以“避、让”为中心的综采工作面过断层方法的研究与实践

王振伟，张假妮

(1.临沂矿业集团有限责任公司，山东 临沂 276017；2.山东能源集团鲁西矿业有限公司，山东 菏泽 274700)

断层是影响煤矿生产的重要因素，主要表现在影响产量、煤质、推进速度、设备完好程度以及由其带来的次生灾害。在综合机械化工作面推采过程中，工作面遇到断层时一般会采用“强推硬过”和“避、让”两种方式，同时辅以调整采高、挑顶卧底、爆破落矸、加强支护、注浆加固、重开切眼跳采等工艺手段[1-5]。在“强推硬过”方式中，张东升等[6]提出在工作面断层岩石中垂直于工作面的位置布置预掘巷道，产出的矸石堆放在顺槽下帮煤壁预掘贮矸硐室内，充分减少回采过程中岩石切割量，并通过置换回收部分煤炭资源；李永升[7]、马立强等[8]提出在工作面断层岩石中与工作面斜交的位置布置预掘巷道群，利用工作面超前支承压力使预掘巷间岩柱完全发生塑性变形，实现采煤机直接切割岩柱，降低回采期间的矸石采出量，提高推采速度，避免推采期间的爆破作业。在“避、让”方式中，卢前明等[9]、梁希峰等[10]通过施工改造巷缩小工作面或新开切眼避开断层，缺点是需要回撤支架。在顶板管理方面，常景保等[11]提出在工作面岩石段通过爆破破岩，顶部用锚杆金属网加强支护方式强过断层；戴伟[12]提出采用预注水泥、化学浆加固顶板方式强过断层。总结上述各类方法的优劣可知，采用“强推硬过”的方式可以避免搬家撤架，但需要进行爆破破岩，进而导致煤质差、安全管理难度大、对设备损坏较大等问题[13]；采用“避、让”的方式过断层时，局部“避、让”会出现频繁加(减)支架影响工作面正常推采速度，导致安全管理难度大等问题，整体“避、让”会使得工作面安装(回撤)周期长，造成回采脱节、煤炭回收率低等问题。基于以上研究成果和问题，本文提出了以采煤工作面整体“避、让”为中心的过断层方法，在对影响工作面的断层和工作面内煤层的空间赋存状态进行详细分析的基础上，重新对工作面两巷和采煤工作面回采区域进行调整改造，最大可能避免断层岩石段对回采区域的影响，可以有效兼顾煤炭采出量、工作面推进速度、安全管理等各方面。基于这一原则在确定工作面改造方案中提出“掘新巷、改旧巷、不安撤、保储量、提煤质、定产量”的原则，通过改变工作面推进方向来避开岩石，实现工作面过断层的安全、经济、高效开采。

1 工程概况

古城煤矿位于兖州矿区北部，属华北赋煤区鲁西南含煤区(HB21)[14]，主要含煤地层为石炭-二叠纪太原组、山西组。矿井主采3煤层，3煤层平均厚度8.49 m，倾角∠7°～22°；该煤层易自燃，自燃发火期28 d。受地面村庄影响，采用条带采煤法开采，工作面采宽100 m，煤柱留宽100 m。各工作面的位置在兼顾采区边界大断层情况下，在采区设计中均已确定。研究区位于矿井-850 m水平22采区2201工作面，煤层厚度8.75 m。采用综采放顶煤开采技术，支架选用ZF6200/16.5/26.5型低位放顶煤液压支架，共装配68架(含端头架、过度架)，采高1 650～2 650 mm。工作面两顺槽已掘进完成，共揭露断层20条，其中对工作面推采影响较大的断层群1处，断层4条，断层参数见表1，断层分布如图1所示。

表1 工作面改造区断层参数

根据探明的断层可以看出，工作面受影响距离约为495 m，总储量为58.47万t。如果采用常规的“强推硬过”方式，则无法放顶煤，估计可采煤量为15.9万t。受3DF15断层斜交18°侵入工作面影响，采用缩面减架方式进行回采。根据断层侵入皮带顺槽的实际情况，计划按照50 m宽度进行减架，预计多采出煤炭10.69万t。但回撤工时需要94 d，预计用工3 411个，经济效益较差。

