緩傾斜煤層工作面礦壓顯現規律及過斷層技術研究

孫守孝

（山西煤炭進出口集團，山西 太原 030000）

放頂煤開采已成為我國開采緩傾斜煤層工作面的主要開采方法之一，在結構簡單煤層條件下取得了良好的經濟效益。但在遇到斷層等地質構造時，增加了采煤難度，采出率低，直接影響到煤炭產量，也造成資源的嚴重浪費[1]。放頂煤工作面的高效產出與工作面的礦壓規律有著重要的關系，因此，需對緩傾斜煤層礦壓規律進行研究，并針對過斷層時采取具體的技術措施[2-3]。楊科[4]針對超長大采高工作面采用不同研究手段分析了工作面過大落差正斷層時的圍巖應力分布，采取了超高段巷道提前接頂、破碎區注漿加固等技術措施；賀鑫[5]針對順槽過斷層區域進行了補強支護、人工頂板等措施，取得了不錯的效果。

1 工程概況

山西鋪龍灣煤業有限公司5102 工作面北部為DF4 斷層保安煤柱，西部為礦界，東為盤區大巷，南部為已采5106 工作面。5102 工作面上部為重疊布置4#煤4207 工作面，層間距為56.4～78.8 m，下部為8#煤實煤區。5102 工作面開采5#煤層，煤厚6.5～8.7 m，煤層含三至五層夾石，夾石穩定厚度0.10～1.1 m，工作面頂板屬較為破碎的復合頂板。5102 工作面兩順槽巷掘進過程中揭露18 條斷層，落差5 m 以上斷層4 條，對回采影響較大。51022巷回采至82 m、51021 巷回采至123 m 遇H=7.4 m正斷層（落差7.4 m、傾角65°、走向179°），煤層傾角變為18°（原煤層傾角為2°），嚴重影響回采安全和工作面正常礦壓觀測工作。

煤層傾角變大后較煤層傾角小的工作面礦山壓力顯現不明顯，來壓步距不明確，頂板破碎加劇。

當過斷層時，一直沿頂的采煤方式會使頂煤回收率降低，造成一定的經濟損失。

2 工作面礦壓顯現規律

分析工作面初次來壓，工作面在傾向長度變化及遇斷層傾角有變化情況下工作面支架工作阻力隨工作面推進的變化，得出周期來壓步距和頂板來壓強度，從而做出準確的礦壓預測預報。

2.1 觀測儀器及其布置

5102 工作面采用KBJ-60 Ⅲ-2 壓力檢測儀監測支架工作阻力。在工作面布置5 個測區，15 個測點，其中2#、9#、16#布置第一測區；23#、30#、37#布置第二測區；44#、51#、58#布置第三測區；65#、72#、79#布置第四測區；86#、93#、98#布置第五測區。工作面測區布置如圖1 所示。

圖1 工作面測區布置圖

2.2 礦壓顯現規律分析

圖2 為具有代表性煤層傾角2°，選取4 月；圖3 為煤層傾角18°，選5 月壓力分布曲線圖。

圖2 4 月份循環末阻力和時間加權阻力變化曲線

圖3 5 月份循環末阻力和時間加權阻力變化曲線

由圖2、圖3 可知，4 月份支架工作阻力值比較平穩，來壓區間多數安全閥開啟。5 月份支架工作阻力值比較大，來壓區間安全閥開啟頻繁。如圖所示，其中空心圈表示循環末阻力，實圓點代表時間加權阻力，空心圈線段、實圓點線段為周期來壓判據，實圓點線段表示周期來壓位置。由圖可知，4 月份工作面共周期來壓5 次，5 月份工作面周期來壓5 次，循環末阻力值相對較大。

可以得出煤層傾角為2°的工作面來壓步距為20～25 m，動載系數為1.51；煤層傾角為18°的工作面來壓步距為15～22 m，動載系數為1.63，來壓強度較大。較煤層傾角小的工作面，煤層傾角較大的工作面液壓支架工作阻力更大，步距較小，來壓強度大，來壓持續時間長。經現場觀測，煤層傾角較大的工作面，來壓前預兆更為明顯，頂板破碎加劇，工作面片幫嚴重。

3 工作面過斷層技術措施研究

3.1 斷層現狀分析

落差7.4 m、傾角65°、走向179°的正斷層，若一直以沿頂的采煤方式采煤，部分頂煤定不能回收，具體頂煤損失如下：

Q=L×H×l×t×K

式中：Q 為放頂量；L 為工作面長度，取179.5 m；H 為放煤高度，取4.5 m；l 為工作面推進度，取60 m；t 為煤的容重，取15.5 kN/m3；K 為放煤率，取0.8。

工作面長度為179.5 m，其中遇斷層后因工作面以-10°的形式進行調整，因此斷層30 m 的范圍內不放煤，具體計算數據如下：

工作面遇斷層煤炭損失量：

Q1=179.5×4.5×60×1.55×0.8=60 096.6 t。

工作面斷層附近30 m 損失的煤量：

Q2=30×4.5×60×1.55×0.8=10 044 t。

Q損=Q1-Q2，將數據代入公式計算出煤炭損失量為50 052.6 t，其帶來的經濟損失大約為1001萬元。

3.2 過斷層技術措施

（1）斷層進入工作面之前，機尾比機頭調斜20 m，對工作面所有設備、設施進行一次全面的檢修及隱患排查，確保過斷期間設備正常連續運轉。

（2）當斷層剛入工作面尾部時，在斷層附近30 m 范圍內110#～120#液壓支架沿頂推進，至109#架起到工作面頭部，工作面以-10°的形式下放，沿工作面底板平推，逐步隨著斷層的前移調整工作面坡度。

（3）斷層到機尾沿工作面底板推進，斷層前面調整坡度沿工作面頂板推進，在推進斷層距機頭30 m處時，機頭7.4 m斷層沿巷道推進，直至過斷層。

過斷層的方式改變，不僅降低了工作面來壓持續時間，還提高了生產效率和頂煤回收率，為煤礦安全、高產、高效的產業化目標奠定基礎。

4 結束語

針對5102 工作面礦壓顯現規律和過斷層技術措施，采用現場實測、理論分析進行了研究，得到了如下結論：

（1）緩傾斜工作面傾角的變化、工作面斷層構造都對礦山壓力有著重要影響。

（2）煤層傾角為2°的工作面來壓步距為20～25 m，煤層傾角為18°的工作面來壓步距為15～22 m。在遇斷層的緩傾斜煤層中，頂板壓力和來壓持續時間隨著傾角變大而變大，來壓步距隨著傾角變大而減小。

（3）采取工作面過斷層技術措施，可以多采出煤炭50 052.6 t，帶來經濟利益約為1001 萬元。