基于采煤工作面过大断层组群的思考和综合控制技术研究

基于采煤工作面过大断层组群的思考和综合控制技术研究

郭俊廷

中煤大屯公司徐庄煤矿 江苏徐州  221611

摘要：本文通过对大断层组群的特点和危害以及基于大断层组群影响下的采场矿压显现进行分析，提出了一系列的综合控制技术，验证了这些技术措施的有效性和可行性，对于采煤工作面过大断层组群的安全生产具有一定的指导意义。

关键词： 大断层组群，矿压显现，综合控制技术，安全生产

大断层组群多是由一系列破裂面或次级断层组成的带即断层(裂）带，断层规模越大断裂带也越宽越复杂，对煤炭开采的影响越大，容易引起煤炭开采中的各种安全事故。因此，如何对采煤工作面过大断层组群进行综合控制管理成为了当前煤炭开采中的重要问题。

1 工作面概况

7334工作面位于徐庄煤矿第三水平、东部II3采区第3个工作面，该工作面位于井田东部，面西起F117正断层及未开采区域，东至Ⅱ3采区上山；平均走向长度286m，平均倾向长度120m，为不规则工作面，回采时加支架延溜子。地质构造情况,煤层倾角∠22.9～26.4°，平均角度24.6°；煤厚3.4～5.1m，平均煤厚4.5m。该面地质构造较为复杂，工作面内共发育4条断层，溜子道掘进过程中依次揭露了95°∠45°H=4.8m、7334-1 74°∠68°H=0.4m及7334-2 72°∠54°H=1.1m，均为正断层，对盘上升；材料道掘进过程中揭露95°∠62°H=2.8m的正断层，对盘上升。切眼中下部揭露一条28°∠8°H=1.3m的正断层，对盘上升。落差在1.1～4.8m，对工作面的安全生产及资源回收造成了极大的困难。

2  大断层组群的特点和危害分析

2.1大断层组群的分布规律及特征

F117 断层上盘随 F117伴生与发育 1组断层，主要以95°∠45°H=4.8m、7334-1 74°∠68°H=0.4m及7334-2 72°∠54°H=1.1m，95°∠62°H=2.8m,28°∠8°H=1.3m等断层为组合的1组断层，其特征如下:

（1）平面形态略毕S型弯曲。(2)倾角浅部较缓深部较陡。（3)落差自下而上逐渐减小,特别是切割 F5层后，落差明显减小,以致在较短距离内消失。(4)断层对两盘煤岩层影响和破坏程度差异大，上盘较下盘明显。断层上盘其伴生、派生构造发育,特别是小断层及裂隙非常密集。(5) 无明显导水现象。

2.2   大断层组群的危害

大断层组群的存在会对煤炭开采产生很大的危害，主要表现在以下几个方面：（1）地质构造复杂。大断层组群的存在会导致煤层顶板的地质构造变得复杂，煤层顶板易于破碎，从而引起地压、冒顶等安全事故。（2）支护难度大。大断层组群的存在会导致支护难度增大，支护效果不佳，从而引起支护失效等安全事故。

3  基于大断层组群影响下的采场应力分布

3.1断层构造导致不均匀承载和高静压力

7334进风顺槽北侧区段煤柱与大断层群组协同作用形成高静压力区影响，断层组群的存在使煤柱支撑压力通过断层面传递给了巷道附近的煤体；另一方面采动引起断层的“活化”和断层面的滑移，共同引发了巷道近断层侧矿压显现剧烈和肩角区应力集中，断层的存在阻断了应力向下盘的传递，应力经断层的错动向煤体更深部转移，在工作面两顺槽和煤壁有应力集中且梯度变化较大。

3.2动载荷影响

由于该采场覆岩边界条件一侧为实体，一侧为相邻工作面“O-X”型结构的弧三角板，似字母“F”，因此，命名为“F”型覆岩空间结构。“F”结构的采空区覆岩可能对下一工作面掘进造成影响，同时巷道掘进引起的应力重新分布也可能会使采空区“F”型覆岩结构失稳，进一步回转变形达到新的铰接结构（“F”覆岩结构失稳），结构的失稳产生动载荷反过来影响巷道的稳定。同时由于断层的存在，在断层面之间较差的咬合作用增加了掘进施工诱发“F”覆岩结构失稳的机率。

