孫海朋，竇桂東，吳章濤，劉明武

(陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713500)

0 引言

小莊煤礦地處彬長(zhǎng)礦區(qū)中央，礦井采用立井開(kāi)拓方式，井田東西長(zhǎng)6.5 km，南北寬7.0 km，面積45.824 7 km2，批準(zhǔn)生產(chǎn)規(guī)模為6.00 Mt/a，地質(zhì)儲(chǔ)量9.2億t，煤層平均厚度18 m，可采儲(chǔ)量5.4億t。40309綜放面位于井田三盤(pán)區(qū)，走向長(zhǎng)2 980.25 m，寬206 m，面積613 931.5 m2。工作面主采4號(hào)煤，煤層埋藏深度508～742 m，工作面內(nèi)煤層形態(tài)西部呈單斜構(gòu)造，東部呈近水平狀態(tài)，地層產(chǎn)狀較為穩(wěn)定。

小莊井田地表及鉆探過(guò)程中未見(jiàn)斷層，2011—2019年分別對(duì)礦井的一、二、三、四、五盤(pán)區(qū)實(shí)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(qū)3條、西區(qū)7條，均為正斷層。根據(jù)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?yàn)橹鳌?/p>

斷層對(duì)綜放工作面開(kāi)采的安全生產(chǎn)影響較大，體現(xiàn)在回采期間頂板管理、礦壓顯現(xiàn)、斷層導(dǎo)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(jìn)期間斷層揭露情況

40309工作面膠帶順槽在掘進(jìn)至里程2 157 m時(shí)發(fā)現(xiàn)煤層發(fā)育有一條裂隙，裂隙內(nèi)填充方解石巖脈，厚度100～200 mm，通過(guò)該裂隙前后40 m范圍內(nèi)探煤發(fā)現(xiàn)頂煤厚度發(fā)生劇烈變化，頂煤厚度由11.6 m逐漸變?yōu)?.5 m。隨后地質(zhì)技術(shù)人員通過(guò)查看三盤(pán)區(qū)三維地震勘探(含電法)報(bào)告，對(duì)該區(qū)域的數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行重新再解釋?zhuān)⒔Y(jié)合現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員地質(zhì)調(diào)查及相關(guān)地質(zhì)補(bǔ)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(jīng)地質(zhì)技術(shù)人員在工作面多次地質(zhì)寫(xiě)實(shí)，40309工作面回采推進(jìn)度886～1 025 m在面內(nèi)連續(xù)揭露F2斷層，斷煤交線處發(fā)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(nèi)延伸長(zhǎng)度272 m，斷層揭露部位未出現(xiàn)明顯破碎帶等其他異常地質(zhì)現(xiàn)象，F(xiàn)2斷層在面內(nèi)揭露范圍平面圖如圖2所示。

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

2 斷層對(duì)回采工作面安全生產(chǎn)的影響

2.1 礦壓顯現(xiàn)

當(dāng)斷層走向與工作面平行或近似平行時(shí)，斷層全部或大部分同時(shí)暴露于工作面，頂板破碎面積大，來(lái)壓集中，頂板不易管理，支架移動(dòng)困難，容易造成工作面切頂，對(duì)開(kāi)采最為不利[4]。通過(guò)在井下多次現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)寫(xiě)實(shí)，并利用力學(xué)原理綜合分析，斷層上盤(pán)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(pán)使上升盤(pán)下降，產(chǎn)生反作用力F′。力F2導(dǎo)致巷道底鼓嚴(yán)重、頂板破碎，反作用力F′作用導(dǎo)致巷道底鼓嚴(yán)重，具體力的作用效果如圖3所示。

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

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)工作面回采里程745～1 021 m(圖2)，回順長(zhǎng)度約276 m巷道底鼓嚴(yán)重、頂板破碎、巷道兩側(cè)幫部垮幫嚴(yán)重，巷道高度由設(shè)計(jì)的3.9 m變?yōu)?.6 m(最低處)，在工作面回采過(guò)該區(qū)段的過(guò)程中，投入了大量人力、物力進(jìn)行巷道維護(hù)，對(duì)安全生產(chǎn)影響較大。自工作面回采過(guò)里程1 021 m及工作面過(guò)F2斷層后(即回采里程1 025 m)，回順底鼓、頂板破碎現(xiàn)象明顯減輕，已經(jīng)無(wú)需投入大量人力去專(zhuān)門(mén)維護(hù)巷道。

