特厚煤层综放工作面过断层安全开采技术研究_付登科.pdf

煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 1工程概况 表 1断层参数总表 霍州煤电集团公司庞庞塔矿的 9- 700 综放工作 面位于 9 煤七采区南翼 0 工作面，工作面走向长 2394m， 倾斜宽 232m， 煤层埋深约为 380m， 开采煤层 平均厚度 11.8m，密度为 1.41t/m3，煤层倾角平均 14， 根据 9 煤层的厚度、 倾角等赋存特征， 9- 700 综放工作面设计机采高度为 3.2m，工作面顶板为第 二次夹矸， 采煤机沿底板推进， 不得留有底煤。 放煤高 度为 8.6m， 单轮顺序放煤， 采放比 12.69， 割煤深度 0.8m。 据掘进资料， 该面掘进中揭露断层 8 条,其中 F2、 F6、 F7 对回采有很大的影响， F6 断层在西区 9 煤层 车场揭露， 在 9- 700 工作面内部延伸约 700m 后通过 正巷揭露完成， 对 9- 700 工作正常回采影响很大， 回 采期间可能还会有小的断层出现， 因此在工作面开采 过程中必须加强顶板管理， 防止冲击事故的发生。已 揭露的各个断层特征如表 1。 2微震特征观测 为了观测 9- 700 综放工作面开采过程中构造活 化和围岩破裂的信息， 在工作面开采前， 在工作面的 轨道平巷和运输平巷内， 自开切眼处起， 每间隔 50m， 各设置一组检波器，工作面推进至检波器位置时， 随 撤随安装， 保证工作面前后最少有六组的测量站同时 正常运行。由于 9- 700 上覆岩层较薄且表土层较厚， 并且煤层较厚，因此选择频率范围在 60～1400Hz 的 检波器来检测高频低能的微震时间[1]。 特厚煤层综放工作面过断层安全开采技术研究 付 登 科 （霍州煤电集团有限责任公司团柏煤矿 ， 山西 霍州 031414 ） 摘要 霍州煤电集团公司庞庞塔矿的 9- 700 综放工作面范围内就存在着多个断层，在工作面推进 过程中， 为了防止综放工作面发生冲击地压、 片帮等事故的发生， 在工作面开采初期， 以 F1 断层为例， 采用微震观测、 理论分析等方法， 探究特厚煤层断层活化规律， 并对安全开采技术进行研究实践， 以期 9- 700 综放工作面能安全高效的通过断层， 也为特厚煤层断层诱发型冲击地压防治提供参考依据。 关键词 断层 ； 特厚煤层 ； 综放工作面 ； 微震观测 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0020- 03 Study on mining technology of overcut safety of special thick coal seam comprehensive caving FU Dengke （Huozhou coal and Power Corporation RefcoGroup Ltd Tubocoal mine , Shanxi Huozhou 031414 ） Abstract Huozhou coal mine group companyPangPangtower 9- 700 fully- mechanized cavingscope as there are multiple faults, in the pro- cess of working face advancing, in order to prevent the occurrence of full- mechanized caving mining face impact ground pressure, help such as accidents, at the beginning ofthe working face mining, F1 fault, for example, the s ofseismic observation and theoretical analysis, to explore the special thick seam fault activation rule, and study of safe mining technology practice, in order to 9- 700 fully- mechanized working face safe and efficient through fault, also for the special thick coal seam faults induced provides some references for the prevention and control ofrock bursts. Keywords fault;Extra thick coal seam; Fullymechanized cavingface ; Seismic observation 断层 名称 性质 走向 倾向 倾角 落差 m 对回采 影响程度 揭露位置 F1正断层SE55215813.5 对回采 影响较大 副巷 14 导向点前 30m处。 