淺析采煤工作面斷層處災(zāi)害機(jī)理及防治 采礦工程畢業(yè)論

1、<p>　　淺析采煤工作面斷層處災(zāi)害機(jī)理及防治</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著煤炭產(chǎn)量的日益提高，工作面的推進(jìn)速度逐步加快，但斷層威脅也日趨嚴(yán)重。斷層處存在的頂板冒頂、突水、瓦斯突出三大礦下災(zāi)害，猶如三只老虎攔住了工作面的推進(jìn)，同時(shí)也是三座大山壓在了工人身上。本文初步系統(tǒng)分析了三大災(zāi)害的形成機(jī)制，提出了防治的有效措施。&l

2、t;/p><p>　　關(guān)鍵詞 斷層 頂板冒頂 突水 瓦斯突出 防治 </p><p><b>　　1 概述</b></p><p>　　最近幾年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，人民生活水平顯著提高，對(duì)能源的需求也呈現(xiàn)出前所未有的迫切。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2006年一次能源產(chǎn)量為22.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤，2007年產(chǎn)量為25.369億t標(biāo)準(zhǔn)煤。其中煤炭占

3、據(jù)主導(dǎo)地位，2006年產(chǎn)量突破23億t，預(yù)計(jì)2010年突破25億t，2020年突破30億t，而煤炭市場(chǎng)仍然保持供不應(yīng)求的局面。煤炭企業(yè)抓住大好時(shí)機(jī)，加產(chǎn)促產(chǎn)，工作面推進(jìn)呈加速狀態(tài)。</p><p>　　工作面的加速推進(jìn)，使各種地質(zhì)災(zāi)害的威脅相對(duì)加重。其中斷層及其附帶的頂板冒頂、突水、瓦斯突出尤為嚴(yán)重。它們或單一或綜合發(fā)生，嚴(yán)重制約了井下工人的生命安全保證和礦井的正常生產(chǎn)。2006年，煤礦死亡率為2.81人/百萬(wàn)t

4、；2007年煤礦死亡接近4000人。其中斷層誘發(fā)的傷亡占據(jù)不小的比例。</p><p>　　針對(duì)斷層及其危害的產(chǎn)生機(jī)理，采取有效的措施進(jìn)行必要的控制和治理勢(shì)在必行。工作面遇斷層的頂板冒頂主要有壓垮型、漏冒型和綜合型冒頂三種，對(duì)其頂板狀態(tài)參數(shù)與支護(hù)參數(shù)作科學(xué)分析，并進(jìn)行合理的采場(chǎng)控頂設(shè)計(jì)（本文針對(duì)綜采工作面，單體支柱工作面可作參考），冒頂事故是可以避免的；工作面突水主要是工作面遇斷層而溝通了上下巖層水力的聯(lián)系而造成

5、的，對(duì)其進(jìn)行提前監(jiān)測(cè)和處理是關(guān)鍵；瓦斯突出主要是由于斷層溝通了上下煤層的瓦斯流通，而當(dāng)工作面將近揭露斷層時(shí)，導(dǎo)致瓦斯三維受力不均，工作面?zhèn)让簩幼枇Σ蛔阋跃S持平衡致使瓦斯瞬間噴出造成的。對(duì)于以上三種危害，主動(dòng)采取有效的措施，都是可以避免或把損失降到最低程度的。</p><p>　　部分?jǐn)鄬邮怯幸娴模瑢?duì)水、瓦斯有控制作用，但針對(duì)有潛在危險(xiǎn)的斷層必須采取必要的措施。</p><p>　　2 工作

6、面斷層處冒頂機(jī)理及控制</p><p>　　在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，回采工作面遇有落差大于采高的走向斷層，可以斷層為界，將工作面分為上下二段，開(kāi)掘中間聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行回采。對(duì)于回采工作面遇有斷層落差大于采高的斜斷層，則要另掘開(kāi)切眼，使其搬到新工作面再進(jìn)行回采。</p><p>　　在平推硬過(guò)過(guò)程中，斷層上盤或下盤受采動(dòng)影響，失去“鉸接”狀態(tài)而呈現(xiàn)整體滑移。其壓力不是直接作用在工作面前方煤體和采空區(qū)矸石

7、上，而是給予支架比正常來(lái)壓要?jiǎng)×业膲毫︼@現(xiàn)；斷層往往附帶破碎帶，在采動(dòng)影響下，其漏冒的危險(xiǎn)性加大。因此，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定控制措施，提高安全系數(shù)。</p><p><b>　　2.1冒頂機(jī)理</b></p><p>　　1、斷層處壓垮型冒頂機(jī)理</p><p>　　斷層的切割，使支架上部處于周期來(lái)壓的頂板提前或遲緩性整體滑移下沉，致使支架

8、工作阻力不能及時(shí)滿足，造成壓跨支架事故。示意圖見(jiàn)圖1。</p><p>　?。?）工作面正常推進(jìn)，直接頂和老頂周期性垮落。此時(shí)前面已經(jīng)存在斷層，由于斷層兩盤間滑移，使老頂周期破斷垮落推遲。</p><p>　?。?）工作面繼續(xù)推進(jìn)，逐漸接近斷層，而支架前方的煤體脆性破裂，失去對(duì)頂板的支持力，使支架受力在短的時(shí)間內(nèi)增大，壓壞支架。</p><p>　　2、斷層處漏冒型

9、冒頂機(jī)理</p><p>　　該類型冒頂主要是當(dāng)斷層走向平行于工作面時(shí)較為突出。冒頂?shù)臈l件：</p><p><b>　　①直接頂異常破碎；</b></p><p><b>　　②煤層傾角較大。</b></p><p><b>　　冒頂機(jī)理：</b></p>&l

