斷層對超大采高工作面的影響及應(yīng)對措施

呼綠雄

(神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

斷層、褶皺、節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造對煤礦開采的影響很大[1-3]。其中，斷層是一種在地殼運(yùn)動(dòng)中廣泛發(fā)育的地質(zhì)形態(tài)，嚴(yán)重破壞巖層連續(xù)性和完整性，也降低了地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在神東礦區(qū)，淺埋深煤層的煤層頂板一般為單一的主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，并且是大采高工作面，斷層的存在對工作面頂板管控以及礦壓顯現(xiàn)的影響非常明顯[4-6]。以神東大柳塔煤礦52503綜采工作面7 m超大采高的開采為背景，探究本工作面斷層對開采工作的影響，并制定合理的技術(shù)措施，以保證工作面安全回采，同時(shí)為類似煤層的開采提供參考。

1 工程背景

神東大柳塔煤礦52503綜采工作面的走向長度為4 383 m，工作面長168 m，傾角平均2°，煤層平均厚度7.15 m，采高7 m，采用走向長壁后退式一次采全高綜合機(jī)械化采煤法，采空區(qū)采用全部垮落法來管理頂板。綜采工作面上覆基巖是中下侏羅統(tǒng)延安組地層，厚度約為35～80 m，基巖厚度從切眼開始到回撤通道逐漸變厚。地表大多被第四系松散沉積物覆蓋，工作面埋深平均180 m。綜采面頂?shù)装鍫顩r見表1。

表1 工作面頂?shù)装迩闆r

除端頭支架和過渡支架外，52503綜采工作面中部頂板支護(hù)使用86臺(tái)型號(hào)為ZY21000/32/70D的兩柱支撐掩護(hù)式液壓支架。其主要技術(shù)特征見表2。

表2 液壓支架主要技術(shù)特征

2 工作面斷層情況

2.1 斷層特征

52503綜采工作面左右兩邊分別是尚未開采的52502綜采面和52504綜采面，與左右兩工作面之間均有大斷層隔開，如圖1所示。兩斷層與工作面走向方向基本平行，從52503工作面切眼一直延續(xù)到回撤通道。兩條斷層距工作面兩順槽很近，左邊斷層距52503回風(fēng)順槽為5～20 m，右側(cè)斷層距52503運(yùn)輸順槽(2)為5～15 m。工作面左右兩邊的斷層均是正斷層，落差25～40 m，中部下沉，屬于“地塹”工作面，如圖2所示。由于左右大斷層的影響，工作面的布置長度僅為168.5 m。

圖1 52503綜采工作面斷層平面示意圖

圖2 52503綜采工作面斷層剖面示意圖

2.2 斷層影響

斷層對煤巖層的整體影響：斷層改變了附近煤巖層的埋藏條件，同時(shí)也使煤巖層發(fā)生了錯(cuò)斷和明顯的位移[7-9]。由于斷層的存在，在斷層發(fā)育處，煤巖層的裂隙也十分發(fā)育，比較破碎。而且斷層附近可能有次生斷層存在，對工作面回采中的礦壓顯現(xiàn)、兩順槽及聯(lián)巷頂板的穩(wěn)定性控制都可能會(huì)造成很大影響，更容易發(fā)生瓦斯突出、透水、煤壁片幫、冒頂、壓架等事故，對工作面回采的安全造成很大威脅。由于大柳塔煤礦52煤層受水害、瓦斯影響極小，因此重點(diǎn)分析斷層對52503綜采工作面開采除透水、瓦斯以外的其他重大影響。

斷層對工作面回采的影響：52503綜采工作面沿兩順槽走向方向的兩條大斷層的存在，改變了工作面上覆巖層的原始應(yīng)力狀態(tài)，煤層頂板發(fā)生破斷已不完整，兩順槽頂板也出現(xiàn)離層，處于破碎、不穩(wěn)定狀態(tài)，對工作面的礦壓顯現(xiàn)造成很大影響。在這種地質(zhì)條件下，煤層開采對頂板來說相當(dāng)于是二次采動(dòng)，由于頂板本身就不完好或已破斷，在工作面推進(jìn)過程中，采空區(qū)頂板不再是有規(guī)律的周期性的破斷垮落，因此工作面周期來壓非常不明顯。有時(shí)工作面突然來壓，持續(xù)6～8 m，壓力最高可達(dá)50 MPa；此時(shí)由于頂板破碎，在來壓期間，工作面片幫漏矸嚴(yán)重，立柱下縮明顯，來壓區(qū)域安全閥大面積開啟，開啟率達(dá)40%；緊接著，又持續(xù)多次來壓，且無法判斷工作面來壓區(qū)域部位，然后很長一段時(shí)間再無來壓現(xiàn)象，很難預(yù)測。由于工作面埋深淺、基巖薄、載荷層厚度較大，且老頂已經(jīng)破斷或不完整，對于7 m大采高工作面來說，工作面上覆巖層可能會(huì)呈整體切落式破斷，而切落的塊體不太容易形成比較穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，會(huì)出現(xiàn)滑落失穩(wěn)現(xiàn)象，因此會(huì)使工作面的礦壓顯現(xiàn)更加強(qiáng)烈且難以控制。