在对2201工作面探明断层进行详细分析的基础上，充分考虑工作面整体“避、让”情况，对工作面布置进行了重新调整。以工作面支架最低采高1 650 mm为基准，选择3DF15断层侵入工作面尖灭区落差为7.1 m位置作为拟改造工作面转折点；沿断层走向布置工作面改造皮带顺槽，同时按照工作面宽度相应布置工作面轨道顺槽，改造方案见图2。由图2可以看出，改造后方案存在两个问题：①2201工作面与2202工作面煤柱存在被开采三角区，是否影响煤柱稳定性；②2201工作面改造后部分区域进入断层煤柱，是否会引起断层出水问题。

图2 工作面改造方案

2 工作面间煤柱稳定性分析

煤柱稳定性可以通过煤柱强度计算得出，一般采用Wilson核区约束理论进行校核[15]。由于区内两顺槽和端头段在回采时均不放顶煤，因此计算时相应考虑增大煤柱尺寸。

煤柱极限荷载计算见式(1)[16]。

P极=4γH(a-4.92mH)

(1)

式中：P极为煤柱承受极限荷载，kN/m；γ为上覆岩层容重，kN/m3；H为采深，m；a为留设条带的宽度，m；m为与采出煤层厚度相关系数。

煤柱实际荷载计算见式(2)。

(2)

式中：P实为煤柱实际承受荷载，kN/m；b为采出条带的宽度，m。

极限强度系数计算见式(3)。

(3)

式中，K为极限强度系数。

以2201工作面皮带顺槽停采线为起点，侵入煤柱区总长度117 m，划分为5个块段(斜长23.4 m)，按照正常推采进行计算，经计算停采线前46 m块段内，K值小于1.3，采出率为50%～56%。根据天地科技股份有限公司编制的22采区开采方法论证“本区域顶板为砂泥岩，易于冒落，对煤柱稳定性有利，本区K值采用不小于1.3以上的采留比尺寸，采出率小于50%”，决定该块段在回采时采取限高开采处理，经计算，改造区内采高沿推进方向按块段分别选取8.75 m(块段5)、8 m(块段4)、7 m(块段3)、6 m(块段2)、5 m(块段1)时能够满足要求。计算结果见表2。

表2 工作面改造区煤柱稳定性检核计算表

由于改造区中部扩大了煤柱范围，采用概率积分法对地面沉降进行计算时可见地面沉降变形并无明显变化。计算参数见表3，计算结果见表4，地面沉降等值线见图3。

图3 采区预测采后地表沉陷曲线

表3 工作面沉降计算参数

表4 工作面沉降计算结果

3 断层煤柱稳定性及防治水分析

改造后工作面与F14断层最小距离为20 m，-850 m北大巷掘进揭露断层不含水，研究区距大巷670 m，3煤层下距奥灰210.5 m，F14断层落差123 m，由于在掘进和采动影响下断层易于发生活化[17]，因此该处防治水成为工作重点，断层含水导水性采用电法勘探辅以井下钻探进行探查。

断层探水首先在巷道未掘进前以轨道巷预掘巷道设计拐弯处为基准点，前后延伸50 m，用瞬变电磁法进行勘探，共布置测线100 m，设计11×3=33个物理点。经探测在7号测点处，煤层顶板方向60～100 m深度范围有一相对低阻异常区；顺煤层方向在3号测点～7号测点之间，距巷道水平距离50～75 m的范围内有一低阻异常体；煤层顶板方向7号测点处，60～100 m深度范围有一相对低阻异常区；总体上分析该断层为不含水断层或局部弱含水断层，瞬变电磁视电阻率断面图如图4所示。

