大采高綜采工作面過斷層關(guān)鍵技術(shù)研究

宋景利 謝廷深 劉兆輝

（沈陽焦煤股份有限公司紅陽三礦，遼寧 遼陽 111307）

煤礦井工開采受地質(zhì)條件影響較大，斷層往往造成回采不連續(xù)，斷層附近應(yīng)力分布不規(guī)律，導(dǎo)致工作面頂板破碎，圍巖不穩(wěn)定，回采過程中頂板維護(hù)困難，當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力與采動(dòng)應(yīng)力疊加時(shí)，斷層局部可能出現(xiàn)“活化”或滑動(dòng)，威脅安全生產(chǎn)。沈陽焦煤股份有限公司紅陽三礦北二下采區(qū)1210-2工作面為大采高綜采工作面，掘進(jìn)期間揭露的煤層顯示，工作面回采期間需過Fh2（H=2.7 m）斷層。為保證安全高效快速過斷層，須對大采高工作面過斷層期間的覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，為工作面過斷層回采提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 概況

1210-2工作面地面標(biāo)高+21.1～ +25.7 m，井下標(biāo)高為-908～ -942 m，主要回采12煤，為復(fù)合煤層，分為12-1、12-2煤層。12-1煤平均厚2.54 m，夾矸泥巖平均厚1.24 m，12-2煤平均厚2.80 m，煤層總厚6.58 m。煤層直接頂為2.2 m厚的泥巖，基本頂為10.75 m厚的泥巖，再往上為8.75 m厚的細(xì)粒砂巖。工作面回采期間將遇Fh2正斷層，斷層落差2.7 m。

2 大采高工作面過斷層期間覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律

為準(zhǔn)確掌握大采高工作面過斷層期間上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)行了相似模擬試驗(yàn)。根據(jù)1210-2工作面實(shí)際開采情況及相似模擬試驗(yàn)臺的尺寸（寬×高=4500 mm×3200 mm），考慮大采高的開挖高度，采用的幾何相似常數(shù)C1=60，容重相似常數(shù)Cγ=1.67，應(yīng)力相似比數(shù)Cσ=100，時(shí)間相似比常數(shù)7.75。

（1）工作面進(jìn)入斷層前覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及頂板壓力變化

根據(jù)相似模擬試驗(yàn)，頂板共發(fā)生5次垮落，分別在距斷層48 m、36 m、21.6 m、9.6 m、3 m時(shí)，頂板垮落高度分別為9.6 m、12.6 m、13.8 m、15 m、34.2 m；從頂板巖層垮落、移動(dòng)過程可以得出，直接頂冒落高度為13.8 m，為2.10倍采高，基本頂斷裂高度為34.2 m，為5.20倍采高。

在進(jìn)入斷層前，觀測頂板壓力出現(xiàn)異常，上升很快，頂板壓力變化規(guī)律如圖1。

圖1 工作面進(jìn)入斷層前支架壓力變化

從圖1可以看出，工作面在進(jìn)入斷層前10 m范圍內(nèi)頂板壓力基本呈線性增加，增加速度較快，揭露斷層時(shí)壓力達(dá)到最大值為1041 N，正常來壓時(shí)的壓力為840 N，壓力增加了201 N。

為驗(yàn)證相似模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在1210-2工作面進(jìn)行了現(xiàn)場礦壓監(jiān)測，沿工作面方向布置了12個(gè)支架壓力記錄儀，通過支架的時(shí)間加權(quán)阻力與其均方差之和，參考支架的循環(huán)末阻力，來分析工作面周期來壓情況。

工作面頂板周期來壓步距情況具體見表1，基本頂來壓期間動(dòng)載系數(shù)具體見表2。

表1 工作面基本頂周期來壓步距 單位：m

表2 基本頂來壓期間動(dòng)載系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

觀測期間，基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄酁?.6～22 m，平均14.9 m?；卷攣韷簳r(shí)動(dòng)載系數(shù)最小為1.49，最大為2.06，平均1.7，支架的動(dòng)載系數(shù)較大。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場實(shí)際情況，礦壓顯現(xiàn)較為平緩，但工作面出現(xiàn)了支架動(dòng)載系數(shù)偏高的反常狀態(tài)。分析原因?yàn)橹Ъ艿某鯎瘟ζ停瑢?dǎo)致工作面雖然來壓強(qiáng)度不大但動(dòng)載系數(shù)較大，需要通過提高工作面支架的初撐力來防止由于初撐力低引起的頂板離層和煤壁片幫，降低來壓時(shí)的動(dòng)載系數(shù)。

根據(jù)相似模擬試驗(yàn)得出，最小來壓步距為7.2 m，最大來壓步距為22.2 m，平均來壓步距為14.12 m，現(xiàn)場實(shí)測的平均來壓步距為14.9 m。試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本一致，因此相似模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果可靠。

