綜放工作面過斷層的災害防治綜合技術

孫海朋，竇桂東，吳章濤，劉明武

(陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 咸陽 713500)

0 引言

小莊煤礦地處彬長礦區中央，礦井采用立井開拓方式，井田東西長6.5 km，南北寬7.0 km，面積45.824 7 km2，批準生產規模為6.00 Mt/a，地質儲量9.2億t，煤層平均厚度18 m，可采儲量5.4億t。40309綜放面位于井田三盤區，走向長2 980.25 m，寬206 m，面積613 931.5 m2。工作面主采4號煤，煤層埋藏深度508～742 m，工作面內煤層形態西部呈單斜構造，東部呈近水平狀態，地層產狀較為穩定。

小莊井田地表及鉆探過程中未見斷層，2011—2019年分別對礦井的一、二、三、四、五盤區實施了三維地震勘探(含電法)。三維地震勘探共解釋斷層10條(3DF1～3DF10)，其中東區3條、西區7條，均為正斷層。根據目前采掘揭露情況，3DF1、3DF2斷層不存在，其中可靠、較可靠斷層5條，均為正斷層，斷層走向以NE和NW向為主。

斷層對綜放工作面開采的安全生產影響較大，體現在回采期間頂板管理、礦壓顯現、斷層導水、瓦斯等有毒有害氣體氣體異常涌出[1-3]。

1 F2斷層基本情況

1.1 巷道掘進期間斷層揭露情況

40309工作面膠帶順槽在掘進至里程2 157 m時發現煤層發育有一條裂隙，裂隙內填充方解石巖脈，厚度100～200 mm，通過該裂隙前后40 m范圍內探煤發現頂煤厚度發生劇烈變化，頂煤厚度由11.6 m逐漸變為6.5 m。隨后地質技術人員通過查看三盤區三維地震勘探(含電法)報告，對該區域的數據處理結果進行重新再解釋，并結合現場技術人員地質調查及相關地質補勘資料，綜合判斷該斷層為逆斷層，落差2 m，裂隙為斷層面，傾向133°，傾角30°，膠帶順槽F2斷層剖面如圖1所示。

圖1 膠帶順槽F2斷層剖面Fig.1 F2 fault section of transport roadway

1.2 回采期間揭露情況

經地質技術人員在工作面多次地質寫實，40309工作面回采推進度886～1 025 m在面內連續揭露F2斷層，斷煤交線處發育有方解石巖脈，平均厚度約0.3 m(最大0.5 m，最小0.1 m)，斷層走向33°、傾角30°、落差2 m，斷層在面內延伸長度272 m，斷層揭露部位未出現明顯破碎帶等其他異常地質現象，F2斷層在面內揭露范圍平面圖如圖2所示。

圖2 F2斷層面內揭露面范圍平面圖(單位：m)Fig.2 Exposed surface range in F2 fault

2 斷層對回采工作面安全生產的影響

2.1 礦壓顯現

當斷層走向與工作面平行或近似平行時，斷層全部或大部分同時暴露于工作面，頂板破碎面積大，來壓集中，頂板不易管理，支架移動困難，容易造成工作面切頂，對開采最為不利[4]。通過在井下多次現場地質寫實，并利用力學原理綜合分析，斷層上盤受到上覆巖體擠壓力F的作用，力F1擠壓斷層面，力F2作用于上盤使上升盤下降，產生反作用力F′。力F2導致巷道底鼓嚴重、頂板破碎，反作用力F′作用導致巷道底鼓嚴重，具體力的作用效果如圖3所示。

圖3 上覆巖體對斷層力的作用示意Fig.3 Effect of overlying rock mass on fault force

在實際生產過程中，發現工作面回采里程745～1 021 m(圖2)，回順長度約276 m巷道底鼓嚴重、頂板破碎、巷道兩側幫部垮幫嚴重，巷道高度由設計的3.9 m變為2.6 m(最低處)，在工作面回采過該區段的過程中，投入了大量人力、物力進行巷道維護，對安全生產影響較大。自工作面回采過里程1 021 m及工作面過F2斷層后(即回采里程1 025 m)，回順底鼓、頂板破碎現象明顯減輕，已經無需投入大量人力去專門維護巷道。

此外，40309工作面過F2斷層前期為了提高放頂煤回收率，支架泵站壓力調低至31.5 MPa，充分利用了礦山壓力作用，取得了良好的放煤效果。但周期來壓及過F2斷層后，未對泵站壓力進行調高，導致支架不能充分發揮支架性能，支撐壓力集中在工作面煤壁，發生了幾次動力顯現事件，最嚴重的事件導致架前約40 m片幫，底板瞬間被抬起0.2 m左右，前溜傾斜嚴重，導致工作面數次停產處理，對工作面回采影響較大。

2.2 斷層導水

判斷一個斷層是否導水，受諸多因素影響，主要為斷裂的時間性、斷裂的規模及空間結構、斷裂的力學性質、斷裂兩盤的巖性等。一般認為，斷裂形成越早則其斷裂面膠結愈好，則導水性差；而斷裂形成愈新，斷裂的切割性與連通性愈好，充填物少，斷裂帶膠結差，富水及導水性強。新構造斷裂控水，但不一定富水，只有在斷裂長度、深度具有一定規模時，方可具有地下水運動和儲集的空間，這時才可能富水。張性斷裂一般是導水和富水的，扭性斷裂次之，而壓性斷裂一般是不導水的。斷層一側為堅硬脆性巖石，另一側為軟弱塑性巖石時，斷層帶一般充填較好，導水性較弱；堅硬巖層一側，裂隙較為發育，含水性也較強[6]。通過現場地質寫實可知，F2斷層面填充有大量的方解石巖脈，可知斷層形成時間較早，且該斷層的斷層面充填有方解石巖脈，填充較好，密度大，地下水難以儲集和傳導；該斷層非新構造斷裂，且斷裂長度及規模不大，很難形成地下水運動和儲集的空間；斷層兩盤均為4號煤，4號煤及其頂板砂巖含水層富水性微弱，此外，該斷層落差2 m，落差較小，且不會導通上覆富水性中等的洛河組砂巖含水層。綜合分析可知，工作面推采過F2斷層，不會受到水害威脅影響，為防止事故發生仍不容忽視。

