大采高工作面过断层煤壁片帮机理分析及控制

　　摘要:在断层构造影响下，大采高综采工作面煤壁片帮控制一直是个难题。以阳煤集团榆树坡煤业1201综采工作面在推进过程中过正断层为工程背景，针对断层构造高帮煤壁稳定性恶化且难以支护的问题，运用理论分析、现场实测等方法综合研究，分析了断层构造处煤壁片帮严重的原因为:断层的存在导致顶板载荷增大、煤体物理力学性能降低、煤壁裸露时间长。为此提出高初撑力、高护帮高度、及时支护等措施，有效改善了煤壁片帮问题，提高了回采效率。

　　关键词:断层,片帮控制,高初撑力,及时支护

　　随着煤炭开采技术的进步，大采高一次采全厚采煤法因其回采率高，受到煤矿企业的广泛重视和极力推崇。但随着工作面采高增加、煤壁增高，围岩控制难度也随之加大，回采过程中片帮、冒顶事故时有发生，特别是工作面遭遇断层时控制难度大幅增加。

　　在煤矿实际地质条件下，回采工作面需要通过断层的情况已经司空见惯，大大小小的断层构造在不同程度上改变了地下煤体的完整性，时刻改变着采场围岩条件。据众多煤矿回采工作面在遇到断层时的情况来看，断层的存在极大地延误了工作面正常的推进进度，且构造所带来的围岩不稳定性直接威胁到工作面的生产安全[1-2]。

　　因此，对大采高工作面过断层时围岩控制技术的研究十分有必要。本文以阳煤集团榆树坡煤业1201大采高综采工作面过正断层为例，分析研究了大采高工作面过断层期间的围岩破坏特征及控制技术，为相似地质条件下的工作面回采提供参考与借鉴。

　　1工程背景

　　榆树坡煤业1201综采工作面位于2号煤一采区，四邻无采空区存在，工作面埋深290～390m，煤层平均厚度4.7m，采用走向长壁式一次采全厚综合机械化采煤法。工作面使用ZY14000/26/56型掩护式液压支架(中间架)和ZYG14000/26/50型过渡支架维护顶板，ZY14000/26/56型支架最大支撑高度5.6m，最小支撑高度2.6m，支架宽度1.75m，中心距1.75m，支架重量33t，额定工作阻力14000kN。

　　1201工作面受地质构造影响，分两部分进行回采。①部分倾斜长度200m，走向长1265m;②部分倾斜长度100m，走向长135m，工作面整体布置为刀把式布置。根据实际揭露情况可知:进风巷累计揭露4条正断层，回风巷揭露2条正断层，且工作面内部可能存在隐伏小构造。D705、D706正断层均为进风巷掘进时揭露，两断层构造相似，对回采影响较大。距开切眼196m处工作面遭遇D705正断层，断层倾角45°，平均落差3.7m;387m处工作面遭遇D706正断层，断层倾角60°，平均落差4.5m。

　　其中D706断层向工作面延伸约80m，走向影响范围约22m。目前工作面已通过D705断层，即将推进至D706断层附近。在工作面过D705断层期间，其上下盘不同程度错位滑移导致工作面煤壁片帮严重，顶板破碎垮落，甚至有压架事故发生，严重影响工作面生产安全，延误回采效率，大采高工作面的生产优势得不到体现。

　　2断层构造带围岩破坏特征

　　2.1煤体破坏范围的现场窥视

　　1201工作面临近D706断层10m时，在进风巷、回风巷靠采场帮面分别超前工作面5m、10m处向内侧煤体钻孔进行成像窥视，共设4个观测点，由此对煤壁前方煤体受破坏情况观察分析，钻孔直径28mm，孔深20m。其中回风巷5m处钻孔孔壁内出现轻微破碎破坏情况，10m处孔壁较为完整、光滑，没有出现破碎及裂缝;而进风巷5m处孔壁受破坏较为严重，有多条裂缝且完整程度较低，窥视仪探头在此孔工作时前进较为困难，10m处孔壁仍存在破碎情况，说明工作面临近断层时，煤壁前方煤体受破坏强度严重且破坏范围明显加大。

　　2.2断层的存在对围岩破坏影响分析

　　[3-4]1)煤壁裸露时间变长。1201综采工作面采高4.7m，属于大采高回采工作面，煤壁裸露面积较大，受高强度采动影响，本身就容易发生煤壁片帮情况，同样顶板也受高强度采动影响破碎垮落程度较大。而遇到断层时工作面推进速度放慢，随之煤壁裸露时间变长，煤壁在长时间得不到支护的情况下片帮加深、范围加大。

　　2)煤体物理力学性能降低。断层的存在破坏了煤体本身的完整性，基本顶在未达到其破断极限前就发生破断垮落，加剧了顶板破碎;另外，断层附近煤体内聚力和内摩擦角均减小，煤壁极限承载能力降低，片帮几率增加。