斷層對順槽的影響：由于工作面兩條大斷層距順槽很近，在順槽處最近僅5 m，因此在回采過程中會(huì)對順槽及聯(lián)巷的穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。①在工作面回采推進(jìn)過程中，52503運(yùn)輸順槽前方頂板離層儀觀測值跟原始值相同，離層量為零，出現(xiàn)頂板下沉等現(xiàn)象。但是受超前支承壓力的影響，在工作面前方5～15 m范圍內(nèi)，運(yùn)輸順槽正幫出現(xiàn)幫鼓現(xiàn)象，幫鼓影響范圍大約為2～3 m。副幫煤壁片幫嚴(yán)重，中部及下部出現(xiàn)網(wǎng)兜；②52503回風(fēng)順槽頂板有一定離層量，但未發(fā)生明顯頂板下沉現(xiàn)象。在回風(fēng)順槽超前工作面15 m范圍內(nèi)，受超前支承壓力影響，正幫發(fā)生幫鼓、副幫片幫嚴(yán)重，大部分出現(xiàn)網(wǎng)兜，部分錨桿竄出，金屬護(hù)網(wǎng)被破壞；超前支架支撐范圍內(nèi)頂錨索和頂錨桿被破壞，部分掉落，存在很大安全隱患，作業(yè)人員必須現(xiàn)場危險(xiǎn)源辨識(shí)并處理安全隱患后方可作業(yè)。

斷層對聯(lián)巷及密閉的影響：①工作面機(jī)頭通過52503運(yùn)順聯(lián)巷時(shí)，聯(lián)巷密閉未發(fā)生變化，聯(lián)巷抹角處片幫嚴(yán)重；機(jī)頭即將通過聯(lián)巷時(shí)，前部副幫大面積片幫；②工作面機(jī)尾通過52503回順聯(lián)巷時(shí)，機(jī)尾聯(lián)巷在距工作面20 m時(shí)密閉噴層零星脫落；距工作面10 m時(shí)密閉噴層和聯(lián)巷抹角噴層部分掉落，磚墻有壓酥跡象；超前5 m時(shí)聯(lián)巷口頂板下沉量為100～150 mm，密閉磚墻開始大面積掉皮。當(dāng)工作面正推進(jìn)通過機(jī)尾10#聯(lián)巷時(shí)，聯(lián)巷發(fā)生嚴(yán)重冒頂，兩根單體被埋，如圖3所示；③該處聯(lián)巷為雙抹角大斷面聯(lián)巷，此時(shí)機(jī)尾側(cè)斷層距離工作面正幫越來越近，而斷層形成時(shí)破壞了周圍圍巖的整體性結(jié)構(gòu)，使得該聯(lián)巷口頂板不完好形成各種裂隙。在工作面采煤機(jī)推進(jìn)至81#架快與機(jī)尾正幫割通時(shí)，采動(dòng)影響加劇了該大斷面聯(lián)巷口頂板的不穩(wěn)定性，使得頂板趨于破碎離層狀態(tài)，此時(shí)當(dāng)支架工降下86#支架時(shí)減小了支架對頂板的支撐作用，直接導(dǎo)致聯(lián)巷口頂板失穩(wěn)垮落，造成冒頂。

圖3 52503回風(fēng)順槽聯(lián)巷冒頂示意圖

3 應(yīng)對措施

3.1 安全管理措施

由于這兩條斷層對52503工作面礦壓規(guī)律、頂板管控、兩順槽及聯(lián)巷造成重大影響，因此必須采取有效的安全管理措施。

實(shí)時(shí)觀測和分析：成立礦壓觀測小組，記錄礦壓數(shù)據(jù)以及工作面頂板來壓期間的煤壁片幫程度、頂板漏矸、支架立柱下沉、安全閥開啟程度等現(xiàn)象。每班跟班隊(duì)干和驗(yàn)收員對兩順槽頂板離層儀、正副幫、聯(lián)巷情況等進(jìn)行觀測。對礦壓等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)觀測資料總結(jié)來壓規(guī)律，制定針對性措施，指導(dǎo)生產(chǎn)。