10、t;p>　　1）大面積漏垮型冒頂機(jī)理：主要是斷層破碎帶中的破碎頂板在大于其安息角的上面部分，受重力作用冒落，從而使支架失穩(wěn)傾倒，又使該支架控制的其余破碎頂也冒落。這種情況主要發(fā)生在大傾角走向長(zhǎng)壁采煤方法中。這種情況在綜采工作面中不常見(jiàn)。</p><p>　　2）靠煤壁附近冒頂機(jī)理：由于斷層破碎帶的存在，在一些煤層的直接頂中，存在“人字劈”、“升斗劈”或其他形狀的游離巖塊。在采煤機(jī)落煤后，如果支護(hù)不及時(shí)，端面

11、距過(guò)大，這類游離巖塊可能突然冒落砸人，造成冒頂事故。如圖2。</p><p>　　3、斷層處綜合類型冒頂機(jī)理</p><p>　　由于斷層構(gòu)造的存在，造成煤層直接頂中存在游離頂板及破碎帶的大量破碎頂板。這些游離頂板由原來(lái)的三軸受力變?yōu)閮上蚴芰Γ踔潦菃屋S受力，</p><p>　　圖1（a）工作面正常推進(jìn)</p><p>　　圖1（b）頂板滑

12、移下沉，支架壓壞</p><p>　　圖2 頂板中游離巖塊漏冒</p><p>　　從而整體失穩(wěn)，受采動(dòng)或周圍巖體破裂影響而運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致壓垮組合漏冒的綜合型冒頂。</p><p><b>　　2.2控制措施</b></p><p>　　任何控制措施都需要現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)工人具體地實(shí)施，需要充分發(fā)揮工人主動(dòng)積極性，需要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)管理

13、和問(wèn)責(zé)制的監(jiān)督。</p><p>　　1、為預(yù)防工作面斷層處發(fā)生壓垮型冒頂事故，應(yīng)采取下列措施：</p><p>　　（1）采場(chǎng)支架的支撐力應(yīng)能平衡最不利情況下垮落帶直接頂及老頂巖層的重量。</p><p>　　（2）采場(chǎng)支架的初撐力應(yīng)能保證直接頂與老頂之間不離層（專門試驗(yàn)表明，當(dāng)支架初撐力足夠大時(shí)，可令直接頂沿放頂線切斷而不在煤壁處斷裂，從而可保證直接頂與老頂之間

14、不離層）。</p><p>　　（3）采場(chǎng)支架可縮量應(yīng)能滿足裂隙帶老頂最大下沉的要求。</p><p>　　以上措施正是綜采工作面控頂設(shè)計(jì)中有關(guān)預(yù)防壓垮型冒頂?shù)闹匾瓌t。</p><p>　　2、預(yù)防斷層處漏冒型冒頂?shù)拇胧?lt;/p><p>　?。?）工作面采用掩護(hù)式、支撐掩護(hù)式液壓支架。</p><p>　?。?）大面

15、積漏冒在液壓支架支護(hù)工作面不易出現(xiàn)，主要出現(xiàn)在工作面與巷道接替處。為此，應(yīng)加強(qiáng)端頭支護(hù)，嚴(yán)禁端頭局部漏冒?？蛇\(yùn)用端頭支架，或者錨桿密集支護(hù)。</p><p>　?。?）靠煤壁附近局部冒頂?shù)念A(yù)防與控制：</p><p>　　①提高支架初撐力使端面冒高不超過(guò)300 mm；</p><p>　　②采用及時(shí)支護(hù)的移架方式（采煤機(jī)割煤后先移架再推移輸送機(jī)），并令端面距不超過(guò)3

16、40 mm；</p><p>　　③當(dāng)采高大于2.5～3.0 m時(shí)，支架應(yīng)帶護(hù)幫裝置，以免煤壁片幫擴(kuò)大無(wú)支護(hù)空間；</p><p>　?、苓^(guò)斷層破碎帶時(shí)，應(yīng)對(duì)破碎直接頂注入樹(shù)脂類粘結(jié)劑使其固化，以防止冒頂。</p><p>　　3、預(yù)防斷層處綜合類型冒頂</p><p>　　綜采工作面主要怕遇到長(zhǎng)度大于5 m的平行于工作面的斷層。此時(shí)，支架若

17、有較大的富裕阻力，工作面可照常推進(jìn)；若無(wú)，應(yīng)讓工作面與斷層斜交，或挑頂。</p><p>　　預(yù)防這類冒頂，可綜合采取以上兩種類型的防治措施。</p><p>　　總上，在制定冒頂防治措施時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，科學(xué)預(yù)報(bào)；科學(xué)設(shè)計(jì)選用有足夠初撐力和工作阻力的支架；帶壓移架。</p><p>　　2.3綜采工作面斷層處控頂設(shè)計(jì)</p><p>　　

18、舉例：陽(yáng)泉礦務(wù)局某礦煤層柱狀圖見(jiàn)圖3。實(shí)際測(cè)定81202工作面參數(shù)見(jiàn)表1。采區(qū)內(nèi)斷層較多，煤質(zhì)較軟。綜采采全高，初步選用液壓支架為支掩式BC520—25/47型，具體參數(shù)見(jiàn)表2。</p><p>　　表1 21202工作面參數(shù)</p><p>　　一、漏冒型冒頂?shù)目刂拼胧?lt;/p><p>　　具體措施參見(jiàn)2.2中的內(nèi)容，這里

19、不再贅述。</p><p>　　二、壓垮型冒頂?shù)目刂拼胧?lt;/p><p><b>　　1.確定垮落帶高度</b></p><p>　?、倏梢杂孟率剑ㄒ唬﹣?lái)判別進(jìn)入裂隙帶的老頂巖層。</p><p><b>　　公式（一）</b></p><p>　　式中：——由下而上第層老頂

20、巖層（基礎(chǔ)巖層）的厚度，m；</p><p>　　——由下而上第層老頂分層的厚度，m；</p><p><b>　　——煤層采高，m；</b></p><p>　　——老頂及其附加巖層的巖石</p><p>　　圖3 陽(yáng)泉某礦煤層柱狀圖 碎脹系數(shù)，取1.15～1.33；</p><p>

