1、专题部分过断层技术研究摘要：针对煤矿巷道开掘和工作面回采过程中经常遇见断层、破碎带等构造，影响安全与生产的特点，着重研究了断层的种类和过断层的方法，以及各过断层方法分别适用于何种断层。讨论了断层处顶板防冒顶和片帮方法。并对几种过断层方法的实践效果进行了分析和评价。关键词：断层；过断层方法；综采工作面1 问题的提出煤矿地质条件复杂多变，未知因素多，巷道开掘和工作面回采过程中经常遇见断层、破碎带等构造。由于地应力影响，断层附近的煤体和岩体破碎，漏顶严重，施工困难，容易透水，安全威胁大，产量低，采煤工作面不能走正规循环，直接影响安全与生产。尤其是工作面突遇落差较大断层。为确保施工安全，不得已常常采取
2、工作面搬家、重新开切眼或局部补眼，造成丢三角煤，致使回采率降低、采掘接替失调造成吨煤成本增加、降低了生产效益。为此，在含断层构造较多的矿区研究工作面安全过断层方法与技术显得尤为重要。采取措施使综采工作面快速、安全通过断层，尽可能减少顶端面冒顶的可能性，减少和消除断层带对工作面产量和安全的影响。是综采工作面高产高效必须解决的问题之一。由于断层的类型和产状复杂多样，解决方式也不尽相同，针对这一情况，我们寻求快速、安全、高效、新的过断层方法。2 断层理论2.1断层2.1.1 断层基本概念1. 断层构造：断裂两侧的岩层或岩体沿破裂面断开，并且发生明显的相对位移的断裂构造称断层构造。2. 断层的要素（1
3、） 断层面：指断层的破裂滑动面。（2） 断层线：断层面与地面的交线。（3） 断盘：断层面两侧的岩体。位于断层面上方的称为上盘；位于断层面下方的称为下盘。（4） 断层交面线：断层面与岩层面的交线。 （5） 总断距(滑距)：总断距(滑距)是断层两盘相对错开的真正距离H总 （6） 地层断距H0:指在与岩层垂直的剖面上，断层同一层面错开的垂直距离。 （7） 铅垂地层断距Hg:指在与岩层垂直的剖面上，断层同一层面错开的铅直距离。 （8） 水平地层断距Hf:指在与岩层垂直的剖面上，断层同一层面错开的水平距离。 （9） 断层的落差Ha:指在与断层走向垂直的剖面上，断层同一层面错开的铅直距离。 （10） 断层
4、的平错Hb:指在与断层走向垂直的剖面上，断层同一层面错开的水平距离。 2.1.2 断层的分类1. 按断层两盘相对位移的特点可分为：正断层、逆断层、平移断层、枢纽断层等类型。（1） 正断层：断层上盘沿断层面倾斜线相对向下移动，下盘相对向上移动。（2） 逆断层：断层上盘沿断层面倾斜线相对向上移动，下盘相对向下移动。（3） 逆掩断层：断层面倾角小于45的逆断层 。 （4） 平移断层：断层的两盘沿断层面的走向发生移动的断层。（5） 枢纽断层：断层两盘沿断层面上的某一点为枢纽中心发生相对旋转滑动。图2.1 正断层的三种形式图2.2 逆断层的三种形式2. 断层的形态分类 （1） 按断层的产状与地层产状的关
5、系可划分为：走向断层、倾向断层、 斜交断层、顺层断层。（2） 按断层的走向与褶皱轴迹方位的关系可划分为：纵断层、横断层、 斜断层3. 断层的组合形式：地垒和地堑、阶梯状断层、叠瓦状断层。图2.3 地垒和地堑图2.4 叠瓦状构造和阶梯状构造2.2井下遇断层的研究2.2.1 断层的预测与观测1. 断层的观测与判断应系统查明：断层的产状、延伸方向、断层断距，断层素描。 2. 断失翼煤层的寻找（1） 煤、岩层层位对比法：鉴定断层另一盘岩层层位，然后结合断层面产状判断断层性质和落差。（2） 利用断层带附近伴生的地质现象小断层、牵引褶曲、擦痕（3） 标高对比法，利用前方及附近标高与迎头标高对比判定煤层产状
