宋景利 謝廷深 劉兆輝

（沈陽焦煤股份有限公司紅陽三礦，遼寧 遼陽 111307）

煤礦井工開采受地質條件影響較大，斷層往往造成回采不連續(xù)，斷層附近應力分布不規(guī)律，導致工作面頂板破碎，圍巖不穩(wěn)定，回采過程中頂板維護困難，當構造應力與采動應力疊加時，斷層局部可能出現“活化”或滑動，威脅安全生產。沈陽焦煤股份有限公司紅陽三礦北二下采區(qū)1210-2工作面為大采高綜采工作面，掘進期間揭露的煤層顯示，工作面回采期間需過Fh2（H=2.7 m）斷層。為保證安全高效快速過斷層，須對大采高工作面過斷層期間的覆巖運動規(guī)律進行研究，為工作面過斷層回采提供必要的理論依據和技術指導。

1 概況

1210-2工作面地面標高+21.1～ +25.7 m，井下標高為-908～ -942 m，主要回采12煤，為復合煤層，分為12-1、12-2煤層。12-1煤平均厚2.54 m，夾矸泥巖平均厚1.24 m，12-2煤平均厚2.80 m，煤層總厚6.58 m。煤層直接頂為2.2 m厚的泥巖，基本頂為10.75 m厚的泥巖，再往上為8.75 m厚的細粒砂巖。工作面回采期間將遇Fh2正斷層，斷層落差2.7 m。

2 大采高工作面過斷層期間覆巖運動規(guī)律

為準確掌握大采高工作面過斷層期間上覆巖層的運動規(guī)律，進行了相似模擬試驗。根據1210-2工作面實際開采情況及相似模擬試驗臺的尺寸（寬×高=4500 mm×3200 mm），考慮大采高的開挖高度，采用的幾何相似常數C1=60，容重相似常數Cγ=1.67，應力相似比數Cσ=100，時間相似比常數7.75。

（1）工作面進入斷層前覆巖運動規(guī)律及頂板壓力變化

根據相似模擬試驗，頂板共發(fā)生5次垮落，分別在距斷層48 m、36 m、21.6 m、9.6 m、3 m時，頂板垮落高度分別為9.6 m、12.6 m、13.8 m、15 m、34.2 m；從頂板巖層垮落、移動過程可以得出，直接頂冒落高度為13.8 m，為2.10倍采高，基本頂斷裂高度為34.2 m，為5.20倍采高。

在進入斷層前，觀測頂板壓力出現異常，上升很快，頂板壓力變化規(guī)律如圖1。

圖1 工作面進入斷層前支架壓力變化

從圖1可以看出，工作面在進入斷層前10 m范圍內頂板壓力基本呈線性增加，增加速度較快，揭露斷層時壓力達到最大值為1041 N，正常來壓時的壓力為840 N，壓力增加了201 N。

為驗證相似模擬試驗的準確性，在1210-2工作面進行了現場礦壓監(jiān)測，沿工作面方向布置了12個支架壓力記錄儀，通過支架的時間加權阻力與其均方差之和，參考支架的循環(huán)末阻力，來分析工作面周期來壓情況。

工作面頂板周期來壓步距情況具體見表1，基本頂來壓期間動載系數具體見表2。

表1 工作面基本頂周期來壓步距 單位：m

表2 基本頂來壓期間動載系數統(tǒng)計表

觀測期間，基本頂的周期來壓步距為9.6～22 m，平均14.9 m?；卷攣韷簳r動載系數最小為1.49，最大為2.06，平均1.7，支架的動載系數較大。根據觀測數據及現場實際情況，礦壓顯現較為平緩，但工作面出現了支架動載系數偏高的反常狀態(tài)。分析原因為支架的初撐力偏低，導致工作面雖然來壓強度不大但動載系數較大，需要通過提高工作面支架的初撐力來防止由于初撐力低引起的頂板離層和煤壁片幫，降低來壓時的動載系數。

根據相似模擬試驗得出，最小來壓步距為7.2 m，最大來壓步距為22.2 m，平均來壓步距為14.12 m，現場實測的平均來壓步距為14.9 m。試驗結果和現場實測結果基本一致，因此相似模擬試驗數據及結果可靠。