21、;　　——直接頂厚度，m；</p><p>　　——直接頂巖層的巖石碎脹系數(shù)，取1.33～1.5。</p><p>　　由柱狀圖可以判定第一層老頂為細(xì)砂巖，厚度為4.24 m，=4.24 m；直接頂可劃分為三個(gè)分層，=5.49 m；取1.15；=1.33；=3.80 m。代入公式（一）可得：</p><p><b>　　當(dāng)=1時(shí)</b><

22、/p><p>　　公式右邊=3.80-5.49×（1.33-1）+2</p><p><b>　　=3.99（m）</b></p><p>　　≥3.69，所以第一層老頂已經(jīng)進(jìn)入裂隙帶。</p><p>　　所以，垮落帶高度為5.49 m</p><p>　　由于第一層老頂上覆0.11 m煤

23、層，在支架反復(fù)支撐過(guò)程中，容易引起老頂離層破斷。</p><p>　?、谥Ъ艿墓ぷ髯枇?yīng)能支撐住工作空間及采空區(qū)上方垮落帶巖層的重量</p><p>　　設(shè)前方有一斷層平行于工作面，則考慮最不利情況，即取兩倍的周期步距。見(jiàn)示意圖4。在綜采工作面中，為支撐垮落帶巖重，支架所需工作阻力可按公式（二）計(jì)算。</p><p><b>　　公式（二） </b

24、></p><p>　　式中：——每架支架所控制的工作面長(zhǎng)度，取1.5 m/架；</p><p>　　——垮落帶直接頂巖層平均體積力，25 kN/ m3；</p><p>　　——垮落帶直接頂厚度，5.49 m；</p><p>　　——直接頂巖梁長(zhǎng)度，等于端面距、支架頂梁和前梁長(zhǎng)度之和與直接頂巖層在支架后的極限懸頂長(zhǎng)度（頁(yè)巖取1.0

25、m），5.1 m；</p><p>　　——垮落帶中該老頂及其附加巖層的平均體積力，25 kN/ m3；</p><p>　　——垮落帶中該老頂及其附加巖層的厚度，4.35 m；</p><p>　　——垮落帶中該老頂?shù)膸r塊長(zhǎng)度，23 m；</p><p>　　——煤層傾角，8°。</p><p>　　圖4

26、支架承受垮落帶巖重</p><p>　　可得：=1.5×（25×5.49×5.1+25×4.35×23）cos8°</p><p>　　=4755.15（kN）</p><p>　　可知，現(xiàn)有支架不能滿足安全需要，必須采取措施處理頂板。譬如，在工作面推進(jìn)距離達(dá)到周期步距時(shí)，如果周期來(lái)壓推遲，應(yīng)在支架放頂線處

27、進(jìn)行深孔爆破或進(jìn)行頂板注水軟化。</p><p>　?、壑Ъ艿某鯎瘟?yīng)能保持下位巖層與上位巖層之間不離層</p><p>　　下面以保持直接頂與老頂之間不離層為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。為使直接頂沿支架后端切斷，這時(shí)，在最小控頂距狀態(tài)下，支架初撐力必須滿足三個(gè)條件：</p><p>　　1）支架初撐力能平衡支架上方直接頂巖梁重量；</p><p>　　2）

28、支架后端的初撐力能平衡采空區(qū)上方將要被切斷的那段直接頂懸頂巖重；</p><p>　　3）支架初撐力所產(chǎn)生的主動(dòng)力矩能平衡工作空間上方及采空區(qū)上方直接頂巖梁所產(chǎn)生的力矩。</p><p>　　設(shè)平衡直接頂巖梁重量所需的支架初撐力為，則</p><p><b>　　公式（三）</b></p><p>　　式中：——每架支架

29、所控制的工作面長(zhǎng)度，取1.5 m/架；</p><p>　　——垮落帶直接頂巖層平均體積力，25 kN/ m3；</p><p>　　——垮落帶直接頂厚度，5.49 m；</p><p>　　——直接頂巖梁長(zhǎng)度，等于端面距、支架頂梁和前梁長(zhǎng)度之和與直接頂巖層在支架后的極限懸頂長(zhǎng)度（頁(yè)巖取1.0 m），5.1 m；</p><p>　　=1.5

30、×25×5.49×5.1×</p><p>　　=1039.75（kN）</p><p>　　設(shè)平衡直接頂巖梁所產(chǎn)生力矩所需的支架除撐力為，則</p><p><b>　　公式（四）</b></p><p>　　式中：——直接頂巖梁長(zhǎng)度，端面距、支架頂梁和前梁三者之和，4.1 m；

31、</p><p>　　——作用點(diǎn)距頂梁后端的距離（當(dāng)支架為單排立柱時(shí)，為立柱頂端至支架后端的距離；當(dāng)支架為雙排立柱時(shí)，建議為兩排立柱頂端的中點(diǎn)至支架后端的距離）1.42 m。</p><p>　　= 989.32（kN） </p><p>　　設(shè)平衡采空區(qū)上方將要被切斷那段直接頂懸頂巖重所需支架的初撐力為，可以判斷在、

32、、之中，最小，最大。</p><p>　　故所選用支架初撐力可以保證下位巖層與上位巖層之間不離層。</p><p>　　表2 液壓支架技術(shù)特征表</p><p>　?、壑Ъ艿目煽s量應(yīng)能適應(yīng)裂隙帶老頂?shù)南鲁?lt;/p><p>　　最大控頂距時(shí)，支架頂梁末端處的頂板最大下沉量△，參見(jiàn)圖5可按下式計(jì)算：</p

33、><p>　　△= 公式（五）</p><p>　　式中：——最大控頂距（采煤后未移架時(shí)的控頂距），5.80 m；</p><p>　　——裂隙帶老頂斷塊觸矸處的下沉量，可以通過(guò)下列公式進(jìn)行計(jì)算：。可得=1.98 m；</p><p>　　——裂隙帶老頂周期來(lái)壓

34、步距，一般大于10 m，計(jì)算時(shí)應(yīng)取實(shí)際數(shù)據(jù)，23 m。</p><p>　　圖5 受裂隙帶影響的頂板下沉量</p><p><b>　　△=</b></p><p><b>　　=0.50（m）</b></p><p>　　所需支架最大高度按下式求得：</p><p><

