特厚煤層綜放工作面過斷層安全開采技術(shù)研究

付登科

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司團(tuán)柏煤礦，山西霍州031414）

1 工程概況

表1 斷層參數(shù)總表

霍州煤電集團(tuán)公司龐龐塔礦的9-700綜放工作面位于9#煤七采區(qū)南翼0#工作面，工作面走向長(zhǎng)2394m，傾斜寬232m，煤層埋深約為380m，開采煤層平均厚度11.8m，密度為1.41t/m3，煤層傾角平均14°，根據(jù)9#煤層的厚度、傾角等賦存特征，9-700綜放工作面設(shè)計(jì)機(jī)采高度為3.2m，工作面頂板為第二次夾矸，采煤機(jī)沿底板推進(jìn)，不得留有底煤。放煤高度為8.6m，單輪順序放煤，采放比1：2.69，割煤深度0.8m。

據(jù)掘進(jìn)資料，該面掘進(jìn)中揭露斷層8條,其中F2、F6、F7對(duì)回采有很大的影響，F(xiàn)6斷層在西區(qū)9#煤層車場(chǎng)揭露，在9-700工作面內(nèi)部延伸約700m后通過正巷揭露完成，對(duì)9-700工作正?；夭捎绊懞艽?，回采期間可能還會(huì)有小的斷層出現(xiàn)，因此在工作面開采過程中必須加強(qiáng)頂板管理，防止沖擊事故的發(fā)生。已揭露的各個(gè)斷層特征如表1。

2 微震特征觀測(cè)

為了觀測(cè)9-700綜放工作面開采過程中構(gòu)造活化和圍巖破裂的信息，在工作面開采前，在工作面的軌道平巷和運(yùn)輸平巷內(nèi)，自開切眼處起，每間隔50m，各設(shè)置一組檢波器，工作面推進(jìn)至檢波器位置時(shí)，隨撤隨安裝，保證工作面前后最少有六組的測(cè)量站同時(shí)正常運(yùn)行。由于9-700上覆巖層較薄且表土層較厚，并且煤層較厚，因此選擇頻率范圍在60～1400Hz的檢波器來檢測(cè)高頻低能的微震時(shí)間[1]。

圖1 9-700綜放工作面平面測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2 為9-700綜放工作面過斷層期間的微震特征曲線圖。由圖可知，工作面距斷層F1232m時(shí)，總能量達(dá)到峰值42895 J，此時(shí)微震時(shí)間數(shù)量為24個(gè)；當(dāng)工作面距斷層213m時(shí)，在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，微震時(shí)間的總數(shù)量和總能量漸漸減小；當(dāng)推進(jìn)至距工作面83米左右時(shí)，微震時(shí)間總數(shù)量又開始增加；事件數(shù)量的最大值在距斷層F155.3m時(shí)取得為36個(gè)。

圖2 綜放工作面過斷層F1期間微震事件特征曲線圖

根據(jù)9-700工作面斷層過程中微震事件特征曲線，根據(jù)微震事件總數(shù)量及總能量的階段性的變化規(guī)律，可將在綜放工作面對(duì)采動(dòng)影響下斷層F1的活化分為三個(gè)過程[2]：

1）壓力顯現(xiàn)階段。由于斷層附近存在較大的構(gòu)造應(yīng)力，煤層的開采破壞了原本的平衡結(jié)構(gòu)，當(dāng)工作面遠(yuǎn)離斷層（266-213m）時(shí)，工作面方向的煤巖體內(nèi)積聚的構(gòu)造應(yīng)力釋放，此時(shí)工作面和巷道有發(fā)生活化型沖擊地壓的危險(xiǎn)。這個(gè)過程中液壓支架的受力會(huì)逐漸增大，工作面頂板的控制難度增加。

2）儲(chǔ)能階段。煤巖體內(nèi)斷層雖然破壞了其連續(xù)性，但是斷層處仍然有某種程度上的摩擦阻力和粘聚力，能阻止一定應(yīng)力范圍內(nèi)的相對(duì)滑動(dòng)，當(dāng)工作面遠(yuǎn)離斷層（213～83m）時(shí)，結(jié)構(gòu)面抵抗著斷層的相對(duì)位移，因此結(jié)構(gòu)表面可以積聚一些能量。期間工作面液壓支架工作阻力穩(wěn)定，工作面生產(chǎn)不受斷層構(gòu)造的影響。