　　3)顶板载荷增大。在过断层D705阶段曾对支架工况做过相关压力监测，支架阻力P的变化曲线，L为负值表示工作面位于上盘时距断层面距离，L为正值表示工作面位于下盘时距断层面距离。由实测数据得知:工作面正常推进时支架阻力为10000kN左右，在工作面靠近断层面的过程中，支架阻力近乎呈线性增加且最大值达到13500kN，接触断层后支架阻力有所下降，但其值仍大于接触之前。说明断层的存在导致采场顶板载荷急剧加大，而这是顶板破碎垮落的主导因素。另外，由于煤壁承载能力下降导致片帮事故更易发生。

　　4)断层导水软化围岩。

　　据1201工作面地质勘察资料得知，顶板老顶砂岩含水较大，在过断层构造阶段由于断层导水因素导致工作面围岩内部岩体孔隙加大，不论煤体或是顶板岩体均受水影响而不同程度压裂软化，从而降低了围岩黏聚性等物理特性，加剧了顶板破碎及煤壁片帮程度。

　　3围岩控制方案研究

　　1201综采工作面过断层D705期间，围岩在原有的支护方案下得不到有效控制，产生煤壁片帮、顶板破碎垮落，导致工作面推进缓慢甚至一度停滞。基于以上分析，在工作面过D706断层期间，提出了以下综合过断层方案[5]。

　　1)增加支架初撑力。对于断层构造带来的采场顶板载荷增加，有必要通过增加支架初撑力来限制顶板下沉量。正常割煤阶段，据实际测量得知，支架工作阻力在10000～11000kN。由ZY14000/26/56型液压支架性能可知，支架留有一定的富裕阻力，所以在过断层阶段可以适当增加其初撑力来维护顶板，并在断层两侧砌木垛来分担顶板载荷。

　　2)增加护帮高度。在通过断层阶段，最大可能地延伸支架前端护帮板，增加护帮高度，从而限制由于断层构造引起的煤体破碎，避免煤壁大范围片帮影响采煤机组正常运行及工作面人员安全。

　　3)降低采高。工作面推至断层附近将采高降低至3.5m，减少割岩量，留下底煤，从而降低了保持煤壁稳定所需的最小水平支护力。

　　4)及时支护。在回采过程中，支架滞后采煤机滚筒2～3架紧随采煤机向煤壁推进，并在滚筒走过煤体后支架工及时打开护帮板支护煤壁，防治煤壁片帮破碎。同时为加快过断层速度，需超前滚筒3～4架及时收回护帮板，避免延误滚筒高速前进。

　　4工程应用分析

　　在回采过D706断层阶段应用以上综合过断层方案，期间对工作面进行矿压及变形量监测，并与过D705断层时进行比较。过D706断层期间片帮最大深度为0.23m，较过D705断层时降低了74%，最大高度为0.41m，较过D705断层期间降低了68%;另一方面，支架阻力明显降低，接近于工作面正常推进时的阻力值。因此，综合过断层方案有效改善了1201大采高工作面过断层期间煤壁大范围片帮及顶板破碎、垮落等围岩破坏问题。

　　5结语

　　1)1201工作面正常推进时煤壁前方煤体破坏范围较小，在5m以内;当遇到断层时，受破坏范围较大，破坏深度在15m左右。2)提出了“提高初撑力、增加护帮高度、降低割煤高度、及时支护”的综合过断层方案。经工程应用，有效改善了过断层期间煤壁片帮、顶板破碎等问题，为工作面“安全、高效”生产提供了有力保障。

　　参考文献：

　　[1]袁永，屠世浩.大采高综采技术的关键问题与对策探讨[J].煤炭科学技术，2010，38(1):4-8.

　　[2]杨建立，左建平，孙凯，等.大采高多断层工作面综放诱发地表沉陷观测及数值分析[J].岩石力学与工程学报，2011，30(6):1216-1224.

　　[3]陈亮，孟祥瑞，高召宁，等.大采高综采工作面煤壁片帮机理分析[J].煤体科学技术，2011，39(5):18-24.

　　[4]宁宇.大采高综采煤壁片帮冒顶机理与控制技术[J].煤炭学报，2009，34(1):50-52.

　　[5]马立强，张东升，孙广京，等.厚冲积层下大采高综放工作面顶板控制机理与实践[J].煤炭学报，2013，38(2):199-203.

　　煤炭方向论文投稿刊物：《煤炭科学技术》(月刊)创刊于1973年，是由国家煤矿安全监察局主管、煤炭科学研究总院主办的综合性煤炭科技期刊。主要刊载煤炭工业各领域取得的新成果、新技术、新经验及新产品等方面的论文，内容包括煤田与矿井地质、煤矿基建、地下与露天开采、岩石力学与井巷支护、矿山测量、矿山电气、矿山机械、矿山自动化、井巷运输、通风与安全、煤炭化工与综合利用、洁净煤技术等。

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