1、专题部分浅析巷道、工作面过断层的方法摘要: 本专题从我国煤矿的实际情况出发，根据煤矿断层构造多，影响煤矿产量、安全、效益的特点，首先对断层规律、准确预测、预报断层特征对资源评价进行了分析，其次整体概述了工作面在不同情况下过断层的方法及技术措施，最后对一线生产矿井根据实际情况对工作面、巷道过断层技术进行现场应用和提高作了介绍。关键词: 断层 工作面 巷道 安全 经济0 引言煤炭工业的发展依赖煤炭科技的进步。我国煤炭资源丰富，储量和产量均居世界前列。近年来随着国民经济的发展和综合国力的提高，石油、天然气、水力、核电等其他能源有了较大发展，但是煤炭仍然是我国的主要能源，预计在今后相当长的一段时期内这
2、种状况不会有根本改变。进入21世纪，要求我国煤炭工业深化改革，尽快摆脱粗放经营的旧模式，步入低投入、高产出、高效益的良性循环轨道。这就要求煤矿工作者对影响煤炭开采的因素就行研究、克服，而断层是影响煤矿开采的主要地质因素。当工作面遇到断层时，顶板压力增大，开采工效降低，灰分、成本增高，甚至由于断层展布规律和破坏程度掌握不清造成停工减产，酿成安全事故。因此研究小断层规律，准确预测、预报小断层特征对资源评价及煤炭生产具有重要意义。巷道、工作面如何过断层对煤炭生产及经济效益有很大的影响。1 断层及其对开采影响的分析方法断层是影响煤矿开采的主要地质因素。大型及特大型断层一般在井田勘探时就已查明，矿井初步
3、设计阶段已作了考虑，这些断层影响井田的划分和水平划分，而中、小型断层则影响巷道掘进和回采。1.1断层落差与走向长度规律的分析方法1.1.1 分析的目的与意义小型断层直接影响巷道和工作面回采，当工作面遇到断层时，顶板压力增大，开采工效降低，灰分、成本增高，甚至由于断层展布规律和破坏程度掌握不清造成停工减产，酿成安全事故。因此研究小断层规律，准确预测、预报小断层特征对资源评价及煤炭生产具有重要意义。1.1.2 分析方法 （1）目前主要有三类分析方法一是地质分析方法，该法主要利用钻孔揭露的断层资料综合地质力学及地质成因研究地层规律；二是物探方法，它通过三维地震和电法勘探来探测断层，该法对大、中型断层
4、是可行的，但在探测小断层方面，目前仍存在一些技术及经济上的问题：三是统计分析方法，该法是近几年兴起的，它试图通过对已有小断层资料的统计分析，找出其规律，进而对待采区的小断层及其破坏程度进行预测。下面具体介绍断层落差与走向长度规律的统计分析方法。（2）断层走向长度与落差的分析方法断层走向长度与落差是断层的两个重要参数，走向长度与落差越大，断层对煤炭生产的影响也越大，生产实践表明：一般情况下走向长度随着落差的增大而增大。随着矿井勘探、巷道掘进及工作面回采，可以不断查明小断层的落差，但其延展长度往往难以确定。如果找出落差与走向长度的统计关系，就可以利用落差来预测其延展区间。尤其当工作面周围巷道掘好后
5、，可以根据已揭露的小断层落差来预测其在未采的采区及工作面内的延展长度，进而预测断层对该采区及工作面的影响程度，因此，收集井田内小断层的资料，分析正断层、逆断层所占比例，小断层落差与走向长度散点图，用线性函数、幂函数和指数函数等函数对井田小断层落差与走向长度进行回归分析，找出最优回归方程，就可以定性地来表示断层落差h(m)与走向长度1(m)的关系。（3）断层落差及走向长度与总体频率的分析方法根据生产区域已揭露的小断层，按一定的间距对落差、走向长度分别进行分组，计算出每一落差及走向长度区间内小断层的出现频率，建立数学统计关系。这样当知道在某工作面可能出现的断层总数时，据此即可估计预测某一断层落差及
