大采高工作面過斷層煤壁片幫機理分析及控制

　　摘要:在斷層構造影響下，大采高綜采工作面煤壁片幫控制一直是個難題。以陽煤集團榆樹坡煤業1201綜采工作面在推進過程中過正斷層為工程背景，針對斷層構造高幫煤壁穩定性惡化且難以支護的問題，運用理論分析、現場實測等方法綜合研究，分析了斷層構造處煤壁片幫嚴重的原因為:斷層的存在導致頂板載荷增大、煤體物理力學性能降低、煤壁裸露時間長。為此提出高初撐力、高護幫高度、及時支護等措施，有效改善了煤壁片幫問題，提高了回采效率。

　　關鍵詞:斷層,片幫控制,高初撐力,及時支護

　　隨著煤炭開采技術的進步，大采高一次采全厚采煤法因其回采率高，受到煤礦企業的廣泛重視和極力推崇。但隨著工作面采高增加、煤壁增高，圍巖控制難度也隨之加大，回采過程中片幫、冒頂事故時有發生，特別是工作面遭遇斷層時控制難度大幅增加。

　　在煤礦實際地質條件下，回采工作面需要通過斷層的情況已經司空見慣，大大小小的斷層構造在不同程度上改變了地下煤體的完整性，時刻改變著采場圍巖條件。據眾多煤礦回采工作面在遇到斷層時的情況來看，斷層的存在極大地延誤了工作面正常的推進進度，且構造所帶來的圍巖不穩定性直接威脅到工作面的生產安全[1-2]。

　　因此，對大采高工作面過斷層時圍巖控制技術的研究十分有必要。本文以陽煤集團榆樹坡煤業1201大采高綜采工作面過正斷層為例，分析研究了大采高工作面過斷層期間的圍巖破壞特征及控制技術，為相似地質條件下的工作面回采提供參考與借鑒。

　　1工程背景

　　榆樹坡煤業1201綜采工作面位于2號煤一采區，四鄰無采空區存在，工作面埋深290～390m，煤層平均厚度4.7m，采用走向長壁式一次采全厚綜合機械化采煤法。工作面使用ZY14000/26/56型掩護式液壓支架(中間架)和ZYG14000/26/50型過渡支架維護頂板，ZY14000/26/56型支架最大支撐高度5.6m，最小支撐高度2.6m，支架寬度1.75m，中心距1.75m，支架重量33t，額定工作阻力14000kN。

　　1201工作面受地質構造影響，分兩部分進行回采。①部分傾斜長度200m，走向長1265m;②部分傾斜長度100m，走向長135m，工作面整體布置為刀把式布置。根據實際揭露情況可知:進風巷累計揭露4條正斷層，回風巷揭露2條正斷層，且工作面內部可能存在隱伏小構造。D705、D706正斷層均為進風巷掘進時揭露，兩斷層構造相似，對回采影響較大。距開切眼196m處工作面遭遇D705正斷層，斷層傾角45°，平均落差3.7m;387m處工作面遭遇D706正斷層，斷層傾角60°，平均落差4.5m。

　　其中D706斷層向工作面延伸約80m，走向影響范圍約22m。目前工作面已通過D705斷層，即將推進至D706斷層附近。在工作面過D705斷層期間，其上下盤不同程度錯位滑移導致工作面煤壁片幫嚴重，頂板破碎垮落，甚至有壓架事故發生，嚴重影響工作面生產安全，延誤回采效率，大采高工作面的生產優勢得不到體現。

　　2斷層構造帶圍巖破壞特征

　　2.1煤體破壞范圍的現場窺視

　　1201工作面臨近D706斷層10m時，在進風巷、回風巷靠采場幫面分別超前工作面5m、10m處向內側煤體鉆孔進行成像窺視，共設4個觀測點，由此對煤壁前方煤體受破壞情況觀察分析，鉆孔直徑28mm，孔深20m。其中回風巷5m處鉆孔孔壁內出現輕微破碎破壞情況，10m處孔壁較為完整、光滑，沒有出現破碎及裂縫;而進風巷5m處孔壁受破壞較為嚴重，有多條裂縫且完整程度較低，窺視儀探頭在此孔工作時前進較為困難，10m處孔壁仍存在破碎情況，說明工作面臨近斷層時，煤壁前方煤體受破壞強度嚴重且破壞范圍明顯加大。

　　2.2斷層的存在對圍巖破壞影響分析

　　[3-4]1)煤壁裸露時間變長。1201綜采工作面采高4.7m，屬于大采高回采工作面，煤壁裸露面積較大，受高強度采動影響，本身就容易發生煤壁片幫情況，同樣頂板也受高強度采動影響破碎垮落程度較大。而遇到斷層時工作面推進速度放慢，隨之煤壁裸露時間變長，煤壁在長時間得不到支護的情況下片幫加深、范圍加大。

　　2)煤體物理力學性能降低。斷層的存在破壞了煤體本身的完整性，基本頂在未達到其破斷極限前就發生破斷垮落，加劇了頂板破碎;另外，斷層附近煤體內聚力和內摩擦角均減小，煤壁極限承載能力降低，片幫幾率增加。

