斷層對超大采高工作面的影響及應對措施

呼綠雄

(神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

斷層、褶皺、節理等地質構造對煤礦開采的影響很大[1-3]。其中，斷層是一種在地殼運動中廣泛發育的地質形態，嚴重破壞巖層連續性和完整性，也降低了地質結構穩定性。在神東礦區，淺埋深煤層的煤層頂板一般為單一的主關鍵層結構，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，并制定合理的技術措施，以保證工作面安全回采，同時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械化采煤法，采空區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。綜采面頂底板狀況見表1。

表1 工作面頂底板情況

除端頭支架和過渡支架外，52503綜采工作面中部頂板支護使用86臺型號為ZY21000/32/70D的兩柱支撐掩護式液壓支架。其主要技術特征見表2。

表2 液壓支架主要技術特征

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回風順槽為5～20 m，右側斷層距52503運輸順槽(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，同時也使煤巖層發生了錯斷和明顯的位移[7-9]。由于斷層的存在，在斷層發育處，煤巖層的裂隙也十分發育，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、兩順槽及聯巷頂板的穩定性控制都可能會造成很大影響，更容易發生瓦斯突出、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力狀態，煤層頂板發生破斷已不完整，兩順槽頂板也出現離層，處于破碎、不穩定狀態，對工作面的礦壓顯現造成很大影響。在這種地質條件下，煤層開采對頂板來說相當于是二次采動，由于頂板本身就不完好或已破斷，在工作面推進過程中，采空區頂板不再是有規律的周期性的破斷垮落，因此工作面周期來壓非常不明顯。有時工作面突然來壓，持續6～8 m，壓力最高可達50 MPa；此時由于頂板破碎，在來壓期間，工作面片幫漏矸嚴重，立柱下縮明顯，來壓區域安全閥大面積開啟，開啟率達40%；緊接著，又持續多次來壓，且無法判斷工作面來壓區域部位，然后很長一段時間再無來壓現象，很難預測。由于工作面埋深淺、基巖薄、載荷層厚度較大，且老頂已經破斷或不完整，對于7 m大采高工作面來說，工作面上覆巖層可能會呈整體切落式破斷，而切落的塊體不太容易形成比較穩定的承載結構，會出現滑落失穩現象，因此會使工作面的礦壓顯現更加強烈且難以控制。

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對順槽及聯巷的穩定性構成嚴重威脅。①在工作面回采推進過程中，52503運輸順槽前方頂板離層儀觀測值跟原始值相同，離層量為零，出現頂板下沉等現象。但是受超前支承壓力的影響，在工作面前方5～15 m范圍內，運輸順槽正幫出現幫鼓現象，幫鼓影響范圍大約為2～3 m。副幫煤壁片幫嚴重，中部及下部出現網兜；②52503回風順槽頂板有一定離層量，但未發生明顯頂板下沉現象。在回風順槽超前工作面15 m范圍內，受超前支承壓力影響，正幫發生幫鼓、副幫片幫嚴重，大部分出現網兜，部分錨桿竄出，金屬護網被破壞；超前支架支撐范圍內頂錨索和頂錨桿被破壞，部分掉落，存在很大安全隱患，作業人員必須現場危險源辨識并處理安全隱患后方可作業。

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

圖3 52503回風順槽聯巷冒頂示意圖

3 應對措施

3.1 安全管理措施

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

實時觀測和分析：成立礦壓觀測小組，記錄礦壓數據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象。每班跟班隊干和驗收員對兩順槽頂板離層儀、正副幫、聯巷情況等進行觀測。對礦壓等實時數據進行分析，并根據觀測資料總結來壓規律，制定針對性措施，指導生產。

制度執行：全體職工認真學習貫徹《作業規程》《應急預案》和各項制度措施，嚴格按照標準流程作業，以隨時應對工作面突發狀況。

3.2 安全技術措施

工作面安全技術措施：由于斷層造成的影響，工作面在回采過程中礦壓規律異常、礦壓顯現強烈，必須采取以下安全技術措施。①割煤時，支架工或煤機司機應視工作面壓力顯現情況確定成組收回護幫板架數，最多不可超過5架，壓力較大時設置為2～3架；②工作面生產中緊跟前滾筒及時跟機邁步移架，拉架過程中必須保證86臺支架初撐力全部一次性升到25.2 MPa以上；③工作面來壓時，及時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有漏頂危險時，必須逐架手動收護幫板，并在滯后煤機后滾筒1架處及時打出護幫板；⑤加強工作面工程質量管理，做到工作面“三直、兩平、兩暢通”；⑥支架頂梁接頂嚴密，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茬(不超過側護板高的2/3)，支架不擠咬架。

兩順槽及聯巷安全技術措施：52503綜采工作面兩側斷層對兩順槽影響最為嚴重，超前工作面20 m內正幫幫鼓，副幫片幫嚴重，形成網兜，錨桿脫落，護網破壞，聯巷口冒頂，嚴重影響工作面正?；夭珊桶踩?，特采取以下安全技術措施。①機尾側剩余9個聯巷全部設木垛，根據聯巷抹角大小情況每個聯巷打設不少于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，打設木垛的聯巷不再采取單體支護；②對剩余運順、回順所有聯巷處頂板進行錨索+“#”字型鋼帶補強支護；③對兩順槽副幫補打錨索進行加強支護，在行人高度附近原有錨索補加一套鎖具，對于外露長度短無法補加鎖具的錨索外部必須補金屬防護網，防止鎖具崩出傷人；④工作面順槽超前支架的前后護板、側護板在支護狀態時必須全部打開，支架頂梁及護板必須有效接頂。端頭支架和超前支架的移動步距必須協調一致，最大限度地減小兩個頂梁之間的間隔距離；⑤兩順槽必須嚴格執行“敲幫問頂”制度，有片幫離層必須立即處理，確保周圍環境安全方可作業。當突遇炸幫、異響等情況，應立即停止作業，撤回工作面；⑥禁止超前支架和端頭支架同時降下。機頭側采煤機斜切進刀反向割通離開推完運輸機后先升起超前支架，再去逐架拉端頭支架；機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再通行。

4 結語

地質構造，尤其是工作面附近大斷層，對回采工作面的礦壓顯現、兩順槽及聯巷的穩定以及安全生產工作帶來很大的隱患和影響。在生產過程中，應及時做好觀測，總結經驗，制定措施，并嚴格執行對應的安全管理和技術措施，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安全。