（2）工作面進(jìn)入斷層后覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及頂板壓力變化

在進(jìn)入斷層后，頂板壓力變化規(guī)律如圖2。

圖2 工作面通過斷層后支架壓力變化

從支架支撐力變化圖也可看出卸載區(qū)的范圍為：過斷層后16.8 m范圍內(nèi)，回采工作面會處于一個(gè)良好的狀態(tài)。頂板壓力在距斷層35～40 m處才會恢復(fù)到正常的壓力水平，如果工作面煤壁及頂板不是特別破碎，沒有必要降低采高，可以以正常采高回采，最大限度提高煤炭回收率。

3 大采高工作面快速過斷層回采技術(shù)實(shí)踐

1210-2工作面回采至8#點(diǎn)外15 m處時(shí)，工作面將遇Fh2斷層。該斷層為正斷層，落差2.7 m，影響工作面推進(jìn)長度219 m，橫穿整個(gè)工作面，根據(jù)斷層走向在工作面預(yù)計(jì)最大暴露長度約3～5 m。斷層位置平面示意圖如圖3。

圖3 斷層位置平面示意圖

（1）快速過斷層措施

① 將采高控制在4.0～4.8 m范圍內(nèi)。為保證采高，工作面推進(jìn)至Fh2斷層前，采煤機(jī)破斷層下盤頂板，沿?cái)鄬酉卤P層位推進(jìn)，上盤留底煤隨坡，并割頂板，工作面運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī)和支架傾角不得超過10°。

② 過斷層時(shí)保證工作面采向，按正?；夭煞绞竭^斷層。由于斷層橫穿工作面，為防止大面積揭露斷層，工作面?zhèn)涡遍_采，斷層面走向與工作面成40°夾角逐漸向運(yùn)輸順槽方向延伸。

③ 根據(jù)前述相似模擬試驗(yàn)可知，工作面在進(jìn)入斷層前10 m范圍內(nèi)頂板壓力基本呈線性增加，增加速度較快，揭露斷層時(shí)壓力達(dá)到最大值，動(dòng)載系數(shù)平均1.7。為了降低來壓時(shí)的動(dòng)載系數(shù)，防止由于初撐力低引起的頂板離層和煤壁片幫，在工作面進(jìn)入斷層前10 m范圍內(nèi)，工作面液壓支架的液壓系統(tǒng)要保證完好，液壓支架達(dá)到初撐力。

④ 工作面回風(fēng)順槽在揭露Fh2斷層時(shí)，沿煤層底板逐步抬運(yùn)輸機(jī)過渡，在此期間加強(qiáng)機(jī)尾三角點(diǎn)頂板管理，調(diào)整好運(yùn)輸機(jī)角度，彎曲程度不得大于5°，防止出現(xiàn)咬架、擠架現(xiàn)象，支架達(dá)到初撐力。工作面液壓支架采用追機(jī)移架的方式支護(hù)頂板，移架后保證液壓支架嚴(yán)密接觸頂板并達(dá)到支架的初撐力，頂板破碎段采用擦頂移架方式移架。

⑤ 正確控制好工作面層位，斷層過渡段保證支架間錯(cuò)茬不超過200 mm，且過渡段不少于17 m。抬運(yùn)輸機(jī)時(shí)每次推進(jìn)破頂高度不得超過200 mm，兩端頭支架沿順槽坡度進(jìn)行前移。保證工作面運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī)和支架平直，運(yùn)輸機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接合理，搭接距離200～400 mm之間。工作面過斷層過程中必須保證運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾平穩(wěn)過渡。

⑥ 運(yùn)輸順槽過斷層20 m左右后，工作面過斷層回采結(jié)束，恢復(fù)到正常采高。

（2）回采效果

通過相似模擬試驗(yàn)指導(dǎo)大采高工作面的回采，使得工作面過斷層的措施更有針對性。工作面過斷層期間，沒有出現(xiàn)支架壓架、咬架、倒架現(xiàn)象，避免了大采高工作面煤壁片幫和支架端頭冒頂發(fā)生，確保了大采高工作面過斷層期間的回采安全，安全效益顯著。

根據(jù)原有的經(jīng)驗(yàn)，過斷層50 m后逐漸恢復(fù)至正常采高，按新的開采方案，在運(yùn)輸順槽過斷層20 m即恢復(fù)到了正常采高，斷層影響范圍采高平均為4.5 m，正常采高平均為6.58 m，工作面面長200 m，煤的密度以1.4 t/m3計(jì)，則能多回采1.7萬t煤，提高了煤炭回收率，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié) 語

通過相似模擬試驗(yàn)研究大采高工作面過斷層過程中頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律及頂板壓力變化規(guī)律，提出了控制采高、沿?cái)鄬酉卤P層位推進(jìn)、偽斜開采、液壓支架高工作阻力、追機(jī)移架等過斷層的技術(shù)及工藝措施，指導(dǎo)大采高工作面的回采，使得工作面過斷層的措施更有針對性，安全效益和經(jīng)濟(jì)效益明顯。