此外，40309工作面過(guò)F2斷層前期為了提高放頂煤回收率，支架泵站壓力調(diào)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(lái)壓及過(guò)F2斷層后，未對(duì)泵站壓力進(jìn)行調(diào)高，導(dǎo)致支架不能充分發(fā)揮支架性能，支撐壓力集中在工作面煤壁，發(fā)生了幾次動(dòng)力顯現(xiàn)事件，最嚴(yán)重的事件導(dǎo)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(yán)重，導(dǎo)致工作面數(shù)次停產(chǎn)處理，對(duì)工作面回采影響較大。

2.2 斷層導(dǎo)水

判斷一個(gè)斷層是否導(dǎo)水，受諸多因素影響，主要為斷裂的時(shí)間性、斷裂的規(guī)模及空間結(jié)構(gòu)、斷裂的力學(xué)性質(zhì)、斷裂兩盤(pán)的巖性等。一般認(rèn)為，斷裂形成越早則其斷裂面膠結(jié)愈好，則導(dǎo)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(jié)差，富水及導(dǎo)水性強(qiáng)。新構(gòu)造斷裂控水，但不一定富水，只有在斷裂長(zhǎng)度、深度具有一定規(guī)模時(shí)，方可具有地下水運(yùn)動(dòng)和儲(chǔ)集的空間，這時(shí)才可能富水。張性斷裂一般是導(dǎo)水和富水的，扭性斷裂次之，而壓性斷裂一般是不導(dǎo)水的。斷層一側(cè)為堅(jiān)硬脆性巖石，另一側(cè)為軟弱塑性巖石時(shí)，斷層帶一般充填較好，導(dǎo)水性較弱；堅(jiān)硬巖層一側(cè)，裂隙較為發(fā)育，含水性也較強(qiáng)[6]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)寫(xiě)實(shí)可知，F(xiàn)2斷層面填充有大量的方解石巖脈，可知斷層形成時(shí)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?xún)?chǔ)集和傳導(dǎo)；該斷層非新構(gòu)造斷裂，且斷裂長(zhǎng)度及規(guī)模不大，很難形成地下水運(yùn)動(dòng)和儲(chǔ)集的空間；斷層兩盤(pán)均為4號(hào)煤，4號(hào)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(huì)導(dǎo)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(guò)F2斷層，不會(huì)受到水害威脅影響，為防止事故發(fā)生仍不容忽視。

2.3 瓦斯等有毒有害氣體

斷層作為構(gòu)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(yùn)移的通道。煤層中發(fā)育有眾多的中小斷層，對(duì)煤層開(kāi)采過(guò)程中的瓦斯涌出起著非常重要的控制作用。在分析斷層對(duì)煤層瓦斯的影響時(shí)，常呈現(xiàn)比較復(fù)雜的關(guān)系，這是因?yàn)閿鄬訉?duì)瓦斯是起封閉還是起排放作用，既與斷層的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，又與煤層的圍巖性質(zhì)和斷層上下盤(pán)與煤層接觸地點(diǎn)巖石的巖性以及與斷裂的充填情況等均有關(guān)系[7]。

礦井在巷道開(kāi)拓及工作面回采過(guò)程中，先后揭露了6條斷層。據(jù)斷層臺(tái)賬顯示，巷道在穿過(guò)以上6條斷層時(shí)，除個(gè)別斷層附近有少量淋水外，均無(wú)瓦斯異?，F(xiàn)象。盡管如此，據(jù)南部的大佛寺煤礦生產(chǎn)資料顯示，在其大巷揭露并通過(guò)斷層時(shí)仍出現(xiàn)了因瓦斯涌出量增大而撤人的現(xiàn)象，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)造成了一定影響，因此在生產(chǎn)過(guò)程中也不能放松警惕。

