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超長大采高綜采面安全推過大斷層合理方法研究

文檔作者：華心祝李志華楊科朱若軍周德生李迎富文檔來源： 1．安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽淮南232001； 2．安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程博士后流動站 3．國投新集能源股份有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年11月28日
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第18卷第2期(總第111期)
2013年4月
煤礦 開采
Coal mining Technology
Vo1．18No．2(Series No．111)
April 2013
超長大采高綜采面安全推過大斷層合理方法研究
華心祝 ，李志華 ，楊 科 ，朱若軍 ，周德生 ，李迎富
(1．安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽淮南232001；
2．安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程博士后流動站，安徽淮南232001；3．國投新集能源股份有限公司劉莊煤礦，安徽阜陽236235)
[摘要] 為避免171303工作面回采期間采用破底破頂、平整過渡方法過F18斷層可能造成的
采煤機割不動、工作面推進速度慢及經(jīng)濟效益差等問題，保證工作面安全順利通過F18大落差斷層，
進行了斷層影響區(qū)頂板平衡結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，提出了采用臥底方法通過F18大斷層，并對該方法的可行
性進行了相似模擬試驗，建立了大采高工作面過大斷層安全技術(shù)保障體系?，F(xiàn)場工程實踐表明：
171303工作面采用臥底方法， 由斷層上盤向斷層推進過大斷層，并加大斷層下盤的調(diào)斜坡度，每米推
進煤量增加，矸石量減小，實現(xiàn)了工作面安全快速推進F18大斷層，取得了較為顯著的效果。
[關(guān)鍵詞] 大采高；過大斷層；相似模擬試驗；保障體系
[中圖分類號]TD823．4 2 [文獻標(biāo)識碼]A [文章編號]1006—6225(2013)02—0018．04
Rational M ethod of M ining through Fault in Extremely—long Full-mechanized
M ining Face with Large M ining-height
HUA Xin．zhu ，LI Zhi．huaI1 ，YANG Ke ，ZHU Ruo．jun ，ZHOU De．sheng ，LI Ying．fu
(1．Key Laboratory of Education Ministry for Coal Mine Safety＆ High-eficiency Mining，Anhui University of Science
＆ Technology，Huainan 232001，China；2．Postdoctoral Station of Mining Engineering，Anhui University of Science＆ Technology ，
Huainan 232001，China；3．Liuzhuang CoUiery，Xinji Energy Co．，Ltd．，State Development and Investment Corp．Fuyang 236235，China)
Abstract：For 171303 Face mining through F18 Fault，traditional method might result in slow mining speed，bad economic profit and
coal cutter could not cut hard rock．Mechanics analysis of roof balance structure in fault influence area was made．Dinting method was
put forward as the method of mining through F18 Fault．Its feasibility was proved by analogue simulation．Engineering practice showed