3.3构造应力场中基本应力、附加应力和采动应力叠加

断层群组在垂直主应力及水平构造应力影响下，在采场前方超前支承压力影响范围增大，在采场端部顶板的位置应力集中程度明显增大，使得采空区方向出现应力卸压程度相对增大的情况，构造应力场对巷道变形和工作面煤壁、顶板影响最为严重。主要是由于窄的煤柱和工作面煤壁推进方向3-5米范围煤体松散破碎、裂隙发育，不易形成高应力承载体；10m左右的煤柱体会使断层构造应力、采动应力在煤柱中的形成峰值叠加，更高的应力峰值在煤柱中形成，使得煤柱中形成弹性核，局部弹性核的压碎导致间歇性矿震，大量破碎煤体涌向巷道和工作面给工作面正常回采带来极大的安全隐患。

4 综合控制技术措施

4.1 地质勘探

地质勘探是放顶煤工作面过特大断层综合管理的重要环节。通过对大断层组群的地质勘探，可以了解特大断层的位置、宽度、深度等信息，为支护设计提供依据。地质勘探的主要内容包括地质勘探、地质预测、地质监测等方面。

4.2 支护设计优化

“锚网索+单元支架”支护设计方案：

在顶板位置上打设锚索，借助锚索的作用，深

部稳定围岩能够对浅部围岩充分发挥出限制作用，从而使深部顶板围岩和浅部顶板围岩之间的相互牵制性作用得以体现，使其能够形成协同变形体系，不仅能够限制顶板浅部围岩的变形破坏作用，同时还能够对浅部围岩的应力环境予以改善，以此将单轴应力状态转化为三轴应力状态，实现了对浅部围岩位置处高应力的转移，为确保浅部围岩的稳定性发挥了非常关键的作用。

在回采巷道两顺槽帮和顶板位置处打设锚杆，存在于顶板锚杆和锚索之间的两个支护壳体，其能够对顶板围岩的应力条件起到很好地优化作用，从而达到增强顶板支护效果的作用。

由于膨胀性软岩在巷道底板处比较多，其在水的作用下会影响到整个巷道的稳定性，需要在开展设计工作的时候，考虑两道超前使用单元支架支护顶板，两道超前120m范围使用单元支架，工作阻力4000KN，支护强度0.9兆帕，支护高度2.8-3.8米，单台支架重量3500千克。前后顶梁配置15环链，支护过程中可与前后相邻支架相连，链条长度可以使用蛤蟆扣调节。单元支架的使用，超前支护效果良好，极大地提高了工作效率，保证了现场作业人员安全，以此来有效保护巷道顶、底板。

4.3  安全监测

安全监测是放顶煤工作面过特大断层综合管理的重要环节。通过对安全监测的深入研究，可以有效地监测放顶煤工作面过特大断层的活动性，及时发现问题，采取相应的措施，减少地面塌陷、煤炭资源浪费、冲击地压等问题的发生。

4.4层位控制

工作面过断层初期，断层距机头较近处时的层位调整空间小，在保证煤机正常通过的情况下，尽量少坡底矸，过断层区域破矸厚度大于1.5m时，采用打眼放震动炮松动岩体，炮眼采取两排三花眼布置方式，避免煤机直接截割以保护设备。

根据工作面剖面图和现场断层实际产状，本着合理管控顶板、竭力减少破矸的原则，对现场破矸范围进行大幅度抬刀，极力减少断层下盘破矸量，减少设备损坏影响生产。

5总结   

7334工作面受F117 大断层组群影响，回采初期推进困难，通过综合控制技术的应用，有效减少了断层对工作面回采的影响，特别是两端头肩窝及工作面冒顶片帮区域采取的支护优化措施，确保了工作面安全高效回采，为采煤工作面过大断层群组提供了宝贵的实践经验。

参考文献：

1、谢仁海，渠天祥，钱光谟，《构造地质学》，中国矿业大学出版社，2007

2、窦林名，邹喜正，曹胜根，陆菜平，《煤矿围岩控制与监测》，中国矿业大学出版社，2007

3、李以虎.《综采工作面过大落差断层合理方法研究》.煤矿开采,2013