F2正断层SW261167510 对回采 影响较大 副巷 18 导向点前 3m处。 F3正断层SW25115752.5 对回采 不影响 副巷 18 导向点前 11m处。 F4正断层SE2367731.2 对回采 不影响 副 巷 24 导 向 点 处。 F5正断层SW18288801 对回采 不影响 副巷 34 导向点前 60m处。 F6正断层SE2885614 对回采 影响较大 正巷 9 导向点处。 F7正断层SW421326010.3 对回采 影响较大 正 巷 41 导 向 点 处。 F8正断层SW39129552 对回采 影响较大 正巷 49 导向点前 41m处。 20 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 图 19- 700 综放工作面平面测点布置图 图 2 为 9- 700 综放工作面过断层期间的微震特 征曲线图。 由图可知， 工作面距断层 F1232m时， 总能 量达到峰值 42895 J，此时微震时间数量为 24 个； 当 工作面距断层 213m 时， 在较长的一段时间内， 微震 时间的总数量和总能量渐渐减小； 当推进至距工作面 83 米左右时， 微震时间总数量又开始增加； 事件数量 的最大值在距断层 F155.3m时取得为 36 个。 图 2综放工作面过断层 F1 期间微震事件特征曲线图 根据 9- 700 工作面断层过程中微震事件特征曲 线， 根据微震事件总数量及总能量的阶段性的变化规 律， 可将在综放工作面对采动影响下断层 F1 的活化 分为三个过程[2] 1 ） 压力显现阶段。 由于断层附近存在较大的构造 应力， 煤层的开采破坏了原本的平衡结构， 当工作面 远离断层 （266- 213m ） 时， 工作面方向的煤岩体内积 聚的构造应力释放， 此时工作面和巷道有发生活化型 冲击地压的危险。 这个过程中液压支架的受力会逐渐 增大， 工作面顶板的控制难度增加。 2 ） 储能阶段。煤岩体内断层虽然破坏了其连续 性， 但是断层处仍然有某种程度上的摩擦阻力和粘聚 力， 能阻止一定应力范围内的相对滑动， 当工作面远 离断层 （213～83m ） 时， 结构面抵抗着断层的相对位 移， 因此结构表面可以积聚一些能量。期间工作面液 压支架工作阻力稳定， 工作面生产不受断层构造的影 响。 3 ） 结构活化阶段。 当工作面距断层较近 （83～0m ） 时， 结构面间的粘聚力和摩擦力已经不足以阻止由于 采动影响传递给断层结构的支承压力， 导致顶板回转 下沉使断层附近煤体和液压支架承受很大的压力， 煤 体如果在一瞬间崩塌， 此时发生的就是断层煤柱型冲 击灾害。 通过对比 9- 700 工作面过断层 F1 期间微震事 件特征曲线不同的阶段，每个阶段均有其明显的特 征。在压力显现阶段， 微震事件总能量最大， 可达到 42895 J， 煤体蓄积着很多能量， 而在结构活化阶段， 单日微震事件最大总能量仅为 21036 J, 只是压力显 现阶段的二分之一， 说明断层在应力显现阶段更容易 诱发冲击地压，因此在 9- 700 综放工作面开采过程 中， 必须提前对顶板进行综合管理， 保证工作面对安 全生产。 3工作面过断层期间冲击地压机制 根据在 9- 700 工作面的微震监测结果将工作面 过断层过程中冲击灾害分为断层煤柱型和断层活化 型两种。 1 ） 断层活化型冲击机制； 断层在形成过程用， 由 于断层上下盘相对滑动的趋势， 使断层两侧的岩体中 积聚了大量的构造应力， 其中水平应力为主。巷道的 采掘及工作面的开采均破坏了断层原本的平衡状态， 当工作面与断层间的煤体不足以抵抗原本蓄积的水 平构造应力时，工作面方向的煤岩体均会向图 3 （a ） 所示方向运移， 构造应力的释放， 导致工作面前方的 煤岩体破坏震动，可能在工作面发生断层活化性冲 击， 破坏综放工作面对设备， 甚至威胁工人们的安 全[3]。 （a）（b） 图 3工作面过断层期间冲击地压机制结构图 2 ） 断层煤柱型冲击机制。 随着工作面距断层的减 小， 断层上下盘移动的趋势越来越强烈， 由于断层的 破坏了顶底板的连续性， 采煤工作面对扰动使顶板回 转下沉， 导致断层煤柱上应力高度集中， 大量弹性能 积聚在煤体内， 如图 3 （b ） 。 