6、走向长度下断层指数的期望值，进而可以预测工作面内断层对开采的影响程度。用平均落差及平均走向长度与频率的直方图可以直观地看出关系，同时还可能总结出最佳回归方程。（4）断层落差与裂隙密度的分析方法生产实践表明：断层落差与该断层附近顶板的裂隙密度有一定的关系，裂隙密度随落差的增大而增加。而裂隙密度越大，顶板往往越破碎。在钱矿井田巷道较大断层或小断层群处，裂隙非常发育。在煤层顶板正常地段(即无断层)，裂隙条数一般在10条/米以下，接近较大断层处(范围530米)裂隙密度逐渐增加，到断层处可达15条/米以上，裂隙方向大都与断层方向平行。通过收集的有关巷道25条断层及其相邻顶板裂隙的资料进行回归分析得出回归
7、方程如下：h=-0.79+0.106n式中：n为断层附近10米内的顶板裂隙密度(条米)；h为断层落差(m)，从回归方程可见，h=0时，n=7.5条/米；当ni米时，n12条米。再考虑断层拓展区间，通过观测掘进巷道顶板裂隙，即可预测掘进前方有无断层及断层落差，据此可以调整掘进方向和坡度，采取过断层的准备措施，加强顶板支护，做好防水、防冒顶工作，以减少废巷。 1.2断层走向的分析方法 1.2.1 研究断层走向的目的与意义 断层走向对开采有直接影响。对大、中型断层其走向井田、水平及采区的划分，开拓、开采方式以及开拓巷道、准备巷道的布置；对小型断层其走向不同，即与工作面的夹角不同，断层对回采工作面的影
8、响程度也不同。当工作面遇到断层时可通过调整工作面推进方向以减小断层的影响。因此，若掌握大断层的走向，则可以选择合理的开拓方式，若能够预测工作面小断层走向的期望值，则可以有意识地将工作面布置成与期望值呈一个有利的夹角，使开采方便高效地进行，所以对断层走向进行统计分析，找出其规律是非常重要的。另一方面矿井投产时，大、中型断层已基本查明，但小断层大都在开采时才能揭露，因此，如果我们能掌握某区域内大、中型断层与小断层走向之间及相邻区域小断层走向间的关系，就可以根据大型断层及己已采采区的小断层估计未采采区小断层的走向，即可以据此确定开拓、开采方案，预测断层对开采指标的影响，制定有关生产或目标定额。1.2
9、.2 断层走向的分析方法现有的各种统计方法中尚不能圆满解决有关断层走向估计等方面的问题，不便得出某一区域(工作面、采区、矿井)断层走向的期望值及其离散程度，因而难以预测该区域断层(走向)对开采的影响程度，更不便进一步研究断层间的关系及断层预测。主要研究方法有以下三种：一是断层走向的频率分布分析方法，它是用圆周直方图、直线直方图、玫瑰图示方法来表示；二是断层的平均走向与圆上方差分析法。三是小断层走向及小断层与大断层走向间关系统计分析方法。由于断层走向统计分析主要用数值统计知识，这里不多介绍。 1.3断层对开采影响的分析方法 工作面小断层对开采的主要影响可能有断层落差、走向长度、倾角及断层走向与工
10、作面夹角，但对各影响因素的重要程度、影响方式看法不一。下面用四个变量作为断层的影响因素来介绍几种分析方法。 1.3.1 落差h与煤厚m的比值u 一般来说，u值越大，即断层落差越大，煤厚越小，工作面过断层就越困难，因而对生产影响也越大。此比值能反映断层两翼煤层中断开部分的厚度。对于综采，如果该厚度大于或稍大于支架的最低高度，则支架容易移动，对综采影响不大；反之影响较大，甚至于倒面搬家。1.3.2 断层面倾角断层面倾角小，在工作面出现的破碎带宽度较大，冒顶危险程度也加大，反之则影响小。1.3.3 断层走向与工作面的夹角0当断层走向与工作面平行或近似平行时，断层全部或大于部分同时暴露于工作面，顶板破
11、碎面积大，来压集中，顶板不易管理，支架移动困难，容易造成工作面切顶，对开采最为不利。因此，当断层走向与工作面夹角在020时，断层难以通过；当2006590容易通过，但也有时此断层会对采面长期正常生产产生影响，并不十分有利。1.3.4 断层走向长度l和面积s的比值vs为影响面积或评价单元面积。1为某断层在该影响面积内的走向长度。显然，l越大，s越小，对开采影响越大。需要指出的是，断层对开采的影响还与顶底板岩性有关，当u较大时，岩性较时，则过断层较容易，否则较难。但岩性太软，顶板则难以控制，也不利于过断层。2 综采工作面过断层2.1综采工作面过断层的技术措施由于断层处的岩石往往比较破碎，在工作面通