　　3)頂板載荷增大。在過斷層D705階段曾對支架工況做過相關壓力監測，支架阻力P的變化曲線，L為負值表示工作面位于上盤時距斷層面距離，L為正值表示工作面位于下盤時距斷層面距離。由實測數據得知:工作面正常推進時支架阻力為10000kN左右，在工作面靠近斷層面的過程中，支架阻力近乎呈線性增加且最大值達到13500kN，接觸斷層后支架阻力有所下降，但其值仍大于接觸之前。說明斷層的存在導致采場頂板載荷急劇加大，而這是頂板破碎垮落的主導因素。另外，由于煤壁承載能力下降導致片幫事故更易發生。

　　4)斷層導水軟化圍巖。

　　據1201工作面地質勘察資料得知，頂板老頂砂巖含水較大，在過斷層構造階段由于斷層導水因素導致工作面圍巖內部巖體孔隙加大，不論煤體或是頂板巖體均受水影響而不同程度壓裂軟化，從而降低了圍巖黏聚性等物理特性，加劇了頂板破碎及煤壁片幫程度。

　　3圍巖控制方案研究

　　1201綜采工作面過斷層D705期間，圍巖在原有的支護方案下得不到有效控制，產生煤壁片幫、頂板破碎垮落，導致工作面推進緩慢甚至一度停滯。基于以上分析，在工作面過D706斷層期間，提出了以下綜合過斷層方案[5]。

　　1)增加支架初撐力。對于斷層構造帶來的采場頂板載荷增加，有必要通過增加支架初撐力來限制頂板下沉量。正常割煤階段，據實際測量得知，支架工作阻力在10000～11000kN。由ZY14000/26/56型液壓支架性能可知，支架留有一定的富裕阻力，所以在過斷層階段可以適當增加其初撐力來維護頂板，并在斷層兩側砌木垛來分擔頂板載荷。

　　2)增加護幫高度。在通過斷層階段，最大可能地延伸支架前端護幫板，增加護幫高度，從而限制由于斷層構造引起的煤體破碎，避免煤壁大范圍片幫影響采煤機組正常運行及工作面人員安全。

　　3)降低采高。工作面推至斷層附近將采高降低至3.5m，減少割巖量，留下底煤，從而降低了保持煤壁穩定所需的最小水平支護力。

　　4)及時支護。在回采過程中，支架滯后采煤機滾筒2～3架緊隨采煤機向煤壁推進，并在滾筒走過煤體后支架工及時打開護幫板支護煤壁，防治煤壁片幫破碎。同時為加快過斷層速度，需超前滾筒3～4架及時收回護幫板，避免延誤滾筒高速前進。

　　4工程應用分析

　　在回采過D706斷層階段應用以上綜合過斷層方案，期間對工作面進行礦壓及變形量監測，并與過D705斷層時進行比較。過D706斷層期間片幫最大深度為0.23m，較過D705斷層時降低了74%，最大高度為0.41m，較過D705斷層期間降低了68%;另一方面，支架阻力明顯降低，接近于工作面正常推進時的阻力值。因此，綜合過斷層方案有效改善了1201大采高工作面過斷層期間煤壁大范圍片幫及頂板破碎、垮落等圍巖破壞問題。

　　5結語

　　1)1201工作面正常推進時煤壁前方煤體破壞范圍較小，在5m以內;當遇到斷層時，受破壞范圍較大，破壞深度在15m左右。2)提出了“提高初撐力、增加護幫高度、降低割煤高度、及時支護”的綜合過斷層方案。經工程應用，有效改善了過斷層期間煤壁片幫、頂板破碎等問題，為工作面“安全、高效”生產提供了有力保障。

　　參考文獻：

　　[1]袁永，屠世浩.大采高綜采技術的關鍵問題與對策探討[J].煤炭科學技術，2010，38(1):4-8.

　　[2]楊建立，左建平，孫凱，等.大采高多斷層工作面綜放誘發地表沉陷觀測及數值分析[J].巖石力學與工程學報，2011，30(6):1216-1224.

　　[3]陳亮，孟祥瑞，高召寧，等.大采高綜采工作面煤壁片幫機理分析[J].煤體科學技術，2011，39(5):18-24.

　　[4]寧宇.大采高綜采煤壁片幫冒頂機理與控制技術[J].煤炭學報，2009，34(1):50-52.

　　[5]馬立強，張東升，孫廣京，等.厚沖積層下大采高綜放工作面頂板控制機理與實踐[J].煤炭學報，2013，38(2):199-203.

　　煤炭方向論文投稿刊物：《煤炭科學技術》(月刊)創刊于1973年，是由國家煤礦安全監察局主管、煤炭科學研究總院主辦的綜合性煤炭科技期刊。主要刊載煤炭工業各領域取得的新成果、新技術、新經驗及新產品等方面的論文，內容包括煤田與礦井地質、煤礦基建、地下與露天開采、巖石力學與井巷支護、礦山測量、礦山電氣、礦山機械、礦山自動化、井巷運輸、通風與安全、煤炭化工與綜合利用、潔凈煤技術等。

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