1、专 题 部 分浅析采煤工作面断层处灾害机理及防治摘要随着煤炭产量的日益提高，工作面的推进速度逐步加快，但断层威胁也日趋严重。断层处存在的顶板冒顶、突水、瓦斯突出三大矿下灾害，犹如三只老虎拦住了工作面的推进，同时也是三座大山压在了工人身上。本文初步系统分析了三大灾害的形成机制，提出了防治的有效措施。关键词 断层 顶板冒顶 突水 瓦斯突出 防治 1 概述最近几年，我国经济蓬勃发展，人民生活水平显著提高，对能源的需求也呈现出前所未有的迫切。据统计，我国2006年一次能源产量为22.1亿t标准煤，2007年产量为25.369亿t标准煤。其中煤炭占据主导地位，2006年产量突破23亿t，预计2010年突
2、破25亿t，2020年突破30亿t，而煤炭市场仍然保持供不应求的局面。煤炭企业抓住大好时机，加产促产，工作面推进呈加速状态。工作面的加速推进，使各种地质灾害的威胁相对加重。其中断层及其附带的顶板冒顶、突水、瓦斯突出尤为严重。它们或单一或综合发生，严重制约了井下工人的生命安全保证和矿井的正常生产。2006年，煤矿死亡率为2.81人/百万t；2007年煤矿死亡接近4000人。其中断层诱发的伤亡占据不小的比例。针对断层及其危害的产生机理，采取有效的措施进行必要的控制和治理势在必行。工作面遇断层的顶板冒顶主要有压垮型、漏冒型和综合型冒顶三种，对其顶板状态参数与支护参数作科学分析，并进行合理的采场控顶设
3、计（本文针对综采工作面，单体支柱工作面可作参考），冒顶事故是可以避免的；工作面突水主要是工作面遇断层而沟通了上下岩层水力的联系而造成的，对其进行提前监测和处理是关键；瓦斯突出主要是由于断层沟通了上下煤层的瓦斯流通，而当工作面将近揭露断层时，导致瓦斯三维受力不均，工作面侧煤层阻力不足以维持平衡致使瓦斯瞬间喷出造成的。对于以上三种危害，主动采取有效的措施，都是可以避免或把损失降到最低程度的。部分断层是有益的，对水、瓦斯有控制作用，但针对有潜在危险的断层必须采取必要的措施。2 工作面断层处冒顶机理及控制在煤矿生产过程中，回采工作面遇有落差大于采高的走向断层，可以断层为界，将工作面分为上下二段，开掘中
4、间联络巷进行回采。对于回采工作面遇有断层落差大于采高的斜断层，则要另掘开切眼，使其搬到新工作面再进行回采。在平推硬过过程中，断层上盘或下盘受采动影响，失去“铰接”状态而呈现整体滑移。其压力不是直接作用在工作面前方煤体和采空区矸石上，而是给予支架比正常来压要剧烈的压力显现；断层往往附带破碎带，在采动影响下，其漏冒的危险性加大。因此，必须根据现场实际情况制定控制措施，提高安全系数。2.1冒顶机理1、断层处压垮型冒顶机理断层的切割，使支架上部处于周期来压的顶板提前或迟缓性整体滑移下沉，致使支架工作阻力不能及时满足，造成压跨支架事故。示意图见图1。（1）工作面正常推进，直接顶和老顶周期性垮落。此时前面
5、已经存在断层，由于断层两盘间滑移，使老顶周期破断垮落推迟。（2）工作面继续推进，逐渐接近断层，而支架前方的煤体脆性破裂，失去对顶板的支持力，使支架受力在短的时间内增大，压坏支架。2、断层处漏冒型冒顶机理该类型冒顶主要是当断层走向平行于工作面时较为突出。冒顶的条件：直接顶异常破碎；煤层倾角较大。冒顶机理：图1（a）工作面正常推进 图1（b）顶板滑移下沉，支架压坏1）大面积漏垮型冒顶机理：主要是断层破碎带中的破碎顶板在大于其安息角的上面部分，受重力作用冒落，从而使支架失稳倾倒，又使该支架控制的其余破碎顶也冒落。这种情况主要发生在大倾角走向长壁采煤方法中。这种情况在综采工作面中不常见。2）靠煤壁附近