制度執(zhí)行：全體職工認(rèn)真學(xué)習(xí)貫徹《作業(yè)規(guī)程》《應(yīng)急預(yù)案》和各項(xiàng)制度措施，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)流程作業(yè)，以隨時(shí)應(yīng)對工作面突發(fā)狀況。

3.2 安全技術(shù)措施

工作面安全技術(shù)措施：由于斷層造成的影響，工作面在回采過程中礦壓規(guī)律異常、礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，必須采取以下安全技術(shù)措施。①割煤時(shí)，支架工或煤機(jī)司機(jī)應(yīng)視工作面壓力顯現(xiàn)情況確定成組收回護(hù)幫板架數(shù)，最多不可超過5架，壓力較大時(shí)設(shè)置為2～3架；②工作面生產(chǎn)中緊跟前滾筒及時(shí)跟機(jī)邁步移架，拉架過程中必須保證86臺(tái)支架初撐力全部一次性升到25.2 MPa以上；③工作面來壓時(shí)，及時(shí)拉出超前架或打出伸縮梁，若梁端距過大，要拉出超前架并打出伸縮梁；④有漏頂危險(xiǎn)時(shí)，必須逐架手動(dòng)收護(hù)幫板，并在滯后煤機(jī)后滾筒1架處及時(shí)打出護(hù)幫板；⑤加強(qiáng)工作面工程質(zhì)量管理，做到工作面“三直、兩平、兩暢通”；⑥支架頂梁接頂嚴(yán)密，架形好，安全閥開啟壓力符合要求；相鄰支架間不能有明顯錯(cuò)茬(不超過側(cè)護(hù)板高的2/3)，支架不擠咬架。

兩順槽及聯(lián)巷安全技術(shù)措施：52503綜采工作面兩側(cè)斷層對兩順槽影響最為嚴(yán)重，超前工作面20 m內(nèi)正幫幫鼓，副幫片幫嚴(yán)重，形成網(wǎng)兜，錨桿脫落，護(hù)網(wǎng)破壞，聯(lián)巷口冒頂，嚴(yán)重影響工作面正?；夭珊桶踩?，特采取以下安全技術(shù)措施。①機(jī)尾側(cè)剩余9個(gè)聯(lián)巷全部設(shè)木垛，根據(jù)聯(lián)巷抹角大小情況每個(gè)聯(lián)巷打設(shè)不少于2組木垛，木垛層間用抓釘固定，防止傾倒。為防止回收單體期間頂板垮落傷人，打設(shè)木垛的聯(lián)巷不再采取單體支護(hù)；②對剩余運(yùn)順、回順?biāo)新?lián)巷處頂板進(jìn)行錨索+“#”字型鋼帶補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)；③對兩順槽副幫補(bǔ)打錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，在行人高度附近原有錨索補(bǔ)加一套鎖具，對于外露長度短無法補(bǔ)加鎖具的錨索外部必須補(bǔ)金屬防護(hù)網(wǎng)，防止鎖具崩出傷人；④工作面順槽超前支架的前后護(hù)板、側(cè)護(hù)板在支護(hù)狀態(tài)時(shí)必須全部打開，支架頂梁及護(hù)板必須有效接頂。端頭支架和超前支架的移動(dòng)步距必須協(xié)調(diào)一致，最大限度地減小兩個(gè)頂梁之間的間隔距離；⑤兩順槽必須嚴(yán)格執(zhí)行“敲幫問頂”制度，有片幫離層必須立即處理，確保周圍環(huán)境安全方可作業(yè)。當(dāng)突遇炸幫、異響等情況，應(yīng)立即停止作業(yè)，撤回工作面；⑥禁止超前支架和端頭支架同時(shí)降下。機(jī)頭側(cè)采煤機(jī)斜切進(jìn)刀反向割通離開推完運(yùn)輸機(jī)后先升起超前支架，再去逐架拉端頭支架；機(jī)尾確保超前支架升緊后再拉端頭支架和過渡架。人員必須等待端頭支架全部拉完升緊，觀察安全通道頂板完好時(shí)再通行。

4 結(jié)語

地質(zhì)構(gòu)造，尤其是工作面附近大斷層，對回采工作面的礦壓顯現(xiàn)、兩順槽及聯(lián)巷的穩(wěn)定以及安全生產(chǎn)工作帶來很大的隱患和影響。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)及時(shí)做好觀測，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，制定措施，并嚴(yán)格執(zhí)行對應(yīng)的安全管理和技術(shù)措施，才能夠最大限度降低斷層帶來的影響，保證工作面正?；夭珊妥鳂I(yè)安全。