6、及煤层位置。（4） 钻探法，通过向巷道顶底板打钻，探明断失煤层及产状。（5） 作图分析法（6） 根据断层规律的类推法（7） 生产勘探方法（8） 确定断层规模，寻找断失煤层3. 断层预测方法利用剖面图推测深部构造（1） 利用水平切面图推断深部构造的延伸和影响范围（2） 利用煤层底板等高线图推断断层在同一煤层内的延展，预测对深部煤层的影响（3） 利用上煤层底板等高线图，推断下一煤层的断层出露位置4. 巷道遇断层前可能出现的征兆：（1） 断层附近煤岩层塑性变形现象； 包括：煤岩层的产状发生变化、煤层厚度发生变化、出现牵引褶曲等（2） 断层附近的脆性断裂现象； 包括：顶底板中裂隙增多（一般在10-20
7、m范围）；常伴生一系列小断层； 如岩层裂隙构通含水层，则出现淋水增加、甚至发生涌水。（3） 遇断层前后，瓦斯涌出量往往明显变化； 认真总结一个矿遇断层临近时的征兆，可以帮助总结矿井遇断层的现象，并达到预测断层的目的。（4） 岩层产状发生变化，出现牵引现象；2.2.2 巷道遇断层时的处理1. 开拓设计阶段对断层的处理 （1） 井田或采区边界的确定 井田：大断层作为边界，如落差100m或50m，在两侧各留30-50m的煤柱，合为边界，减少煤炭损失。 采区：较大断层作为边界，如落差20m。（2） 井筒位置的选择：一般立井井筒要布置在倾角较大的断层下盘，以距离断层30-50m为宜；（3） 运输大巷的布
8、置：遇大断层，可改向，但过断层后应尽快进入原设计层位。（4） 开采块段的划分：应尽可能将较大断层留在采面之间的煤柱中，如走向断层划入阶段煤柱，倾向断层作为采区边界；2. 巷道掘进阶段对断层的处理应根据不同的地质条件和生产对巷道的要求分别采用不同的方法（1） 平巷过断层：可采用斜穿煤层顶、底板或顺断层面掘进；图2.5 平巷斜穿煤层顶、底板过断层图2.6 平巷顺断层面掘进过断层（2） 斜巷过断层：可采用斜穿煤层顶、底板或顺断层面掘进；图2.7 斜巷过较大断层2.8 斜巷过较小断层3. 回采阶段对断层的处理：（1） 走向断层的处理：当断层落差小于煤厚，挑顶、卧底而过； 当断层落差大于煤厚或采高，可分
9、采；（2） 倾向断层的处理：当断层落差小于煤厚，挑顶、卧底而过； 当断层落差大于煤厚或采高，重开切割眼回采；（3） 斜交断层的处理：一般与处理倾向断层的方法基本相同；2.9 将较大断层留在采面之间的煤柱中2.10 采用合采与分采相结合的方式2.3断层带区域煤岩基本问题研究2.3.1断层带附近煤岩破坏状况研究断层是由于地层的运动、挤压等形成的，是地层运动过程中能量的聚集和释放的结果。地层中聚集的能量在释放过程中，岩层要断裂、挤压、错动、破碎等，并伴有大量裂隙的产生。因此，在断层带附近，形成断层的破碎带，如图2.11所示。图2.1l 断层破碎带示意图一般顶板岩层的强度大于煤层的强度，在同样大小力的
10、作用下，煤岩破碎后，煤的粉末多于顶板岩石的粉末，即煤的破碎程度比岩石的严重。在断层的破碎带内，煤的破坏程度较岩层严重，块度小。当回采工作面通过断层时，与保留岩顶相比，保留煤顶要困难得多。2.3.2综采面过断层时附近煤岩破断研究图2.12 综采工作面从上盘向下盘推进过正断层综采工作面过正断层，以图2.12点划线的方向从上盘向下盘推进。当工作面还在断层的上盘，快通过断层面时，断层破碎带弱变区A范围内的煤层由于破坏严重，而A区的煤沿断层面的下滑力为因而煤层保留不住，会发生片帮。工作面煤壁片帮后，端面空顶范围增大，破碎的顶板岩层可能会发生冒顶，从而影响生产。当工作面从上盘推进到下盘时，因支架不能直上直