6、冒顶机理：由于断层破碎带的存在，在一些煤层的直接顶中，存在“人字劈”、“升斗劈”或其他形状的游离岩块。在采煤机落煤后，如果支护不及时，端面距过大，这类游离岩块可能突然冒落砸人，造成冒顶事故。如图2。3、断层处综合类型冒顶机理由于断层构造的存在，造成煤层直接顶中存在游离顶板及破碎带的大量破碎顶板。这些游离顶板由原来的三轴受力变为两向受力，甚至是单轴受力，从而整体失稳，受采动或周围岩体破裂影响而运动导致压垮组合漏冒的综合型冒顶。图2 顶板中游离岩块漏冒2.2控制措施任何控制措施都需要现场技术工人具体地实施，需要充分发挥工人主动积极性，需要加强现场科学管理和问责制的监督。1、为预防工作面断层处发生压
7、垮型冒顶事故，应采取下列措施：（1）采场支架的支撑力应能平衡最不利情况下垮落带直接顶及老顶岩层的重量。（2）采场支架的初撑力应能保证直接顶与老顶之间不离层（专门试验表明，当支架初撑力足够大时，可令直接顶沿放顶线切断而不在煤壁处断裂，从而可保证直接顶与老顶之间不离层）。（3）采场支架可缩量应能满足裂隙带老顶最大下沉的要求。以上措施正是综采工作面控顶设计中有关预防压垮型冒顶的重要原则。2、预防断层处漏冒型冒顶的措施（1）工作面采用掩护式、支撑掩护式液压支架。（2）大面积漏冒在液压支架支护工作面不易出现，主要出现在工作面与巷道接替处。为此，应加强端头支护，严禁端头局部漏冒。可运用端头支架，或者锚杆密
8、集支护。（3）靠煤壁附近局部冒顶的预防与控制：提高支架初撑力使端面冒高不超过300 mm；采用及时支护的移架方式（采煤机割煤后先移架再推移输送机），并令端面距不超过340 mm；当采高大于2.53.0 m时，支架应带护帮装置，以免煤壁片帮扩大无支护空间；过断层破碎带时，应对破碎直接顶注入树脂类粘结剂使其固化，以防止冒顶。3、预防断层处综合类型冒顶综采工作面主要怕遇到长度大于5 m的平行于工作面的断层。此时，支架若有较大的富裕阻力，工作面可照常推进；若无，应让工作面与断层斜交，或挑顶。预防这类冒顶，可综合采取以上两种类型的防治措施。总上，在制定冒顶防治措施时，应加强现场监测，科学预报；科学设计选
9、用有足够初撑力和工作阻力的支架；带压移架。2.3综采工作面断层处控顶设计举例：阳泉矿务局某矿煤层柱状图见图3。实际测定81202工作面参数见表1。采区内断层较多，煤质较软。综采采全高，初步选用液压支架为支掩式BC52025/47型，具体参数见表2。表1 21202工作面参数序 号项 目单 位数 值1采 高m3.802周期来压步距m11.503控顶距m44端头距mm3005垮落带直接顶岩层平均体积力kN/ m3256煤层倾角8一、漏冒型冒顶的控制措施具体措施参见2.2中的内容，这里不再赘述。二、压垮型冒顶的控制措施1.确定垮落带高度可以用下式（一）来判别进入裂隙带的老顶岩层。 公式（一）式中：由
