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超长大采高综采面安全推过大断层合理方法研究

文档作者：华心祝李志华杨科朱若军周德生李迎富文档来源： 1．安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽淮南232001； 2．安徽理工大学矿业工程博士后流动站 3．国投新集能源股份有限公司		点击数：	更新时间： 2022年11月28日
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第18卷第2期(总第111期)
2013年4月
煤矿 开采
Coal mining Technology
Vo1．18No．2(Series No．111)
April 2013
超长大采高综采面安全推过大断层合理方法研究
华心祝 ，李志华 ，杨 科 ，朱若军 ，周德生 ，李迎富
(1．安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽淮南232001；
2．安徽理工大学矿业工程博士后流动站，安徽淮南232001；3．国投新集能源股份有限公司刘庄煤矿，安徽阜阳236235)
[摘要] 为避免171303工作面回采期间采用破底破顶、平整过渡方法过F18断层可能造成的
采煤机割不动、工作面推进速度慢及经济效益差等问题，保证工作面安全顺利通过F18大落差断层，
进行了断层影响区顶板平衡结构力学分析，提出了采用卧底方法通过F18大断层，并对该方法的可行
性进行了相似模拟试验，建立了大采高工作面过大断层安全技术保障体系。现场工程实践表明：
171303工作面采用卧底方法， 由断层上盘向断层推进过大断层，并加大断层下盘的调斜坡度，每米推
进煤量增加，矸石量减小，实现了工作面安全快速推进F18大断层，取得了较为显著的效果。
[关键词] 大采高；过大断层；相似模拟试验；保障体系
[中图分类号]TD823．4 2 [文献标识码]A [文章编号]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
大采高综采具有生产能力大、单产高、巷道布
置简单、工序简单、巷道掘进量和维护量小、回采
工效和煤炭资源采出率高等优点，已成为我国厚煤
层开采的主要发展方向¨屯j。目前，常规的综采工
作面过断层技术已趋成熟，但大采高综采工作面由
于采高大，过断层破碎带时有支架实际支护阻力降
低、支架位态变差、顶板漏矸等情况发生，尤其当
断层断距较大时，会加大工作面通过的难度 叫J。
国投新集刘庄煤矿171301工作面位于刘庄煤
矿西三13—1煤采区，为西区首采工作面；开采标
高为-515．7一-681．2m。工作面为倾向长壁布置，
工作面倾向长为1285m，切眼长300m，煤层倾角5
～ 9。，平均倾角7。；煤层厚度4．30～6．30m，平均
总厚度5．14m。工作面东临F20断层，西临F8断
层，北临F60断层，南临F22断层，F18断层斜切
于工作面的北部(F18断层倾向305。，倾角55—
65。，落差为7．5～16．5m)，受上述断层的影响，
工作面内小断层极为发育。而与171301工作面相
邻的171303工作面煤层厚度5．10—6．40m，平均
煤厚5．57m，受F18断层的影响更大(图1)。当
工作面接近裂缝带时，因顶板被切断，失去传递力
的作用，工作面前方顶板岩层将给工作面和断层间
的煤柱造成加压产生较高的应力集中，并引起大范
围顶板运动，容易导致压垮型、漏冒型、推垮型等
冒顶事故的发生_5 J。因此，为了保证大采高综采
工作面安全顺利通过F18大落差断层，需开展超长
大采高综采面安全推过大断层合理方法研究。
1 断层影响区顶板平衡结构力学分析
当工作面接近断层时，基本顶便以工作面前方
断层面发生断裂 。根据工作面开采方向与断层
倾向之间的关系，概化为两组断层模型，一组是工
[收稿日期]2012—11—15
[基金项目]国家自然科学基金项目(51174002，51074003)；安徽理工大学博士科研启动基金资助项目(11057)
[作者简介]华心祝(1964一)，男，安徽潜山人，博士，教授，博士生导师，从事采矿工程方面的教学和科研工作。
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华心祝等：超长大采高综采面安全推过大断层合理方法研究 2013年第2期
图1 F18断层影响区
作面由断层下盘向断层推进(断层构造模型1)；
另一组是工作面由断层上盘向断层推进(断层构
造模型2)，如图2所示。
。
(a)断层构造模型1 Co)断层构造模型2
图2 岩块平衡结构力学模型