35、;b>　　公式（六）</b></p><p>　　式中：——煤層最大采高，3.80 m。</p><p><b>　　=3.80（m）</b></p><p>　　所需支架最小高度可按下式求得。</p><p><b>　　△-</b></p><p>　　

36、式中：——煤層最小采高，3.50 m；</p><p>　　——卸載高度，可取0.05 m。</p><p>　　=3.50-0.50-0.05</p><p><b>　　=2.95（m）</b></p><p>　　所選支架伸縮量可以滿足需要。</p><p>　　④綜采放頂煤工作面控頂設(shè)計(jì)特

37、點(diǎn)</p><p>　　綜采放頂煤時(shí)，其頂板條件，頂板事故及預(yù)防，以及確定支架工作阻力、初撐力與支架高度的準(zhǔn)則，與一般綜采基本相同，但為確保支架安全過(guò)斷層，在進(jìn)行控頂設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加入斷層的影響。特點(diǎn)。</p><p>　　1）放頂煤的采高大，等于割煤和放頂煤的高度之和，垮落和裂隙帶上移，遇到斷層之后，頂板控制難度加大。因此，在確定垮落帶和裂隙帶的高度時(shí)，可取1.33～1.5，可取1.5～1.

38、7。</p><p>　　2）綜采放頂煤時(shí)頂煤必然軟弱破碎，因此支架初撐力應(yīng)比一般掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式大些。為防止老頂沖擊推倒支架，綜采放頂煤支架的機(jī)械強(qiáng)度和防倒性能應(yīng)比一般支架強(qiáng)一些。</p><p>　?、輪误w支柱工作面控頂設(shè)計(jì)可參考以上內(nèi)容。</p><p>　　3 工作面斷層處突水機(jī)理及控制</p><p>　　1984年6月2日，開(kāi)灤

39、范各莊煤礦2171工作面突水，水量達(dá)到2053 m3/min。</p><p>　　2005年廣東興寧大興煤礦工作面特大突水，被困123人全部遇難。</p><p>　　山東肥城楊莊礦9101工作面揭露斷層，造成突水73.5 m3/min。</p><p><b>　　……………</b></p><p>　　過(guò)去20年間

40、，我國(guó)250多對(duì)礦井突水被淹。</p><p>　　3.1斷層處突水機(jī)理</p><p>　　斷層處突水主要包括頂板突水和底板突水。</p><p>　　煤礦生產(chǎn)中的采掘活動(dòng)，都是在煤層之內(nèi)和附近進(jìn)行的，所以揭露較大的斷層機(jī)會(huì)不多，而30m斷距以下的小斷層是經(jīng)常遇到的，據(jù)分析礦區(qū)底板突水事例，其中接近斷層或接觸斷層發(fā)生突水占80%,斷層的存在往往為突水</p&

41、gt;<p>　　創(chuàng)造了條件。突水機(jī)理歸結(jié)如下，詳見(jiàn)示意圖6。</p><p>　?。?）斷層兩盤的上升和下降，縮短了含水層與煤層的間距，原來(lái)理論設(shè)計(jì)的防水措施失效。</p><p>　?。?）斷層伴生的裂隙削弱了隔水層的抗壓強(qiáng)度，把原來(lái)沒(méi)有水力聯(lián)系的巖層溝通而增強(qiáng)了地下水的交替運(yùn)動(dòng)，為裂隙溶洞的發(fā)育創(chuàng)造了條件，增加了地下水的靜儲(chǔ)量，增強(qiáng)了含水層的富水性。</p>

42、<p>　　（3）有限元計(jì)算結(jié)果表明，斷層面作為巖體中的一個(gè)弱面，在其周圍產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，斷裂帶附近的巖體最先產(chǎn)生塑性變形及采動(dòng)裂隙。</p><p>　?。?）斷層或斷裂構(gòu)造的存在，將導(dǎo)致一定厚度的斷層或斷裂破碎帶的存在，這些破碎帶物質(zhì)長(zhǎng)期受到含水層水的浸泡作用，其強(qiáng)度必會(huì)大大降低，這就必然形成一個(gè)弱化的導(dǎo)水通道，加上開(kāi)采活動(dòng)的影響，使其阻水能力大大降低。</p><p&g

43、t;　　圖6 工作面斷層處突水機(jī)理</p><p>　　斷層的存在，并不意味著遇斷層馬上突水。大量突水資料表明，導(dǎo)水?dāng)嗔淹纬缮畈块_(kāi)采滯后突水，即隨著采掘工程活動(dòng)的延長(zhǎng)，煤層底板巖體的斷層帶物質(zhì)在奧灰高承壓水和礦壓的長(zhǎng)期作用下，其強(qiáng)度逐漸降低，而且隨著采掘工程的繼續(xù)，被弱化的斷層帶物質(zhì)會(huì)逐漸由下向上擴(kuò)展，范圍不斷擴(kuò)大，即位于斷層帶的奧灰水導(dǎo)升高度逐漸向上發(fā)育，最后當(dāng)與礦壓采動(dòng)破壞帶相連通時(shí)，導(dǎo)致煤層底板突水災(zāi)害

44、的發(fā)生。</p><p>　　2005年廣東興寧大興煤礦工作面特大突水，其突水機(jī)理為：防水煤柱受斷層破碎帶的影響，在上部水壓、采動(dòng)礦壓、煤層自重、地下水的聯(lián)合動(dòng)力作用下，破碎的巖體沿垂向固有構(gòu)造裂隙面向上塌落形成橢圓形柱體，待形成自然平衡拱后塌陷垮落停止，上覆巖層得到暫時(shí)穩(wěn)定；隨著采煤工作面的不斷擴(kuò)大，自然平衡拱被再一次打破，橢圓形柱體內(nèi)的垮落繼續(xù)向上發(fā)展，直至最后的關(guān)鍵層破壞或破碎達(dá)到臨界突水系數(shù)而發(fā)生突水．&