11、下。需割底板，留顶煤推进，而这部分顶煤处在断层破碎带弱变区B范围内，破坏严重，顶煤保留不住，端面就会发生冒顶。工作面过正断层，从下盘向上盘推进时；工作面过逆断层，从上盘向下盘推进和从下盘向上盘推进时。均存在与上述类似的不利情况，如图2.13、图2.14、图2.15所示。图2.13 综采工作面从下盘向上盘推进过正断层图2.14 综采工作面从上盘向下盘推进过逆断层图2.15 综采工作面从下盘向上盘推进过逆断层2.3.3综采工作面端面顶煤(板)冒落分析1. 端面顶板冒落后，如不进行勾顶，而采取让支架抬头的工作方式来应付端面冒顶，其结果不仅降低了支架的承载能力，而且会进一步恶化顶板。而由于平衡千斤顶伸
12、出量的限制，过大的顶梁抬头，又会造成大量支架平衡千斤顶和耳座的损坏。2. 即使支架闯过冒顶区，支架顶梁上的顶板也已破碎和出现空洞，支架无法支住顶板，自身的稳定性也很差，极易导致支架沿工作面倾斜方向倾倒，支架顶梁相互咬架，立柱与底座的销轴拉断等，从而使过断层的时间延长，形成恶性循环。3. 端面顶板冒空后若采用勾顶和超前支护的方法。势必造成工作面停产处理，致使生产效率降低。坑木等材料消耗增加。因此，在综采工作面过断层时，必须消除断层破碎带内弱变区的影响，尽量防止工作面端面冒顶的发生和煤层片帮的产生。若已发生端面冒顶。必须立即组织人员勾顶。护好顶板，尽快通过断层破碎带。2.3.4综采工作面快速过断层
13、消除弱变区技术为了安全、快速地通过断层，就必须消除弱变区的影响。尽量减少端面冒顶的发生。下面以正断层，采面从上盘向下盘推进为例来说明。设断层的落差为h，断层面的倾角为，如图2.16所示。当工作面由断层的上盘向下盘推进，顶板处距断层面L1。底板处距断层面L2时，工作面顶板以r的仰角仰采，割顶板岩层，留底煤，使工作面推到断层下盘时，其顶板与下盘煤层的顶板一致，此后工作面再俯采，恢复到沿煤层底板的正常回采。这样就消除了断层下盘弱变区的影响。图2.16 工作面由断层的上盘向下盘推进其中： (2.1) (2.2)为过断层消除弱变区的影响，针对不同的过断层方式采取的技术措施见表2.1。表2.1 过断层消除
14、弱变区技术注：h-的落差，m；-层面倾角，；r-工作面在顶板方向的仰角或俯角，；m-采高，m；L-顶板处开始仰斜或俯斜见煤点的位置，m。2.3.5现场工程应用1. 工程地质概况2215综采工作面位于城郊煤矿-495m水平，工作面北邻八采区轨道巷和北翼胶带巷保护煤柱，南为2214工作面(已采)；东为北翼胶带巷保护煤柱，西为F16断层保护煤柱。工作面设计开采煤层为二2煤层，平均厚度为28m，煤层倾角080，煤层直接顶为砂质泥岩与泥岩互层，平均厚度为l0m，直接底为细粒砂岩，平均厚度为7.9m。掘进2215工作面轨道顺槽时在通尺380m处揭露一逆断层，落差为4m，掘进2215工作面胶带顺槽时在通尺240m处揭露一逆断层，落差为9m，经地质部门分析轨道顺槽、胶带顺槽揭露的断层为同一条逆断层，命名为F2-14-05，该断层落差59m，倾角为520，走向斜穿整个工作面，走向影响约153m。其工作面如图2-3-7所示。图2.17 工作面煤层平面图2. 现场过断层技术F2-l4-05断层为一大落差逆断层，剖面如图4所示。工作面采用直接推进通过，可以节省用于倒面掘进准备巷道150 m和支架回撤的准备费用，同时缓解了矿井的产量任务压力。但是，受该断层的影响工作面必须托断层面上盘三角煤，顶板极难控制技术难度大，安全威胁大，同时在过断层期间，工作面将进入断层下盘