10、下而上第层老顶岩层（基础岩层）的厚度，m； 由下而上第层老顶分层的厚度，m； 煤层采高，m； 老顶及其附加岩层的岩石图3 阳泉某矿煤层柱状图 碎胀系数，取1.151.33；直接顶厚度，m；直接顶岩层的岩石碎胀系数，取1.331.5。由柱状图可以判定第一层老顶为细砂岩，厚度为4.24 m，=4.24 m；直接顶可划分为三个分层，=5.49 m；取1.15；=1.33；=3.80 m。代入公式（一）可得：当=1时公式右边=3.80-5.49（1.33-1）+2=3.99（m）3.69，所以第一层老顶已经进入裂隙带。所以，垮落带高度为5.49 m由于第一层老顶上覆0.11 m煤层，在支架反复支撑过程
11、中，容易引起老顶离层破断。支架的工作阻力应能支撑住工作空间及采空区上方垮落带岩层的重量设前方有一断层平行于工作面，则考虑最不利情况，即取两倍的周期步距。见示意图4。在综采工作面中，为支撑垮落带岩重，支架所需工作阻力可按公式（二）计算。 公式（二） 式中：每架支架所控制的工作面长度，取1.5 m/架； 垮落带直接顶岩层平均体积力，25 kN/ m3； 垮落带直接顶厚度，5.49 m； 直接顶岩梁长度，等于端面距、支架顶梁和前梁长度之和与直接顶岩层在支架后的极限悬顶长度（页岩取1.0 m），5.1 m； 垮落带中该老顶及其附加岩层的平均体积力，25 kN/ m3； 垮落带中该老顶及其附加岩层的厚度
12、，4.35 m；垮落带中该老顶的岩块长度，23 m；煤层倾角，8。 图4 支架承受垮落带岩重可得：=1.5（255.495.1+254.3523）cos8 =4755.15（kN）可知，现有支架不能满足安全需要，必须采取措施处理顶板。譬如，在工作面推进距离达到周期步距时，如果周期来压推迟，应在支架放顶线处进行深孔爆破或进行顶板注水软化。支架的初撑力应能保持下位岩层与上位岩层之间不离层下面以保持直接顶与老顶之间不离层为例进行设计。为使直接顶沿支架后端切断，这时，在最小控顶距状态下，支架初撑力必须满足三个条件：1）支架初撑力能平衡支架上方直接顶岩梁重量；2）支架后端的初撑力能平衡采空区上方将要被切
13、断的那段直接顶悬顶岩重；3）支架初撑力所产生的主动力矩能平衡工作空间上方及采空区上方直接顶岩梁所产生的力矩。设平衡直接顶岩梁重量所需的支架初撑力为，则 公式（三）式中：每架支架所控制的工作面长度，取1.5 m/架； 垮落带直接顶岩层平均体积力，25 kN/ m3； 垮落带直接顶厚度，5.49 m； 直接顶岩梁长度，等于端面距、支架顶梁和前梁长度之和与直接顶岩层在支架后的极限悬顶长度（页岩取1.0 m），5.1 m；=1.5255.495.1 =1039.75（kN）设平衡直接顶岩梁所产生力矩所需的支架除撑力为，则 公式（四）式中：直接顶岩梁长度，端面距、支架顶梁和前梁三者之和，4.1 m； 作用点距顶梁后端的距离（当支架为单排立柱时，为立柱顶端至支架后端的距离；当支架为双排立柱时，建议为两排立柱顶端的中点至支架后端的距离）1.42 m。= 989.32（kN） 设平衡采空区上方将要被切断那段直接顶悬顶岩重所需支架的初撑力为，可以判断在、之中，最小，最大。故所选用支架初撑力可以保证下位岩层与上位岩层之间不离层。表2 液压支架技术特征表序 号项 目单 位数 值1型 号BC52025/472支撑高度m2.504.703工作阻力kN50964初撑力kN47045支护强度MPa0.3370.8496适应倾角157顶梁长度m2.48前梁长度m1.49质 量t