在断层模型1中(工作面由断层下盘向断层
推进)，断层正应力N=TcosO-RsinO，断层剪应力
F=Rcos0+Tsin0。在断层模型2中(工作面由断层
上盘向断层推进)，断层正应力N=TeosO+RsinO，
断层剪应力F=Rcos0一Tsin0。式中， 为水平推
力；R为剪切力；0为断裂面与垂直面形成的断裂
角。
在断层模型1中(工作面位于断层下盘)，随
着工作面推进，断层正应力减小，断层剪应力增
加，断层受采动影响易于“活化”，顶板结构不易
取得平衡，即工作面矿压显现比较明显。相反在断
层模型2中(工作面位于断层上盘)，则情况要好
得多，断层正应力增加，顶板则易于形成砌体梁式
或传递梁式平衡结构，对控制顶板有利 卜引。所以
刘庄煤矿171301工作面、171303工作面采用由
F18断层上盘向断层推进的方法通过大断层。
顶推进。而后部分顶煤是断层破碎带的弱变形区，
破碎严重，不容易留住，端面很容易产生冒顶。
为了综采面快速、安全地通过断层，保持工作
面的高产高效，必须消除或减弱弱变形区的影响，
尽量减少端面冒顶的发生。同样以上述综采面过正
断层、从上盘向下盘推进为例来说明，见图3所
示。图中，a为断层倾角；h为断层落差；L 为煤
层顶板爬坡点距断层面水平距离；L：为煤层底板
爬坡点距断层面水平距离。
图3 工作面过断层一般方法
当综采面从断层的上盘向下盘推进时，不是到
了断层面后再爬坡，而是当综采面距断层面一定距
离处就开始以一定的仰角爬坡，割顶板岩层或顶
煤，留底煤，使得综采面推进到断层下盘时，其底
板正好为原推进的层位岩层，从而恢复到正常回
采，这样就可以消除或减小断层下盘弱变形区对综
采面回采的影响。
2．2 171301工作面过断层存在问题
171301工作面在回采过程中遇见F18断层，
采用采煤机破煤层顶、底板平整过渡，底板起伏坡
度不大于15。。如遇到比较硬的岩层，采煤机割不
动的情况下，采用放炮来破岩层，将采高严格控制
在4．5m左右。若断层交面在工作面上段和下段，
采煤机破断层上盘的顶板；若断层交面在工作面中
段，采煤机破断层下盘的底板、上盘的顶板，如图
4所示。由于171301工作面采用破顶破底的方法
过断层，而该面顶板为较为坚硬的砂岩，采煤机割
不动，不得不采用放炮来破岩层，造成工作面推进
速度慢；又由于过断层时平整过渡、未及时调整采
高造成割煤少、割矸多，经济效益差的局面。
2 171301工作面过断层方法及存在问题 3 1713O3工作面过断层合理方法确定
2．1 以往工作面过断层常用方法
以综采工作面过正断层、从上盘向下盘推进为
例来说明_9 J。当综采面从上盘接近断层面时，断
层破碎带弱变区(断层破碎带内煤层的范围)内
的煤层因破坏严重，其黏聚力几乎为零，故很容易
发生片帮，使端面空顶距增大，破碎的顶板岩层易
造成端面冒顶。当综采面推进到下盘后，需割底留
3．1 171303工作面过断层方法的提出
断层是影响煤炭开采重要的地质因素¨ 。F18
断层落差较大，达到17m，从而增加了回采的难
度。若处理不当，不仅会严重影响正常生产，还会
对井下工作人员造成一定的安全隐患。针对不同工
作面的具体情况，应采取相应过断层方法和措施，
最大限度地回收煤炭资源，提高工作面的产量和矿
井的经济效益。
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华心祝等：超长大采高综采面安全推过大断层合理方法研究 2013年第2期
171303工作面安全顺利通过断层影响区域，建立
了171303工作面过断层工作面爆破、机电设备及
工具使用、顶板管理、倒架、咬架走斜、防治水等
安全技术保障体系(图7)，从而保证工作面顺利
通过该大断层，实现了工作面过大断层连续推进，
提高了采出率，减少了巷道掘进量。
大采高综采面过断层安全技术保障体系
工作
面爆
破安
全技
术
机电
设备
及工
具使
用安
全技
未
顶板
管理
安全
技术
倒架
咬架
走斜
安全
技术
防治
水安
全技
未
其他
安全
技术
大采高综采面安全顺利通过大断层
图7 大采高综采面过大断层安全技术保障体系
4．2 工程实践效果分析
171301工作面采用挑顶兼卧底的方法通过该
断层，无论是在断层上盘还是断层下盘都会损失一
定的煤。171303工作面完全采用卧底的方法，只
-590
硼
— 61O
锄
在断层下盘有丢煤。可以看出工作面过断层时若坡
度过于平缓，则会造成每米推进煤量减少，矸石量
增加。所以，为了减少丢煤，在工作面刮板机及支
架能够调整的情况下，尽量加大调架力度，沿煤顶
推进，过断层时降低采高。例如可以沿图8中虚线
推进。
表1和表2分别为171301，171303工作面过
断层期间每米推进煤量、矸石量和损失煤量，可以
看出171301工作面每米推进掘出煤量和矸石量总