顶板回转下沉的角度越来 越大， 工作面对推进在不断的减小煤柱的宽度， 当煤 柱承受不住顶板的压力时，媒体会发生崩解碎裂， 该 过程中伴随着大量的微震事件， 此时可以采取增大液 压支架工作阻力、 增加巷道两侧卸压保护带宽度等措 施防止冲击地压的发生。 21 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 4工作面过断层期间冲击地压综合防治措 施及实践 4.1工作面过断层期间冲击防治措施 根据工作面距断层距离的不同分别采取不同的 措施来预防两类动力灾害。 4.1.1 断层活化引起的冲击地压综合防治 断层活化阶段， 断层需要释放大量的水平构造应 力，这个过程中应当严格的控制工作面对推进速度， 并且加强工作面的顶板管理， 提升巷道的支护强度。 合理的控制综放工作面的推进速度， 给断层内的 构造应力更多的释放时间， 将其变为一个相对匀速且 平缓的过程， 同时加强观测， 做好提前预警工作， 最终 避免出现冲击事故。 加强巷道支护。对巷道加强超前支护， 并且采用 锚网加固巷道顶板， 提高巷道围岩对断层活化过程中 煤岩体形变和位移的抵抗能力。 4.1.2断层煤柱型冲击地压防治措施 防治断层煤柱型冲击地压的主要技术措施有开 采前进行预卸压、 开采过程中的实时监测和预警及出 现预警后的解危措施。 在超前工作面 300m 处，断层 85 米范围内采用 大直径卸压钻孔增加煤体的塑性， 进行提前卸压。 为尽量缩小顶板的暴露时间， 工作面采用及时支 护的方式， 过断层时应采取带压移架的方法。用微震 监测和应力监测，加强对煤岩体冲击趋势的判断， 当 微震的总数或总能量出现较大波动时， 采用电磁辐射 法或钻屑法进行验证，如果确认有冲击地压的危险， 就立刻制定具体的解危措施[4]。 4.29- 700 综放工作面过断层期间防冲实践 霍州煤电集团公司辛置煤矿的 9- 700 综放工作 面开采范围内存在诸多断层， 为确保工作面安全通过 断层， 超前工作面 300m 处对有冲击地压危险的区域 进行卸压， 1 号卸压区是为了防止断层活化型冲击地 压， 2 号卸压区号卸压区为采空区二次见方与断层叠 加影响冲击危险区， 防止断层煤柱型冲击地压， 在 2 号卸压区采用直径 150mm，孔深 25m，间距为 2.5m 的大直径卸压钻孔。 采用微震监测系统对采场周围矿压显现进行实 时监测。经过对工作面的综合管理， 在 9- 700 工作面 过断层 F1 过程中微震事件监测到的数据也偶尔出现 异常， 但是没有达到预警的程度， 用钻屑法进行验证， 也并未发现煤粉超标的现象， 可知综合防冲措施取得 了理想的效果。为了降低对断层活化阶段的扰动影 响， 出于工作面安全的考虑， 在断层活化阶段将工作 面的推进速度降低了 20，保障工作面安全推过了 断层冲击危险区。 图 4工作面巧压钻孔施工图 5结论 1 ）根据综放 9- 700 工作面微震监测的结果， 将 工作面开采过程中断层导致岩层及煤体内压力的变 化分为三个阶段分别为压力显现阶段、储能阶段、 结 构活化阶段， 形象的描述了冲击压力的发展过程。 2 ） 将工作面过断层期间的动力灾害归结为断层 活化型和断层煤柱型两种类型， 活化型主要由于工作 面的扰动导致断层两侧积聚的构造应力释放从而引 起冲击地压； 断层煤柱应力的高度集中， 导致煤岩体 失稳冲击定义为煤柱型冲击地压。 3 ） 基于 9- 700 综放工作面过断层冲击地压提出 了相应的冲综合治理措施， 并在工作面进行了现场验 证，为该工作面过 F2、 F6 等较大断层提供了解决措 施， 也为类似特厚煤层综放工作面过断层安全开采提 供了借鉴。 参考文献 [1] 朱斯陶. 特厚煤层开采冲击地压机理与防治研究[D].北京 科技大学,2017. [2] 闫宪磊,陈学华,闫宪洋.综放工作面过断层期间微震规律 分析[J].煤炭学报,2011,36 （S1） 83- 87. [3] 何满潮， 谢和平， 等.深部开采的岩体力学研究[J].岩石力 学与工程学报， 2005， 24 （16） 2803～2813 [4] 张德峰,陈勇.综放工作面过断层顶板活动规律研究与应 用[J].中国煤炭,2013,39 （04） 56- 59108. 作者简介 付登科 （1988.2.29） ， 男， 汉族， 山西临汾人， 本科， 2017 年毕业于太原理工大学采矿工程专业， 助理工程师。现就职 于霍州煤电集团有限责任公司团柏煤矿安全科技术员。 （收稿日期 2018- 9- 26） 22 ChaoXing