来压期间的煤壁片帮程度、顶板漏矸、支架立柱下沉、安全阀开启程度等现象。每班跟班队干和验收员对两顺槽顶板离层仪、正副帮、联巷情况等进行观测。对矿压等实时数据进行分析，并根据观测资料总结来压规律，制定针对性措施，指导生产。

制度执行：全体职工认真学习贯彻《作业规程》《应急预案》和各项制度措施，严格按照标准流程作业，以随时应对工作面突发状况。

3.2 安全技术措施

工作面安全技术措施：由于断层造成的影响，工作面在回采过程中矿压规律异常、矿压显现强烈，必须采取以下安全技术措施。①割煤时，支架工或煤机司机应视工作面压力显现情况确定成组收回护帮板架数，最多不可超过5架，压力较大时设置为2～3架；②工作面生产中紧跟前滚筒及时跟机迈步移架，拉架过程中必须保证86台支架初撑力全部一次性升到25.2 MPa以上；③工作面来压时，及时拉出超前架或打出伸缩梁，若梁端距过大，要拉出超前架并打出伸缩梁；④有漏顶危险时，必须逐架手动收护帮板，并在滞后煤机后滚筒1架处及时打出护帮板；⑤加强工作面工程质量管理，做到工作面“三直、两平、两畅通”；⑥支架顶梁接顶严密，架形好，安全阀开启压力符合要求；相邻支架间不能有明显错茬(不超过侧护板高的2/3)，支架不挤咬架。

两顺槽及联巷安全技术措施：52503综采工作面两侧断层对两顺槽影响最为严重，超前工作面20 m内正帮帮鼓，副帮片帮严重，形成网兜，锚杆脱落，护网破坏，联巷口冒顶，严重影响工作面正常回采和安全，特采取以下安全技术措施。①机尾侧剩余9个联巷全部设木垛，根据联巷抹角大小情况每个联巷打设不少于2组木垛，木垛层间用抓钉固定，防止倾倒。为防止回收单体期间顶板垮落伤人，打设木垛的联巷不再采取单体支护；②对剩余运顺、回顺所有联巷处顶板进行锚索+“#”字型钢带补强支护；③对两顺槽副帮补打锚索进行加强支护，在行人高度附近原有锚索补加一套锁具，对于外露长度短无法补加锁具的锚索外部必须补金属防护网，防止锁具崩出伤人；④工作面顺槽超前支架的前后护板、侧护板在支护状态时必须全部打开，支架顶梁及护板必须有效接顶。端头支架和超前支架的移动步距必须协调一致，最大限度地减小两个顶梁之间的间隔距离；⑤两顺槽必须严格执行“敲帮问顶”制度，有片帮离层必须立即处理，确保周围环境安全方可作业。当突遇炸帮、异响等情况，应立即停止作业，撤回工作面；⑥禁止超前支架和端头支架同时降下。机头侧采煤机斜切进刀反向割通离开推完运输机后先升起超前支架，再去逐架拉端头支架；机尾确保超前支架升紧后再拉端头支架和过渡架。人员必须等待端头支架全部拉完升紧，观察安全通道顶板完好时再通行。