that the mining face advanced through F18 Fault from hanging side．By increasing adjustment slope of footwall，coal amount added and
waste rock reduced．The mining face fast and safely went through F18 Fault and distinct profit was made．
Keywords：large mining height；mining through large fault；analogue simulation；safe system
大采高綜采具有生產(chǎn)能力大、單產(chǎn)高、巷道布
置簡單、工序簡單、巷道掘進量和維護量小、回采
工效和煤炭資源采出率高等優(yōu)點，已成為我國厚煤
層開采的主要發(fā)展方向¨屯j。目前，常規(guī)的綜采工
作面過斷層技術(shù)已趨成熟，但大采高綜采工作面由
于采高大，過斷層破碎帶時有支架實際支護阻力降
低、支架位態(tài)變差、頂板漏矸等情況發(fā)生，尤其當(dāng)
斷層斷距較大時，會加大工作面通過的難度 叫J。
國投新集劉莊煤礦171301工作面位于劉莊煤
礦西三13—1煤采區(qū)，為西區(qū)首采工作面；開采標(biāo)
高為-515．7一-681．2m。工作面為傾向長壁布置，
工作面傾向長為1285m，切眼長300m，煤層傾角5
～ 9。，平均傾角7。；煤層厚度4．30～6．30m，平均
總厚度5．14m。工作面東臨F20斷層，西臨F8斷
層，北臨F60斷層，南臨F22斷層，F(xiàn)18斷層斜切
于工作面的北部(F18斷層傾向305。，傾角55—
65。，落差為7．5～16．5m)，受上述斷層的影響，
工作面內(nèi)小斷層極為發(fā)育。而與171301工作面相
鄰的171303工作面煤層厚度5．10—6．40m，平均
煤厚5．57m，受F18斷層的影響更大(圖1)。當(dāng)
工作面接近裂縫帶時，因頂板被切斷，失去傳遞力
的作用，工作面前方頂板巖層將給工作面和斷層間
的煤柱造成加壓產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中，并引起大范
圍頂板運動，容易導(dǎo)致壓垮型、漏冒型、推垮型等
冒頂事故的發(fā)生_5 J。因此，為了保證大采高綜采
工作面安全順利通過F18大落差斷層，需開展超長
大采高綜采面安全推過大斷層合理方法研究。
1 斷層影響區(qū)頂板平衡結(jié)構(gòu)力學(xué)分析
當(dāng)工作面接近斷層時，基本頂便以工作面前方
斷層面發(fā)生斷裂 。根據(jù)工作面開采方向與斷層
傾向之間的關(guān)系，概化為兩組斷層模型，一組是工
[收稿日期]2012—11—15
[基金項目]國家自然科學(xué)基金項目(51174002，51074003)；安徽理工大學(xué)博士科研啟動基金資助項目(11057)
[作者簡介]華心祝(1964一)，男，安徽潛山人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事采礦工程方面的教學(xué)和科研工作。
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華心祝等：超長大采高綜采面安全推過大斷層合理方法研究 2013年第2期
圖1 F18斷層影響區(qū)
作面由斷層下盤向斷層推進(斷層構(gòu)造模型1)；
另一組是工作面由斷層上盤向斷層推進(斷層構(gòu)
造模型2)，如圖2所示。
。
(a)斷層構(gòu)造模型1 Co)斷層構(gòu)造模型2
圖2 巖塊平衡結(jié)構(gòu)力學(xué)模型
在斷層模型1中(工作面由斷層下盤向斷層
推進)，斷層正應(yīng)力N=TcosO-RsinO，斷層剪應(yīng)力
F=Rcos0+Tsin0。在斷層模型2中(工作面由斷層
上盤向斷層推進)，斷層正應(yīng)力N=TeosO+RsinO，
斷層剪應(yīng)力F=Rcos0一Tsin0。式中， 為水平推
力；R為剪切力；0為斷裂面與垂直面形成的斷裂
角。
在斷層模型1中(工作面位于斷層下盤)，隨
著工作面推進，斷層正應(yīng)力減小，斷層剪應(yīng)力增
加，斷層受采動影響易于“活化”，頂板結(jié)構(gòu)不易
取得平衡，即工作面礦壓顯現(xiàn)比較明顯。相反在斷
層模型2中(工作面位于斷層上盤)，則情況要好
得多，斷層正應(yīng)力增加，頂板則易于形成砌體梁式
或傳遞梁式平衡結(jié)構(gòu)，對控制頂板有利 卜引。所以
劉莊煤礦171301工作面、171303工作面采用由
F18斷層上盤向斷層推進的方法通過大斷層。
頂推進。而后部分頂煤是斷層破碎帶的弱變形區(qū)，