45、lt;/p><p>　　2006年12月16日5時(shí)15分，河北省金能集團(tuán)井陘礦務(wù)局臨城煤礦發(fā)生突水，造成全礦井淹沒(méi)。該礦屬國(guó)有重點(diǎn)煤礦，初步分析事故直接原因是：一處工作面小斷層發(fā)育，底板破碎，在回采過(guò)程中，由于礦壓和底板承壓水的作用，使底板奧陶系灰?guī)r發(fā)生突水，導(dǎo)致淹井。</p><p>　　工作面在回采過(guò)程當(dāng)中，尤其是在多斷層地帶，應(yīng)堅(jiān)持有疑必探，先探后采的原則。</p><

46、;p>　　3.2斷層處突水防治措施</p><p>　　防水措施的制定必須科學(xué)，與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合起來(lái)，一旦制定，必須認(rèn)真實(shí)施。綜合現(xiàn)代治突水措施，現(xiàn)總結(jié)如下：</p><p><b>　　(一)探水先行。</b></p><p>　　(1)探放斷層水的原則</p><p>　　凡遇下列情況必須探水：</p>

47、<p>　　①工作面前方或附近有含(導(dǎo))水?dāng)鄬哟嬖冢唧w位置不清或控制不夠嚴(yán)密時(shí)。</p><p>　　②工作面前方或附近預(yù)測(cè)有斷層存在，但其位置和含(導(dǎo))水性不清，可能發(fā)生突水事故時(shí)。</p><p>　　③工作面底板隔水層厚度與實(shí)際承受的水壓都處于I臨界狀態(tài)(即安全隔水層厚度和安全水壓的臨界值)，在采煤工作面前方和采面影響范圍內(nèi)，是否有斷層情況不清，一旦觸及很可能發(fā)生突水

48、事故時(shí)。</p><p>　?、軘鄬右驯幌锏澜衣痘虼┻^(guò)，暫時(shí)沒(méi)有出水跡象，但由于隔水層厚度和實(shí)際水壓已接近臨界狀態(tài)，在采動(dòng)影響下，有可能導(dǎo)致斷層活化并引起突</p><p>　　水，需要探明在深部其是否已與強(qiáng)含水層或底板水導(dǎo)升高度相連通時(shí)。</p><p>　　⑤根據(jù)井巷工程和自設(shè)斷層防水煤柱等的特殊要求，必須探明斷層時(shí)。</p><p>　

49、　⑥工作面距已知含水?dāng)鄬?0 m時(shí)。</p><p>　?、吖ぷ髅娼咏茢嗪?dāng)鄬?00 m時(shí)。</p><p>　?、嗖蓞^(qū)內(nèi)小斷層使煤層與強(qiáng)含水層的距離縮短時(shí)。</p><p>　?、岵蓞^(qū)內(nèi)構(gòu)造不明，含水層水壓又大于2～3 MPa時(shí)。</p><p>　　⑩工作面上方隔水層較薄，而地表有水體時(shí)。</p><p>　　

50、(2)探查的主要內(nèi)容</p><p>　　探斷層水的鉆孔應(yīng)與探斷層構(gòu)造孔結(jié)合起來(lái)，需查明的具體內(nèi)容如下： </p><p>　　①斷層的位置、產(chǎn)狀要素、斷層帶寬度(包括內(nèi)、中和外三帶)及伴(或派)生構(gòu)造和其導(dǎo)水、富水性等。</p><p>　?、跀鄬訋У某涮钗铩⒊涮畛潭?、膠結(jié)物和膠結(jié)程度，斷層兩盤外帶裂隙、巖溶發(fā)育情況及其富水性。</p><p&

51、gt;　?、蹟鄬觾杀P對(duì)接部位巖性及其富水性，煤層與強(qiáng)含水層的實(shí)際間距(即隔水層的厚度)。</p><p>　?、軘鄬优c其他含(導(dǎo))水?dāng)鄬印⑾萋渲蚱渌w交切部位及其富水性。</p><p>　?、萑鐬榀B瓦式斷層，應(yīng)確定其綜合斷距。</p><p>　　⑦查明并記錄探斷層水鉆孔在不同深度的水壓、水量或沖洗液漏失量，并確定或判斷底板水在隔水層中的導(dǎo)升高度。</p

52、><p>　　為探明以上內(nèi)容，應(yīng)首先提供斷層面等高線圖及兩盤主要煤層、含水層對(duì)接關(guān)系圖，探測(cè)斷層預(yù)想剖面圖。</p><p><b>　　（3）鉆孔布置</b></p><p>　　探水作業(yè)前必須認(rèn)真學(xué)習(xí)《煤礦安全規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定，安全操作。</p><p>　　1）在工作面進(jìn)、回風(fēng)巷道中，每間隔30 m布置一個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)

53、以平面夾角15°，鉆3個(gè)孔。確定斷層走向、傾向、傾角和斷層的落差及兩盤的對(duì)接關(guān)系。其中至少有一個(gè)孔打在斷層與含水層交面線附近，見(jiàn)圖7。</p><p>　　2）如果在工作面上方有巷道或由該巷道引出獨(dú)頭巷道，布置鉆場(chǎng)上下鉆孔，見(jiàn)圖8。</p><p>　　根據(jù)鉆孔所獲得的靜水壓力和隔水層厚度等參數(shù)，確定防治水的措施。</p><p>　　表3

54、 突水等級(jí)表</p><p><b>　　圖7 鉆孔布置圖</b></p><p>　　圖8 上部巷道布置鉆場(chǎng)</p><p>　　3）為了提高鉆探的效率和準(zhǔn)確性，減少盲目的鉆探帶來(lái)的損失，應(yīng)積極采用科學(xué)的探測(cè)方法配合鉆探?，F(xiàn)代最為有前途的有礦井瞬變電磁法和地震勘探技術(shù)。</p><p>　　