图4 F14断层瞬变电磁视电阻率断面图

改造巷道掘进后，在拐弯点处安设钻机对瞬变电磁低阻地点进行钻探，均未见水。且断层向工作面外侧平移12 m，工作面开采不存在水患。

4 2201工作面开采实践

调整工作面实现少割岩石或不割岩石的关键在于摸清工作面内部断层空间形态，在设计新巷道前在现有两条巷道中充分利用钻探、预掘探煤巷等手段基本查清了改造区内的断层形态，并对新改造工作面两巷层位高程进行了调整。在设计过程中，针对工作面改造区共布置5个剖面，将改造前工作面状态和改造后工作面状态进行了比较，并通过工程实践进行了验证(图5和图6)。

图5 工作面改造剖面布置图

图6 工作面改造剖面图

在推采过程中，当采煤工作面推进至D1-1、D2-1位置时，开始实行调面管理，此时D1-1处改造工作面与原工作面夹角为9.16°，刮板输送机机头距离调整完工作面推进线为8.063 m，按照采煤机截深共划分为13个循环进行进刀；此时D2-1处调面夹角为23.2°，共分2次调面。单次调面距离为10.265 m，两次共34个循环进行进刀。

2201工作面改造区长度304 m，一直保持正常推进度，日均推进量为1.87 m，6.4个月推采完毕，推进速度正常，有效避免了采空区自燃发火。工作面回采期间未进行爆破作业，除煤机在个别地段出现割底板岩石外，未出现其他割岩石情况，煤机、支架无爆破损伤、刮板输送未运输岩石溜槽磨损情况正常。过断层面期间未发生冒顶事故，仅在调采期间采取了严格考核调采进度、保持好设备面貌、严防刮板输送机“上窜、下溜”等措施，其他时间均按照正常工作面进行管理，安全管理难度低。工作面回采期间除停采线前46 m块段因限采及改造区d-d剖面处前后约17 m范围因3DF15断层、3DF152断层形成地堑影响，工作面基本沿顶板推进未放顶煤外，其他区域均正常放顶煤进行开采，煤炭采出率高。

5 2201工作面地面岩移观测

2201工作面改造区于2009年8月开始回采，2010年3月份回采结束，地面测站于2009年7月开始设立，至2010年11月结束。2201工作面观测站布置平面图见图7。

图7 观测站布置平面图

经观测计算LB线最大下沉点位于改造区外LB26点，最大下沉值297 mm，改造区内最大下沉点为LB35点，下沉值107.048 mm，沉降值沿L线向LB26处增大，该处倾斜值为-0.29 mm/m、倾斜变形值为-0.09 mm/m、曲率为0.232×10-3/m、水平变形值为0.01 mm/m、水平移动值为-82.33 mm。S线下沉值沿L线向S9方向减小，向S1方向增大，最大变形值位于LB37处，为76.85 mm。该处倾斜值为0.15 mm/m、倾斜变形值为-0.30 mm/m、曲率为0.073×10-3/m、水平变形值为0.03 mm/m、水平移动值为13 mm。地表下沉值、拉伸变形值均在预测范围内，工作面改造对地面岩移基本没有产生影响，地面房屋斑裂符合预期。

6 结 论

本文针对古城煤矿-850 m水平22采区2201工作面厚煤层开采过程提出了详细的“避、让”过断层群的施工改造方法。对改造区的防水性及煤柱稳定性进行了理论计算，并在实际工程中得到了良好的验证，取得了较为理想的经济效益，较常规方法多采出放顶煤15.9万t，增产煤量38.7万t。为同类型矿井过复杂断层群提供了一定的参考。

1)带开采情况下遇到复杂断层群时利用拐弯、调整两巷标高等手段通过调整工作面推进区位置“避、让”开断层岩石的方法。工程实践证明，“避、让”断层是采煤工作面过断层期间减少断层影响的有效手段。

2)在设计采煤工作面过断层方案时要以回采区域作为重点，必要时两巷均能布置在岩石层位中。

3)当承载煤柱在小区域内承载面积不变时，煤柱位置的变化对地面整体沉降影响较小。