3）結(jié)構(gòu)活化階段。當(dāng)工作面距斷層較近（83～0m）時(shí)，結(jié)構(gòu)面間的粘聚力和摩擦力已經(jīng)不足以阻止由于采動(dòng)影響傳遞給斷層結(jié)構(gòu)的支承壓力，導(dǎo)致頂板回轉(zhuǎn)下沉使斷層附近煤體和液壓支架承受很大的壓力，煤體如果在一瞬間崩塌，此時(shí)發(fā)生的就是斷層煤柱型沖擊災(zāi)害。

通過對(duì)比9-700工作面過斷層F1期間微震事件特征曲線不同的階段，每個(gè)階段均有其明顯的特征。在壓力顯現(xiàn)階段，微震事件總能量最大，可達(dá)到42895 J，煤體蓄積著很多能量，而在結(jié)構(gòu)活化階段，單日微震事件最大總能量?jī)H為21036 J,只是壓力顯現(xiàn)階段的二分之一，說明斷層在應(yīng)力顯現(xiàn)階段更容易誘發(fā)沖擊地壓，因此在9-700綜放工作面開采過程中，必須提前對(duì)頂板進(jìn)行綜合管理，保證工作面對(duì)安全生產(chǎn)。

3 工作面過斷層期間沖擊地壓機(jī)制

根據(jù)在9-700工作面的微震監(jiān)測(cè)結(jié)果將工作面過斷層過程中沖擊災(zāi)害分為斷層煤柱型和斷層活化型兩種。

1）斷層活化型沖擊機(jī)制；斷層在形成過程用，由于斷層上下盤相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì)，使斷層兩側(cè)的巖體中積聚了大量的構(gòu)造應(yīng)力，其中水平應(yīng)力為主。巷道的采掘及工作面的開采均破壞了斷層原本的平衡狀態(tài)，當(dāng)工作面與斷層間的煤體不足以抵抗原本蓄積的水平構(gòu)造應(yīng)力時(shí)，工作面方向的煤巖體均會(huì)向圖3（a）所示方向運(yùn)移，構(gòu)造應(yīng)力的釋放，導(dǎo)致工作面前方的煤巖體破壞震動(dòng)，可能在工作面發(fā)生斷層活化性沖擊，破壞綜放工作面對(duì)設(shè)備，甚至威脅工人們的安全[3]。

圖3 工作面過斷層期間沖擊地壓機(jī)制結(jié)構(gòu)圖

2）斷層煤柱型沖擊機(jī)制。隨著工作面距斷層的減小，斷層上下盤移動(dòng)的趨勢(shì)越來越強(qiáng)烈，由于斷層的破壞了頂?shù)装宓倪B續(xù)性，采煤工作面對(duì)擾動(dòng)使頂板回轉(zhuǎn)下沉，導(dǎo)致斷層煤柱上應(yīng)力高度集中，大量彈性能積聚在煤體內(nèi)，如圖3（b）。頂板回轉(zhuǎn)下沉的角度越來越大，工作面對(duì)推進(jìn)在不斷的減小煤柱的寬度，當(dāng)煤柱承受不住頂板的壓力時(shí)，媒體會(huì)發(fā)生崩解碎裂，該過程中伴隨著大量的微震事件，此時(shí)可以采取增大液壓支架工作阻力、增加巷道兩側(cè)卸壓保護(hù)帶寬度等措施防止沖擊地壓的發(fā)生。

4 工作面過斷層期間沖擊地壓綜合防治措施及實(shí)踐

4.1 工作面過斷層期間沖擊防治措施

根據(jù)工作面距斷層距離的不同分別采取不同的措施來預(yù)防兩類動(dòng)力災(zāi)害。

4.1.1 斷層活化引起的沖擊地壓綜合防治

斷層活化階段，斷層需要釋放大量的水平構(gòu)造應(yīng)力，這個(gè)過程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格的控制工作面對(duì)推進(jìn)速度，并且加強(qiáng)工作面的頂板管理，提升巷道的支護(hù)強(qiáng)度。