破碎嚴(yán)重，不容易留住，端面很容易產(chǎn)生冒頂。
為了綜采面快速、安全地通過斷層，保持工作
面的高產(chǎn)高效，必須消除或減弱弱變形區(qū)的影響，
盡量減少端面冒頂?shù)陌l(fā)生。同樣以上述綜采面過正
斷層、從上盤向下盤推進為例來說明，見圖3所
示。圖中，a為斷層傾角；h為斷層落差；L 為煤
層頂板爬坡點距斷層面水平距離；L：為煤層底板
爬坡點距斷層面水平距離。
圖3 工作面過斷層一般方法
當(dāng)綜采面從斷層的上盤向下盤推進時，不是到
了斷層面后再爬坡，而是當(dāng)綜采面距斷層面一定距
離處就開始以一定的仰角爬坡，割頂板巖層或頂
煤，留底煤，使得綜采面推進到斷層下盤時，其底
板正好為原推進的層位巖層，從而恢復(fù)到正常回
采，這樣就可以消除或減小斷層下盤弱變形區(qū)對綜
采面回采的影響。
2．2 171301工作面過斷層存在問題
171301工作面在回采過程中遇見F18斷層，
采用采煤機破煤層頂、底板平整過渡，底板起伏坡
度不大于15。。如遇到比較硬的巖層，采煤機割不
動的情況下，采用放炮來破巖層，將采高嚴(yán)格控制
在4．5m左右。若斷層交面在工作面上段和下段，
采煤機破斷層上盤的頂板；若斷層交面在工作面中
段，采煤機破斷層下盤的底板、上盤的頂板，如圖
4所示。由于171301工作面采用破頂破底的方法
過斷層，而該面頂板為較為堅硬的砂巖，采煤機割
不動，不得不采用放炮來破巖層，造成工作面推進
速度慢；又由于過斷層時平整過渡、未及時調(diào)整采
高造成割煤少、割矸多，經(jīng)濟效益差的局面。
2 171301工作面過斷層方法及存在問題 3 1713O3工作面過斷層合理方法確定
2．1 以往工作面過斷層常用方法
以綜采工作面過正斷層、從上盤向下盤推進為
例來說明_9 J。當(dāng)綜采面從上盤接近斷層面時，斷
層破碎帶弱變區(qū)(斷層破碎帶內(nèi)煤層的范圍)內(nèi)
的煤層因破壞嚴(yán)重，其黏聚力幾乎為零，故很容易
發(fā)生片幫，使端面空頂距增大，破碎的頂板巖層易
造成端面冒頂。當(dāng)綜采面推進到下盤后，需割底留
3．1 171303工作面過斷層方法的提出
斷層是影響煤炭開采重要的地質(zhì)因素¨ 。F18
斷層落差較大，達到17m，從而增加了回采的難
度。若處理不當(dāng)，不僅會嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，還會
對井下工作人員造成一定的安全隱患。針對不同工
作面的具體情況，應(yīng)采取相應(yīng)過斷層方法和措施，
最大限度地回收煤炭資源，提高工作面的產(chǎn)量和礦
井的經(jīng)濟效益。
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華心祝等：超長大采高綜采面安全推過大斷層合理方法研究 2013年第2期
171303工作面安全順利通過斷層影響區(qū)域，建立
了171303工作面過斷層工作面爆破、機電設(shè)備及
工具使用、頂板管理、倒架、咬架走斜、防治水等
安全技術(shù)保障體系(圖7)，從而保證工作面順利
通過該大斷層，實現(xiàn)了工作面過大斷層連續(xù)推進，
提高了采出率，減少了巷道掘進量。
大采高綜采面過斷層安全技術(shù)保障體系
工作
面爆
破安
全技
術(shù)
機電
設(shè)備
及工
具使
用安
全技
未
頂板
管理
安全
技術(shù)
倒架
咬架
走斜
安全
技術(shù)
防治
水安
全技
未
其他
安全
技術(shù)
大采高綜采面安全順利通過大斷層
圖7 大采高綜采面過大斷層安全技術(shù)保障體系
4．2 工程實踐效果分析
171301工作面采用挑頂兼臥底的方法通過該
斷層，無論是在斷層上盤還是斷層下盤都會損失一
定的煤。171303工作面完全采用臥底的方法，只
-590
硼
— 61O
鋤
在斷層下盤有丟煤?？梢钥闯龉ぷ髅孢^斷層時若坡
度過于平緩，則會造成每米推進煤量減少，矸石量
增加。所以，為了減少丟煤，在工作面刮板機及支
架能夠調(diào)整的情況下，盡量加大調(diào)架力度，沿煤頂
推進，過斷層時降低采高。例如可以沿圖8中虛線
推進。
表1和表2分別為171301，171303工作面過
斷層期間每米推進煤量、矸石量和損失煤量，可以
看出171301工作面每米推進掘出煤量和矸石量總
和約2600t，171303工作面每米推進掘出煤量和矸
石量總和約2260t，工作面推進過程中每米推進煤
量越少，那么每米推進矸石量就越多。通過對比可
以看出171301工作面在回采過程中遇見F18斷層，
采用采煤機破煤層頂、底板平整過渡，每米推進煤
量較低，甚至不到每米推進矸石量的一半，造成每
米推進損失煤量高，矸石含量高，嚴(yán)重影響到煤
質(zhì)，而且大量煤炭遺留在采空區(qū)，還會造成安全隱