55、2005年采用礦井瞬變電磁法先后對(duì)皖北煤電有限公司任樓煤礦、祁東煤礦、安徽恒源煤電股份有限公司、山東棗莊礦業(yè)集團(tuán)公司等煤礦煤層頂、底板富水構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)，和以往沒(méi)采用該方法相比大大減少鉆孔數(shù)量，降低成本，為煤礦防治水工作提供可靠地質(zhì)資料，避免工作面煤層底板突水事故發(fā)生。完成探測(cè)測(cè)線長(zhǎng)度約56000m，工作面在未做礦井瞬變電磁探測(cè)工作前一般在巷道內(nèi)每隔50m布置一個(gè)鉆孔對(duì)頂、底板進(jìn)行注漿或防水，而根據(jù)礦井瞬變電磁探測(cè)結(jié)果，對(duì)有異常區(qū)域布置鉆

56、孔，無(wú)異常區(qū)域不用布置鉆孔，按工作面百米巷道少布置1.5個(gè)鉆孔（根據(jù)多年礦井瞬變電磁探測(cè)結(jié)果和需要布置鉆孔數(shù)量分析）每個(gè)鉆孔平均深度100m、鉆孔按300元/m成本計(jì)算，共節(jié)約費(fèi)用720萬(wàn)元，不僅給本礦生產(chǎn)節(jié)約大量的時(shí)間和成本，同時(shí)帶來(lái)巨大的社會(huì)效益。</p><p>　　淮北礦務(wù)局朱仙莊礦，采區(qū)地震勘探之前依據(jù)精查地質(zhì)報(bào)告提供的資料預(yù)測(cè)第五含水層賦水面積約500 km2左右，需留防水煤柱預(yù)計(jì)約5000×

57、;104 t左右。經(jīng)采區(qū)地震勘探查清了第五含水層賦水僅有8 km2，同時(shí)新查清了塔橋斷層，落差600～1000 m，傾解70°，不但不導(dǎo)水反而隔水，解放原預(yù)留防水煤柱煤炭3000多萬(wàn) t，如按100元／t測(cè)算直接經(jīng)濟(jì)效益30億元，并減少防治水費(fèi)投資1000多萬(wàn)元。</p><p>　　這兩種技術(shù)具體使用和操作可參看有關(guān)書(shū)籍，這里不再多做介紹。</p><p>　?。ǘ鄬犹幫凰?/p>

58、防治措施</p><p>　　目前的防治措施主要有疏放降壓技術(shù)、礦井注漿技術(shù)。</p><p>　　1）降壓技術(shù)包括巷道疏放、鉆孔疏放和聯(lián)合疏放。</p><p>　?、佼?dāng)煤層頂板或底板中有含水層時(shí)，可考慮把準(zhǔn)備巷道提前掘出、把巷道布置在底板含水巖層中，進(jìn)行疏放含水層水。具體布置示意圖見(jiàn)圖9。</p><p>　　圖9 疏放水巷道布置示意圖&

59、lt;/p><p><b>　　②鉆孔疏放</b></p><p>　　我國(guó)不少煤礦煤層上部為砂巖裂隙含水層，其中裂隙水常沿裂縫進(jìn)入采掘工作面，造成頂板滴水和淋水，影響采掘作業(yè)，甚至在礦山壓力作用下，伴隨著回采放頂導(dǎo)致大量水涌入井下，造成停產(chǎn)和人身事故。</p><p>　　巷道頂部離含水層在15～20 m的情況下，可采用打入式過(guò)濾器疏放巷道頂部含

60、水沙層或承壓含水層水（見(jiàn)圖9）。即在巷道中每隔一定距離向頂板上打鉆孔，終孔時(shí)立即將打入式過(guò)濾器的濾管沿鉆孔壓入含水層，使頂板水泄入巷道，通過(guò)排水溝向外排出。</p><p>　　含水層離煤層較遠(yuǎn)，大于30 m時(shí)，且水量與水壓均較大，為消除頂板水的威脅，可由地面打鉆孔，向下穿過(guò)含水層并與井下疏放巷道或排水硐室相通，將頂板水有節(jié)制地泄入井下疏放巷道或排水硐室，然后把水排出地面，此法稱直通式放水見(jiàn)圖10。</p&

61、gt;<p>　　圖9 打入式過(guò)濾器 圖10 直通式放水鉆孔</p><p>　?、劬C合運(yùn)用以上兩種疏放技術(shù)，稱聯(lián)合疏放。</p><p>　　2）礦井注漿堵水技術(shù)</p><p>　　當(dāng)涌水量很大，僅僅依靠排水已不可能或不經(jīng)濟(jì)時(shí)，注漿堵截水源通道，然后再進(jìn)行排水。注漿堵水就是將水泥漿或化學(xué)漿通過(guò)管道壓入井下巖層空隙、裂隙

62、或巷道中，使其擴(kuò)散、凝固和硬化，從而巖層具有較高的強(qiáng)度、密實(shí)性和不透水性，達(dá)到封堵截?cái)嘌a(bǔ)給水源和加固地層的作用，是礦井防治水害的重要手段之一。工作面斷層處注漿堵水過(guò)程如下：</p><p><b>　　①注漿材料：</b></p><p>　　骨料+單液水泥漿，骨料+水泥—水玻璃漿和骨料+水泥粘土漿。其中骨料的品種與粒徑可視具體情況而定。</p><

63、;p><b>　?、谧{步驟：</b></p><p>　　1.裂隙發(fā)育較均勻，含水層距地表近且厚度不大時(shí)可采用全段一次注漿；當(dāng)注漿深度大，穿過(guò)裂隙大小不同的多個(gè)含水層時(shí)，可采用分段注漿。注漿方式包括上行式和下行式兩種。</p><p>　　2.注漿前壓水。注漿壓水目的在于將裂隙中松軟的泥質(zhì)充填物推送到注漿范圍以外，從而提高注漿質(zhì)量和堵水效果，見(jiàn)表4。</