12、过时很容易造成冒顶，而且冒顶的高度都比工作面不过断层时要大；工作面过断层时，由于顶底板和采高的变化，很容易造成液压支架的倾倒和压死；在处理断层带的岩石时，如果方法不当，很容易损坏支架、采煤机和输送机等机械设备。有时，通过断层后设备损坏严重，不得不将设备全部升井大修，造成很大的经济损失；工作面过断层时，对工作面的产量影响很大。断层落差越大，过断层时产量下降越多；断层线与工作面的夹角越小，产量下降越大。在工作面通过断层时，应采取如下措施来加强顶板管理与生产组织。2.1.1调整工作面与断层线的夹角对于落差小于或等于煤厚（采高）的倾斜断层（与工作面斜交），一般是工作面平推赢过。当工作面通过断层时，如果
13、工作面与断层线互相平行或相交的角度太小，则断层在工作面的暴露范围将很大，顶板维护也很困难。为了使断层与工作面交叉面积尽量小，有时可在通过断层前预先调整工作面，与断层保持一定的夹角。夹角越大，交叉面积越小，顶板越容易维护，但通过断层的时间会相对加长。根据经验，对于中等稳定以上顶板的工作面，工作面与断层线的夹角以2030。为宜；对于不稳定顶板，工作面与断层线的夹角需调到3045.。但这将使工作面长度加长，也给生产带来不利影响或增加了三角煤损失。采用这种方法，应根据具体条件将诸因素综合考虑。选定一个较好方案。2.1.2处理断层处岩石的措施工作面过断层时必须处理断层处的岩石。当岩石硬度系数小于4时，可
14、用采煤机直接截割，但牵引速度应减少；当岩石硬度再高时，则要用打眼放炮的方法预先挑顶或卧底。处理断层要打浅眼、少装药、放小炮，打眼时要选择好炮眼的位置和角度，放炮时要防止崩坏液压支架活柱。在放炮区内通常采用的防护措施是在支架前柱的前方悬挂挡矸胶带，必要时还需在柱外面套上胶皮防护筒。炮眼对支架支柱表面的镀层腐蚀性很大，尤其是对镀铜层影响更大，因此有的矿为不腐蚀镀层，不采用放炮松动岩石，而是用风镐来处理断层处的岩石。（1）液压支架过断层的措施 在过断层时，支架不是向下俯斜就是向上仰斜移动。在通过断层之前，应根据地质资料和现场条件，弄清断层的影响程度和两盘关系，同时根据设备性能和过断层的要求，确定其上
15、坡角度。过断层时的坡度以1012度为宜，最大不要超过1516度。如果煤层断块在工作面推进方向的上方，应逐步割顶和割底，岩石硬时用放炮方法挑顶或卧底，使支架按选定的坡度向上逐步通过断层；如果断块在工作面推进方向的下方，则可采用同样的方法卧底，但尽量不要挑顶，以免破坏断层面一下的顶板。由于断层区的顶板比较破碎，所以掩护式支架和支撑掩护式支架比支撑式支架更为有利。在顶板破碎并留顶的情况下，应适应当带压移架，不得降柱太多，尽量减少顶板松动。（2）断层时的顶板管理支架过断层时顶板比较破碎，要特别注意加强维护。工作面断层区域内可以采用隔一架移一架的方式移架，根据不同情况也可采用管理破碎顶板的方法来管理断层
16、区顶板。当顶板特别破碎时，应随采煤机前滚筒割煤而立即移架。（3）加固顶板工作面通过断层时，对于破碎机顶板可采用加固顶板的方法维护。加固顶板常采用以下几种办法：锚杆加固 用锚杆将顶板锚固，锚杆的间距、仰角及深度等参数需根据具体情况确定。在过断层时，为防止片帮，可采用打压缩木锚杆的办法来加固煤壁。化学加固 利用若干化学药剂配制混合后，通过钻孔压注及渗入顶板裂隙，利用短时间内体积大量膨胀的原理而固结顶板。有些矿采用灌注水玻璃、水泥等固化顶板及煤壁也取得一定的效果。2.2节式支架过断层开滦矿务局林西矿9773综采工作面开采九个月，过大小断层42条（其中落差0.31m的31条，落差12.4m的11条），平均月产44575t。该工作面长135m，煤层厚2.13.6m，采高2.42.5m。煤层倾角