和约2600t，171303工作面每米推进掘出煤量和矸
石量总和约2260t，工作面推进过程中每米推进煤
量越少，那么每米推进矸石量就越多。通过对比可
以看出171301工作面在回采过程中遇见F18断层，
采用采煤机破煤层顶、底板平整过渡，每米推进煤
量较低，甚至不到每米推进矸石量的一半，造成每
米推进损失煤量高，矸石含量高，严重影响到煤
质，而且大量煤炭遗留在采空区，还会造成安全隐
患。171303工作面在过断层期间，根据断层产状，
采用卧底的方法，在断层下盘及时调整坡度留顶煤
破煤层底板。每米推进煤量较高，高于每米推进矸
石量。
图8 171303工作面过F18断层地质剖面
_590
- 6oo
— 6lO
蜘
表1 171301工作面过断层参数统计 表2 171303工作面过断层参数统计
5结论
(1)大采高综采面采用由断层上盘向断层推
进的方法通过断层，顶板则易于形成砌体梁式或传
递梁式平衡结构，工作面矿压显现不明显，对控制
顶板有利。
(2)当工作面顶板为较坚硬的砂岩，采煤机
割不动时，可以根据工作面具体地质条件，采用卧
底方法通过该断层。
(3)171301工作面采用采煤机破煤层顶、底
板平整过渡，每米推进煤量较低，造成每米推进损
失煤量高，矸石含量高。171303工作面采用卧底
的方法，在断层下盘及时调整坡度留顶煤破煤层底
板。每米推进煤量较高，每米推进矸石量减少。
(4)在采煤机、支架等设备允许的情况下过
(下转31页)
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汪永印等：急倾斜煤层采煤方法分析与改进措施 2013年第2期
应不大于14m。
3 应用效果及分析
3．1 应用实例
安徽淮南某矿126106／08联采面基本参数：回
风巷标高-260m，运输巷标高-330m，区段垂高合
计70m，走向长度350m，利用-295m标高腰巷将
工作面分成上、下两段，上段煤层平均厚度2．7m，
下段平均厚3．2m。煤层走向262～272。，煤层倾角
78～85。，局部直立。煤层顶底板均为泥砂岩互层，
遇水易膨胀。
矿井采用上下区段联合开采方案，上段架宽
2．4m，下段架宽2．9m，上下段煤炭分运，上段煤
炭由腰巷刮板输送机运出，下段煤炭由运输巷刮板
输送机运出。通过合理组织生产，工作面在6个月
内即安全回采完毕，除去工作面开切及收作时期，
工作面正常回采阶段，实现急倾斜层掩护支架工作
面日产煤逾千吨的较好成绩。
3．2 与小区段垂高回采方案的比较
若采用小区段垂高，即腰巷上、下区段分别布
置工作面回采，则产量下降50％ 。另外，下段回
采时期需新掘1条回风巷或采用沿空留巷技术维护
腰巷作为下段回风巷，即需新掘或维护巷道长度
350m，按1500 m费用计算，即节约巷道掘进
费用约52．5万元。
3．3 与溜煤斜巷回采方案的比较
由于区段高度较大，设置溜煤眼已经不合理，
若设置溜煤斜巷，按60m设置1条溜煤斜巷、工
作面走向长350m考虑，需设置6条溜煤斜巷，为
便于溜煤，斜巷坡度按30。考虑，区段垂高70m，
则每条斜巷长约140m，每条斜巷另需设置1条长
度为5m的联络巷及2条高度为3m的小眼(溜煤
及行人)共需掘进斜巷、联络巷、小眼长度合计6
× (140+5+2×3)=906m，则设置腰巷的回采方法
节约巷道长度为906-350=556m，按掘进费用1500
元／m计算，即节约巷道掘进费用约83．4万元。
4 结论及改进措施
采用上、下区段联合开采措施，在腰巷拆架、
回棚与摆架等工序的配合上对工作面施工管理要求
相对较高，但减少了溜煤斜巷等工程量，减少了下
段掩护支架运输工程量(上段拆下的掩护支架大
部分可直接用于下段安装)，提高了掩护支架工作
面对煤厚的适应性，提高了工作面单产，改善了工
作面安全状况，优点突出，具有推广价值。
目前，对于薄煤层，常采用“7”型掩护支
架。为解决薄煤层工作面通风断面过小的问题，部
分矿井在“一”字型掩护支架及“7”字型掩护支
架的基础上，组合两者的优势，形成四边形掩护支
架，从而部分扩大了急倾斜薄煤层回采工作面的通
风断面积，也具有一定的积极效果。
[参考文献]
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出版社，1999．
c责任编辑：周景林]
(上接21页)
大断层时尽可能加大仰采角度，不仅可以缩短过断
层割岩石的距离，而且还可以提高煤炭采出率。
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[责任编辑：周景林]

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