64、p><p>　　3.下放止?jié){塞及注漿</p><p>　　止?jié){塞放至規(guī)定位置后，接好輸漿管，壓縮膠塞止?jié){并經(jīng)壓水試驗(yàn)檢查</p><p>　　表4 裂隙與注水關(guān)系</p><p>　　好，即可進(jìn)行注漿。注漿過(guò)程中應(yīng)特別注意堵漿、跑漿及冒漿，對(duì)待不同情況采取相應(yīng)措施。</p><p&g

65、t;<b>　?、圩{參數(shù)</b></p><p>　　1.漿液擴(kuò)散半徑：據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，裂隙地層平均為4 m～8 m。</p><p>　　2.注漿壓力：注漿壓力的提高可以保證注漿效果。注漿壓力應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)條件確定，即根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)反復(fù)確定。一般為靜水壓力的2～2.5倍。</p><p>　　3.漿液注入量：該值可根據(jù)下式進(jìn)行粗略計(jì)算。<

66、/p><p><b>　　公式（七）</b></p><p>　　式中：——漿液注入量，m3；</p><p>　　——漿液擴(kuò)散半徑，m；</p><p><b>　　——裂隙率，%；</b></p><p><b>　　——注漿段高，m；</b></

67、p><p>　　——漿液在裂隙內(nèi)有效充填系數(shù)，0.9～0.95；</p><p>　　——漿液消耗系數(shù)，一般取1.2～1.3。</p><p>　　4.注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，一般為受注含水層水壓的1.6～2.5倍，吸漿量小于80 L/ min，時(shí)間不小于30 min即可。</p><p><b>　　說(shuō)明：</b&g

68、t;</p><p>　?。?）綜合應(yīng)用兩種技術(shù)，可以使排水效果更好。</p><p>　?。?）含水?dāng)鄬虞^多的工作面應(yīng)采取必要的防水措施，增添必要的排水設(shè)備；綜采設(shè)備部件敞開(kāi)處必須防水。</p><p>　?。?）以上探放水技術(shù)同樣適合采空區(qū)，必須加強(qiáng)采空區(qū)的探放水，才能確保工作面甚至全礦井的安全生產(chǎn)，決不可以顧此失彼。</p><p>　

69、　4 工作面斷層處瓦斯突出機(jī)理和防治措施</p><p>　　與各主要產(chǎn)煤國(guó)相比，我國(guó)的煤炭賦存條件較差。95%以上是井工礦，其中高瓦斯和瓦斯突出礦井占一半左右，煤層有自燃發(fā)火的礦井占50%以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)瓦斯突出地點(diǎn)發(fā)生在采煤工作面的概率為15.8%。近幾年采煤工作面發(fā)生突出的次數(shù)有明顯增多的趨勢(shì)。</p><p>　　據(jù)平頂山礦區(qū)統(tǒng)計(jì)，在55次突出中有43次突出發(fā)生在礦井構(gòu)造小斷層附

70、近，占突出總數(shù)的78%，而且突出點(diǎn)煤層層理紊亂，煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，突出點(diǎn)構(gòu)造煤厚度增加。尤其是中小型地質(zhì)構(gòu)造及構(gòu)造尖滅端突出集中分布，如十二礦160采區(qū)受牛莊逆斷層尖滅端的影響，己15－17—16101采面掘進(jìn)時(shí)發(fā)生10次突出。八礦己三采區(qū)受辛店正斷層尖滅端影響，己15－17—13170采面掘進(jìn)時(shí)發(fā)生8次突出。兩個(gè)采面受到兩條斷層的影響，形成礦區(qū)內(nèi)兩個(gè)高突面。</p><p>　　4.1工作面斷層處瓦斯突出機(jī)理&

71、lt;/p><p>　　瓦斯突出是煤與瓦斯突出的簡(jiǎn)稱。瓦斯突出是由量的積累和采動(dòng)的影響促成的。</p><p>　　1）工作面上下煤層的采掘活動(dòng)破壞了煤層的原有應(yīng)力分布，使裂隙擴(kuò)展，增大了煤體的分裂；</p><p>　　2）改變了原有瓦斯的賦存狀態(tài)，使游離態(tài)瓦斯增多；</p><p>　　3）瓦斯的涌出更加劇了裂隙的擴(kuò)展，使更多的裂隙貫通，形成

72、了瓦斯流動(dòng)的通路，最終上下煤層與回采煤層中的瓦斯形成一體；</p><p>　　4）斷層的存在為瓦斯提供了儲(chǔ)存的“氣罐”，隨著周圍瓦斯的匯集，裂隙內(nèi)部瓦斯的壓力逐步升高；</p><p>　　5）工作面的推進(jìn)促使了前方煤體的破裂，降低了煤體本身的抗壓抗拉伸強(qiáng)度，增大了煤體的透氣性；</p><p>　　6）隨著斷層處靠近工作面?zhèn)让后w的不斷回采，剩有煤體在瓦斯的壓力下

73、由壓縮狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變成拉伸狀態(tài)，具有了彈性勢(shì)能，達(dá)到極限時(shí)突出。</p><p>　　因此，我們采取防治措施時(shí)，應(yīng)從開(kāi)“通路”和絕“氣源”的角度出發(fā)。</p><p>　　4.1工作面斷層處瓦斯突出防治措施</p><p>　　防突措施包括兩大類。實(shí)施以后可使較大范圍煤層消除突出危險(xiǎn)性的措施，稱為區(qū)域性防突措施；實(shí)施以后可使局部區(qū)域（如掘進(jìn)工作面）消除突出危險(xiǎn)性的措施

74、稱為局部防突措施。</p><p>　?。ㄒ唬﹨^(qū)域性防突措施主要有開(kāi)采保護(hù)層、預(yù)抽煤層瓦斯和煤層注水。</p><p>　　在突出礦井中，預(yù)先開(kāi)采的、并能使其他相鄰的有突出危險(xiǎn)的煤層受到采動(dòng)影響而減少或喪失突出危險(xiǎn)的煤層稱為保護(hù)層，后開(kāi)采的煤層稱為被保護(hù)層。開(kāi)采保護(hù)層是預(yù)防突出最有效、最經(jīng)濟(jì)的措施。</p><p>　　開(kāi)采保護(hù)層的關(guān)鍵是選擇保護(hù)層。選擇的方法如下：