（2）工作面進入斷層后覆巖運動規(guī)律及頂板壓力變化

在進入斷層后，頂板壓力變化規(guī)律如圖2。

圖2 工作面通過斷層后支架壓力變化

從支架支撐力變化圖也可看出卸載區(qū)的范圍為：過斷層后16.8 m范圍內，回采工作面會處于一個良好的狀態(tài)。頂板壓力在距斷層35～40 m處才會恢復到正常的壓力水平，如果工作面煤壁及頂板不是特別破碎，沒有必要降低采高，可以以正常采高回采，最大限度提高煤炭回收率。

3 大采高工作面快速過斷層回采技術實踐

1210-2工作面回采至8#點外15 m處時，工作面將遇Fh2斷層。該斷層為正斷層，落差2.7 m，影響工作面推進長度219 m，橫穿整個工作面，根據斷層走向在工作面預計最大暴露長度約3～5 m。斷層位置平面示意圖如圖3。

圖3 斷層位置平面示意圖

（1）快速過斷層措施

① 將采高控制在4.0～4.8 m范圍內。為保證采高，工作面推進至Fh2斷層前，采煤機破斷層下盤頂板，沿斷層下盤層位推進，上盤留底煤隨坡，并割頂板，工作面運輸機、采煤機和支架傾角不得超過10°。

② 過斷層時保證工作面采向，按正?；夭煞绞竭^斷層。由于斷層橫穿工作面，為防止大面積揭露斷層，工作面?zhèn)涡遍_采，斷層面走向與工作面成40°夾角逐漸向運輸順槽方向延伸。

③ 根據前述相似模擬試驗可知，工作面在進入斷層前10 m范圍內頂板壓力基本呈線性增加，增加速度較快，揭露斷層時壓力達到最大值，動載系數平均1.7。為了降低來壓時的動載系數，防止由于初撐力低引起的頂板離層和煤壁片幫，在工作面進入斷層前10 m范圍內，工作面液壓支架的液壓系統(tǒng)要保證完好，液壓支架達到初撐力。

④ 工作面回風順槽在揭露Fh2斷層時，沿煤層底板逐步抬運輸機過渡，在此期間加強機尾三角點頂板管理，調整好運輸機角度，彎曲程度不得大于5°，防止出現咬架、擠架現象，支架達到初撐力。工作面液壓支架采用追機移架的方式支護頂板，移架后保證液壓支架嚴密接觸頂板并達到支架的初撐力，頂板破碎段采用擦頂移架方式移架。

⑤ 正確控制好工作面層位，斷層過渡段保證支架間錯茬不超過200 mm，且過渡段不少于17 m。抬運輸機時每次推進破頂高度不得超過200 mm，兩端頭支架沿順槽坡度進行前移。保證工作面運輸機、采煤機和支架平直，運輸機與轉載機搭接合理，搭接距離200～400 mm之間。工作面過斷層過程中必須保證運輸機機頭、機尾平穩(wěn)過渡。

⑥ 運輸順槽過斷層20 m左右后，工作面過斷層回采結束，恢復到正常采高。

（2）回采效果

通過相似模擬試驗指導大采高工作面的回采，使得工作面過斷層的措施更有針對性。工作面過斷層期間，沒有出現支架壓架、咬架、倒架現象，避免了大采高工作面煤壁片幫和支架端頭冒頂發(fā)生，確保了大采高工作面過斷層期間的回采安全，安全效益顯著。

根據原有的經驗，過斷層50 m后逐漸恢復至正常采高，按新的開采方案，在運輸順槽過斷層20 m即恢復到了正常采高，斷層影響范圍采高平均為4.5 m，正常采高平均為6.58 m，工作面面長200 m，煤的密度以1.4 t/m3計，則能多回采1.7萬t煤，提高了煤炭回收率，經濟效益明顯。

4 結 語

通過相似模擬試驗研究大采高工作面過斷層過程中頂板運動規(guī)律及頂板壓力變化規(guī)律，提出了控制采高、沿斷層下盤層位推進、偽斜開采、液壓支架高工作阻力、追機移架等過斷層的技術及工藝措施，指導大采高工作面的回采，使得工作面過斷層的措施更有針對性，安全效益和經濟效益明顯。