合理的控制綜放工作面的推進(jìn)速度，給斷層內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力更多的釋放時(shí)間，將其變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)勻速且平緩的過程，同時(shí)加強(qiáng)觀測(cè)，做好提前預(yù)警工作，最終避免出現(xiàn)沖擊事故。

加強(qiáng)巷道支護(hù)。對(duì)巷道加強(qiáng)超前支護(hù)，并且采用錨網(wǎng)加固巷道頂板，提高巷道圍巖對(duì)斷層活化過程中煤巖體形變和位移的抵抗能力。

4.1.2 斷層煤柱型沖擊地壓防治措施

防治斷層煤柱型沖擊地壓的主要技術(shù)措施有開采前進(jìn)行預(yù)卸壓、開采過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警及出現(xiàn)預(yù)警后的解危措施。

在超前工作面300m處，斷層85米范圍內(nèi)采用大直徑卸壓鉆孔增加煤體的塑性，進(jìn)行提前卸壓。

為盡量縮小頂板的暴露時(shí)間，工作面采用及時(shí)支護(hù)的方式，過斷層時(shí)應(yīng)采取帶壓移架的方法。用微震監(jiān)測(cè)和應(yīng)力監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)對(duì)煤巖體沖擊趨勢(shì)的判斷，當(dāng)微震的總數(shù)或總能量出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，采用電磁輻射法或鉆屑法進(jìn)行驗(yàn)證，如果確認(rèn)有沖擊地壓的危險(xiǎn)，就立刻制定具體的解危措施[4]。

4.2 9-700綜放工作面過斷層期間防沖實(shí)踐

霍州煤電集團(tuán)公司辛置煤礦的9-700綜放工作面開采范圍內(nèi)存在諸多斷層，為確保工作面安全通過斷層，超前工作面300m處對(duì)有沖擊地壓危險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行卸壓，1號(hào)卸壓區(qū)是為了防止斷層活化型沖擊地壓，2號(hào)卸壓區(qū)號(hào)卸壓區(qū)為采空區(qū)二次見方與斷層疊加影響沖擊危險(xiǎn)區(qū)，防止斷層煤柱型沖擊地壓，在2號(hào)卸壓區(qū)采用直徑150mm，孔深25m，間距為2.5m的大直徑卸壓鉆孔。

采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采場(chǎng)周圍礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。經(jīng)過對(duì)工作面的綜合管理，在9-700工作面過斷層F1過程中微震事件監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)也偶爾出現(xiàn)異常，但是沒有達(dá)到預(yù)警的程度，用鉆屑法進(jìn)行驗(yàn)證，也并未發(fā)現(xiàn)煤粉超標(biāo)的現(xiàn)象，可知綜合防沖措施取得了理想的效果。為了降低對(duì)斷層活化階段的擾動(dòng)影響，出于工作面安全的考慮，在斷層活化階段將工作面的推進(jìn)速度降低了20%，保障工作面安全推過了斷層沖擊危險(xiǎn)區(qū)。

圖4 工作面巧壓鉆孔施工圖

5 結(jié) 論

1）根據(jù)綜放9-700工作面微震監(jiān)測(cè)的結(jié)果，將工作面開采過程中斷層導(dǎo)致巖層及煤體內(nèi)壓力的變化分為三個(gè)階段分別為壓力顯現(xiàn)階段、儲(chǔ)能階段、結(jié)構(gòu)活化階段，形象的描述了沖擊壓力的發(fā)展過程。

2）將工作面過斷層期間的動(dòng)力災(zāi)害歸結(jié)為斷層活化型和斷層煤柱型兩種類型，活化型主要由于工作面的擾動(dòng)導(dǎo)致斷層兩側(cè)積聚的構(gòu)造應(yīng)力釋放從而引起沖擊地壓；斷層煤柱應(yīng)力的高度集中，導(dǎo)致煤巖體失穩(wěn)沖擊定義為煤柱型沖擊地壓。

3）基于9-700綜放工作面過斷層沖擊地壓提出了相應(yīng)的沖綜合治理措施，并在工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，為該工作面過F2、F6等較大斷層提供了解決措施，也為類似特厚煤層綜放工作面過斷層安全開采提供了借鑒。