2.3 瓦斯等有毒有害氣體

斷層作為構造的一種形式，為瓦斯賦存提供2種條件，即瓦斯貯存的屏障或瓦斯運移的通道。煤層中發育有眾多的中小斷層，對煤層開采過程中的瓦斯涌出起著非常重要的控制作用。在分析斷層對煤層瓦斯的影響時，常呈現比較復雜的關系，這是因為斷層對瓦斯是起封閉還是起排放作用，既與斷層的力學性質有關，又與煤層的圍巖性質和斷層上下盤與煤層接觸地點巖石的巖性以及與斷裂的充填情況等均有關系[7]。

礦井在巷道開拓及工作面回采過程中，先后揭露了6條斷層。據斷層臺賬顯示，巷道在穿過以上6條斷層時，除個別斷層附近有少量淋水外，均無瓦斯異?，F象。盡管如此，據南部的大佛寺煤礦生產資料顯示，在其大巷揭露并通過斷層時仍出現了因瓦斯涌出量增大而撤人的現象，對煤礦安全生產造成了一定影響，因此在生產過程中也不能放松警惕。

工作面回采過F2斷層期間，通過監測數據、風排量及瓦斯抽采數據，工作面瓦斯絕對涌出量出現4次瞬間增加，最大持續時間9分44秒，未出現瓦斯超限及有毒有害氣體涌出事故。

3 過斷層安全回采措施

針對工作面回采過程中出現的幾次壓力顯現、瓦斯涌出量突然增大的異常事件，制定了多項安全回采措施[8-9]，結合現場實際生產情況，主要從生產組織、礦壓防治、機電管理、“一通三防”、防治水方面采取安全措施，取得良好效果，工作面后續回采再未出現異常事件。

3.1 生產組織

控制好回采進尺：推進度每天不能超過4刀煤，均衡、穩定推采，不得在生產誤時后趕產。

合理組織生產流程：組織好割煤、放煤工序，避免相互影響?？刂乒ぷ髅娓鲄^域頂煤放出量，均勻放煤，避免忽大忽小，局部大量放矸。割、放煤位置不得小于50架的距離。揭露斷層位置放煤時，煤機不得同時作業。

控制采高：割煤高度控制在3.5～3.8 m，保證支架能有效支撐頂板[10]。

3.2 礦壓防治

鉆孔卸壓：施工幫部及底板大直徑卸壓鉆孔，超前對工作面卸壓，避免工作面應力集中突然釋放。

注水壓裂：應用煤體注水壓裂技術，促進煤體應力釋放輔助卸壓。

預測預報：調研工作面周期來壓規律，根據來壓步距，周期來壓前進行預測預報，制定措施。

3.3 機電管理

設備檢修：每天由檢修班負責對工作面及回順設備進行檢查，發現失爆立即處理。

電纜整理：檢修班做好電纜整理工作，兩順槽超前300 m范圍內不得積存電纜。

支架初撐力：保證工作面支架初撐力。來壓期間泵站輸出壓力不低于31.5 MPa，工作面支架初撐力不低于25.2 MPa。

補液：工作面支架及防沖支架每班安排專人對支架進行補液，巡查補液次數每天不少于3次。

管路維護：加強供液管路和單體液壓支柱的使用和管理，杜絕跑冒滴漏。供液管路要保持完好不漏液，支柱三用閥口全部朝向老空側[11]。

安全閥整定：乳化液泵站卸載閥整定值為37.5 MPa，嚴禁隨意調整安全閥的整定值，使用乳化液自動配比儀裝置，乳化液濃度保持在3%～5%之間，并經常檢查配比濃度。

3.4 “一通三防”

抽采管理：加強工作面抽采管理，施工瓦斯抽采鉆孔補孔，并做好瓦斯抽采系統維護。

加強檢查：加強兩順槽高冒點、松散煤體檢查，防止煤自然發火。

除塵：兩巷積塵嚴重，加強巷道沖塵(每日工作面檢修期間進行)，完善防塵設施，并正常使用，防止發生沖擊地壓事故后煤塵揚起，引起爆炸。

頂板弱化：落實好頂板弱化措施，做好工作面上下隅角頂板管理，避免大面積懸頂，落頂時造成瓦斯超限。

3.5 防治水

實時監測：每日利用礦井水文預警動態監測系統實時監測工作面涌水量，發現涌水量突然增大，及時查明涌水來源，發出預警。

現場實測：防治水技術人員至少每天對工作面進行一次水文地質寫實，并做好工作面涌水量的現場實測[12]。

排水系統維護：加強工作面排水系統的日常檢查和維護，出現排水系統故障后，第一時間組織人員進行處理。

水溝清淤：做好兩順槽的水溝清淤工作，保證流水暢通。

4 結語

通過40309綜放工作面回采過F2斷層期間生產過程可知，小型斷層對工作面安全回采能夠造成一定影響，相關危害不能忽視。經過在小莊煤礦40309綜放工作面過斷層災害防治綜合技術摸索和實踐，為礦井過斷層安全生產積累了豐富經驗和技術管理措施。