75、</p><p>　　①首先考慮上保護(hù)層，使采煤方式符合盡量符合下行的開(kāi)采順序。</p><p>　　②選擇突出危險(xiǎn)性低的煤層，開(kāi)采該層時(shí)，也要采取必要的防突措施。</p><p>　?、鄣V井中所有可采煤層都具有嚴(yán)重突出危險(xiǎn)時(shí)，也可以選擇不可采的突出危險(xiǎn)性低的煤層作為保護(hù)層。</p><p>　?、荛_(kāi)采保護(hù)層時(shí)，應(yīng)同時(shí)抽放被保護(hù)層的瓦斯。&l

76、t;/p><p>　　開(kāi)采保護(hù)層配合被保護(hù)層的抽放，可以有效地增加瓦斯流通的路徑，減少斷層處瓦斯的聚集。</p><p><b>　?。ǘ┚植糠劳淮胧?lt;/b></p><p>　　局部防突措施的主要作用是卸出或降低采掘工作面中的煤體應(yīng)力和排放瓦斯。這些措施有松動(dòng)爆破、局部抽放瓦斯、水力沖孔、排放鉆孔、金屬骨架、煤層注水、超前鉆孔、卸壓槽等。<

77、;/p><p><b>　?。?）松動(dòng)爆破</b></p><p>　　松動(dòng)爆破是在工作面前方的應(yīng)力集中區(qū)，打鉆孔裝藥爆破，加快瓦斯的排放，降低斷層中的瓦斯壓力，預(yù)防工作面接近斷層時(shí)造成突出。</p><p>　　陽(yáng)泉一礦3號(hào)煤層試驗(yàn)工作面的條件下，采用長(zhǎng)鉆孔控制松動(dòng)爆破，既在回采工作面巷道打平行于工作面的爆破孔也取得了較好的效果。其參數(shù)為：爆破孔

78、長(zhǎng)度30 m、直徑73 mm，鉆孔傾角1°～3°、封孔長(zhǎng)度7～10 m、爆破孔距工作面距離13～15 m。</p><p><b>　?。?）抽放瓦斯</b></p><p>　　在斷層密布采區(qū)，可以預(yù)防性的布置部分探放孔，測(cè)定瓦斯壓力，分析斷層的產(chǎn)狀。確定有突出危險(xiǎn)性的預(yù)兆，適當(dāng)加大鉆孔布置密度，強(qiáng)力抽放瓦斯。鉆孔的布置方式有鉆場(chǎng)平面扇形鉆孔、底

79、板巖巷穿層鉆孔、正向平行鉆孔和迎面順層鉆孔四種方式。結(jié)合工作面的巷道布置特點(diǎn)，并充分考慮預(yù)抽鉆孔的邊采邊抽效率，選擇適合的布置方式。</p><p>　　屯城煤礦選擇迎面順層鉆孔方式作為屯城煤礦優(yōu)化鉆孔布孔方式。具體布孔方法：利用工作面回風(fēng)巷，向回采工作面切眼方向打迎面平行鉆孔，鉆孔方式為雙排三花眼式，如圖11示。</p><p><b>　?。?）煤層注水</b>&

80、lt;/p><p>　　在斷層周圍煤體中注水，可以擴(kuò)展裂隙，擠出游離瓦斯，使瓦斯釋放效果更好，同時(shí)使煤體濕潤(rùn)，降低了粉塵的濃度。</p><p><b>　　其他技術(shù)不再論述。</b></p><p>　　其中，防治瓦斯突出的關(guān)鍵在于科學(xué)預(yù)測(cè)和防治，提高操作人員的安全負(fù)責(zé)意識(shí)；堅(jiān)決執(zhí)行“四位一體”，實(shí)現(xiàn)“三專兩閉鎖”，有疑及時(shí)匯報(bào)，有險(xiǎn)必須解決。災(zāi)

81、害都可以解決。</p><p>　　圖1 回采工作面本煤層瓦斯抽放鉆孔布置示意圖</p><p>　　小結(jié)：斷層及其附帶的地質(zhì)災(zāi)害是困擾工作面推進(jìn)的主要障礙，科學(xué)分析其形成機(jī)理，設(shè)計(jì)實(shí)施合理的防治措施，都可以予以很好的避免和解決，為提高工作面的產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。</p><p><b>　　一通三防</b></p><p&g

82、t;　　重慶市南川市云華煤炭有限責(zé)任公司，在開(kāi)采有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的單一煤層時(shí)，沒(méi)有建立瓦斯抽放系統(tǒng)，瓦斯傳感器數(shù)量太少，有些作業(yè)地點(diǎn)沒(méi)有安裝，導(dǎo)致“1.16”特大煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，死亡12人。</p><p>　　國(guó)有煤礦安全欠帳多。多年來(lái)，由于行業(yè)管理弱化，煤炭生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)困難，企業(yè)安全投入欠帳很多，據(jù)對(duì)45戶國(guó)有重點(diǎn)煤礦和125戶地方國(guó)有煤礦的調(diào)查測(cè)算，全國(guó)國(guó)有煤礦安全欠帳約505億元。許多國(guó)有煤礦，經(jīng)過(guò)

83、幾十年的開(kāi)采，已進(jìn)入衰老期；主要生產(chǎn)設(shè)備老化、超期服役的約占1/3。一些老煤礦井下使用的通風(fēng)、提升運(yùn)輸和防爆電器等設(shè)備，許多還是上個(gè)世紀(jì)60年代的產(chǎn)品，不能保障安全。</p><p>　　2007 年4 月6 日20 時(shí)35 分，湖南省煤業(yè)集團(tuán)金竹山礦業(yè)有限公司一平</p><p>　　峒煤礦25 采區(qū)回風(fēng)巷發(fā)生煤與瓦斯突出事故，造成4 人死亡。</p><p>