工作面回采過(guò)F2斷層期間，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、風(fēng)排量及瓦斯抽采數(shù)據(jù)，工作面瓦斯絕對(duì)涌出量出現(xiàn)4次瞬間增加，最大持續(xù)時(shí)間9分44秒，未出現(xiàn)瓦斯超限及有毒有害氣體涌出事故。

3 過(guò)斷層安全回采措施

針對(duì)工作面回采過(guò)程中出現(xiàn)的幾次壓力顯現(xiàn)、瓦斯涌出量突然增大的異常事件，制定了多項(xiàng)安全回采措施[8-9]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，主要從生產(chǎn)組織、礦壓防治、機(jī)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(xù)回采再未出現(xiàn)異常事件。

3.1 生產(chǎn)組織

控制好回采進(jìn)尺：推進(jìn)度每天不能超過(guò)4刀煤，均衡、穩(wěn)定推采，不得在生產(chǎn)誤時(shí)后趕產(chǎn)。

合理組織生產(chǎn)流程：組織好割煤、放煤工序，避免相互影響?？刂乒ぷ髅娓鲄^(qū)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(shí)，煤機(jī)不得同時(shí)作業(yè)。

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(duì)工作面卸壓，避免工作面應(yīng)力集中突然釋放。

注水壓裂：應(yīng)用煤體注水壓裂技術(shù)，促進(jìn)煤體應(yīng)力釋放輔助卸壓。

預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)：調(diào)研工作面周期來(lái)壓規(guī)律，根據(jù)來(lái)壓步距，周期來(lái)壓前進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，制定措施。

3.3 機(jī)電管理

設(shè)備檢修：每天由檢修班負(fù)責(zé)對(duì)工作面及回順設(shè)備進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)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(nèi)不得積存電纜。

支架初撐力：保證工作面支架初撐力。來(lái)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(bǔ)液：工作面支架及防沖支架每班安排專(zhuān)人對(duì)支架進(jìn)行補(bǔ)液，巡查補(bǔ)液次數(shù)每天不少于3次。

管路維護(hù)：加強(qiáng)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(cè)[11]。

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

3.4 “一通三防”

抽采管理：加強(qiáng)工作面抽采管理，施工瓦斯抽采鉆孔補(bǔ)孔，并做好瓦斯抽采系統(tǒng)維護(hù)。

加強(qiáng)檢查：加強(qiáng)兩順槽高冒點(diǎn)、松散煤體檢查，防止煤自然發(fā)火。

除塵：兩巷積塵嚴(yán)重，加強(qiáng)巷道沖塵(每日工作面檢修期間進(jìn)行)，完善防塵設(shè)施，并正常使用，防止發(fā)生沖擊地壓事故后煤塵揚(yáng)起，引起爆炸。

頂板弱化：落實(shí)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(shí)造成瓦斯超限。

3.5 防治水

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：每日利用礦井水文預(yù)警動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面涌水量，發(fā)現(xiàn)涌水量突然增大，及時(shí)查明涌水來(lái)源，發(fā)出預(yù)警。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)：防治水技術(shù)人員至少每天對(duì)工作面進(jìn)行一次水文地質(zhì)寫(xiě)實(shí)，并做好工作面涌水量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[12]。

排水系統(tǒng)維護(hù)：加強(qiáng)工作面排水系統(tǒng)的日常檢查和維護(hù)，出現(xiàn)排水系統(tǒng)故障后，第一時(shí)間組織人員進(jìn)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(jié)語(yǔ)

通過(guò)40309綜放工作面回采過(guò)F2斷層期間生產(chǎn)過(guò)程可知，小型斷層對(duì)工作面安全回采能夠造成一定影響，相關(guān)危害不能忽視。經(jīng)過(guò)在小莊煤礦40309綜放工作面過(guò)斷層災(zāi)害防治綜合技術(shù)摸索和實(shí)踐，為礦井過(guò)斷層安全生產(chǎn)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)管理措施。