患。171303工作面在過斷層期間，根據(jù)斷層產(chǎn)狀，
采用臥底的方法，在斷層下盤及時調(diào)整坡度留頂煤
破煤層底板。每米推進煤量較高，高于每米推進矸
石量。
圖8 171303工作面過F18斷層地質(zhì)剖面
_590
- 6oo
— 6lO
蜘
表1 171301工作面過斷層參數(shù)統(tǒng)計 表2 171303工作面過斷層參數(shù)統(tǒng)計
5結(jié)論
(1)大采高綜采面采用由斷層上盤向斷層推
進的方法通過斷層，頂板則易于形成砌體梁式或傳
遞梁式平衡結(jié)構(gòu)，工作面礦壓顯現(xiàn)不明顯，對控制
頂板有利。
(2)當(dāng)工作面頂板為較堅硬的砂巖，采煤機
割不動時，可以根據(jù)工作面具體地質(zhì)條件，采用臥
底方法通過該斷層。
(3)171301工作面采用采煤機破煤層頂、底
板平整過渡，每米推進煤量較低，造成每米推進損
失煤量高，矸石含量高。171303工作面采用臥底
的方法，在斷層下盤及時調(diào)整坡度留頂煤破煤層底
板。每米推進煤量較高，每米推進矸石量減少。
(4)在采煤機、支架等設(shè)備允許的情況下過
(下轉(zhuǎn)31頁)
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汪永印等：急傾斜煤層采煤方法分析與改進措施 2013年第2期
應(yīng)不大于14m。
3 應(yīng)用效果及分析
3．1 應(yīng)用實例
安徽淮南某礦126106／08聯(lián)采面基本參數(shù)：回
風(fēng)巷標(biāo)高-260m，運輸巷標(biāo)高-330m，區(qū)段垂高合
計70m，走向長度350m，利用-295m標(biāo)高腰巷將
工作面分成上、下兩段，上段煤層平均厚度2．7m，
下段平均厚3．2m。煤層走向262～272。，煤層傾角
78～85。，局部直立。煤層頂?shù)装寰鶠槟嗌皫r互層，
遇水易膨脹。
礦井采用上下區(qū)段聯(lián)合開采方案，上段架寬
2．4m，下段架寬2．9m，上下段煤炭分運，上段煤
炭由腰巷刮板輸送機運出，下段煤炭由運輸巷刮板
輸送機運出。通過合理組織生產(chǎn)，工作面在6個月
內(nèi)即安全回采完畢，除去工作面開切及收作時期，
工作面正?；夭呻A段，實現(xiàn)急傾斜層掩護支架工作
面日產(chǎn)煤逾千噸的較好成績。
3．2 與小區(qū)段垂高回采方案的比較
若采用小區(qū)段垂高，即腰巷上、下區(qū)段分別布
置工作面回采，則產(chǎn)量下降50％ 。另外，下段回
采時期需新掘1條回風(fēng)巷或采用沿空留巷技術(shù)維護
腰巷作為下段回風(fēng)巷，即需新掘或維護巷道長度
350m，按1500 m費用計算，即節(jié)約巷道掘進
費用約52．5萬元。
3．3 與溜煤斜巷回采方案的比較
由于區(qū)段高度較大，設(shè)置溜煤眼已經(jīng)不合理，
若設(shè)置溜煤斜巷，按60m設(shè)置1條溜煤斜巷、工
作面走向長350m考慮，需設(shè)置6條溜煤斜巷，為
便于溜煤，斜巷坡度按30?？紤]，區(qū)段垂高70m，
則每條斜巷長約140m，每條斜巷另需設(shè)置1條長
度為5m的聯(lián)絡(luò)巷及2條高度為3m的小眼(溜煤
及行人)共需掘進斜巷、聯(lián)絡(luò)巷、小眼長度合計6
× (140+5+2×3)=906m，則設(shè)置腰巷的回采方法
節(jié)約巷道長度為906-350=556m，按掘進費用1500
元／m計算，即節(jié)約巷道掘進費用約83．4萬元。
4 結(jié)論及改進措施
采用上、下區(qū)段聯(lián)合開采措施，在腰巷拆架、
回棚與擺架等工序的配合上對工作面施工管理要求
相對較高，但減少了溜煤斜巷等工程量，減少了下
段掩護支架運輸工程量(上段拆下的掩護支架大
部分可直接用于下段安裝)，提高了掩護支架工作
面對煤厚的適應(yīng)性，提高了工作面單產(chǎn)，改善了工
作面安全狀況，優(yōu)點突出，具有推廣價值。
目前，對于薄煤層，常采用“7”型掩護支
架。為解決薄煤層工作面通風(fēng)斷面過小的問題，部
分礦井在“一”字型掩護支架及“7”字型掩護支
架的基礎(chǔ)上，組合兩者的優(yōu)勢，形成四邊形掩護支
架，從而部分?jǐn)U大了急傾斜薄煤層回采工作面的通
風(fēng)斷面積，也具有一定的積極效果。
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c責(zé)任編輯：周景林]
(上接21頁)
大斷層時盡可能加大仰采角度，不僅可以縮短過斷
層割巖石的距離，而且還可以提高煤炭采出率。
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