煤矿井下采煤工作面过断层应用分析

1、引言

近年来，地球物理探测、岩体力学、采矿工程等学科交叉融合且技术不断进步，使得工作面过断层技术有了显著进展，例如地质雷达、三维地震、钻探超前预测等技术让断层参数测定精度大大提高，基于数值模拟的应力分布分析给断层影响机理研究提供了有力工具，顶板离层监测、锚杆动态支护、液压支架优化设计等技术手段也让过断层时的顶板控制能力明显提升。不过煤矿地质条件复杂多变，所以到现在还没有形成系统完整的工作面过断层技术体系，并且不同类型断层的差异化处理策略研究也不够。

2、煤矿井下断层特征及其影响

2.1 断层类型及分布特征

煤矿井下断层依断层面倾角可划分成正断层、逆断层、走向断层这三大类型，中国矿业大学 2022 年调查国内主要煤田的数据表明，煤矿井下正断层最为常见且占比约 65% ，在受拉张应力的地方大量发育，逆断层次之占比约 25% 且常于挤压构造区出现，走向断层比例最小约为 10%_∘ 。看断距大小的话，断距小于 5 米的小断层占比最高达 73.5%，断距 5 到 20 米的中等断层占比约 21.2% ，断距超过 20 米的大断层占比仅 5.3%，不过大断层数量虽少但对煤矿生产的影响力最大。

断层的空间分布有很明显的规律性，常常成群呈带状分布进而形成断层带，拿华北煤田来说，其断层带宽度一般在 5-30 米之间且沿着走向能延伸几公里甚至几十公里，在垂直方向上还能穿过好几个煤层，研究表明断层密集区和区域构造演化关系紧密，就像鄂尔多斯盆地东缘受燕山运动影响断层发育密度比盆地中部高不少，最近五年深部开采的比例增加了使得断层发育规律更加复杂且隐伏断层的比例显著上升从而让精准探测面临新挑战。

2.2 断层对采煤工作面的影响

采煤工作面受断层影响主要体现在地质条件、工程条件与安全条件这三方面，就地质条件而言，断层会使煤层错断且位移从而改变原有赋存状态，进而让煤层厚度、倾角、走向发生改变，例如山西有个矿，一条断距15 米的正断层使得工作面煤层倾角从原先的 3 度突然变成 12 度，采煤设备稳定性明显降低，并且断层会破坏煤层连续性，造成煤层缺失区或者重复区，资源损失率也就随之增加，国内某大型煤炭企业 2021 年统计数据表明，断层影响区资源损失率平均比正常区域高大概 15% 。

工程条件和安全条件被断层 节理裂隙发育带出现，从而使顶板稳定性降低且冒 表明与断层有关的顶板事故占比达 32.5% ， 容易诱发冲击地压，断层也可能是瓦斯、水等有害 风险，近五年安全生产数据显示 60% 以上的煤矿瓦斯 比例能到 75%，所以科学认识断层影响机制并采取有针对性的防 层来说意义重大。

2.3 断层带煤岩体力学特性

正常区域的煤岩体与断层带的煤岩体在力学特性上差别明显，国内煤矿近五年的研究数据显示断层带煤岩体力学强度大大降低，抗压强度平均下滑 35%-55% 且抗拉强度降低 40%- 60% 、弹性模量也下降 50% 还多，并且断层带煤岩体的变形特性有很大改变，应力 - 应变曲线里弹性阶段变短、塑性变形能力变强但整体稳定性变差，而且断层带内常常发育好多组节理裂隙从而使煤岩体具有很强的各向异性，不同方向的力学性能存在3-5倍的差异[2]。

3、采煤工作面过断层技术方法

3.1 地质预测技术

工作面要安全过断层，准确预测断层参数是前提和基础，这几年物探和钻探相结合的综合预测技术成了主流，物探技术有地质雷达、矿井三维地震、高精度瞬变电磁法等，其中地质雷达技术利用高频电磁波在介质界面反射的原理探测断层，操作简单且实时性好，但探测深度有限，一般是 30 到 50 米，中国煤科院 2022 年的数据显示新一代地质雷达断层位置预测精度能到正负 1.5 米、断距预测精度能达到正负 0.5 米，而矿井三维地震技术探测深度大，能超过300 米，不过数据处理复杂且成本高。

近五年来，基于大数据与人工智能的综合预测技术一直是研究热点，2023 年山东能源集团开发出“智能地质构造预测系统”，该系统整合历史开采数据、地质勘探资料以及实时监测数据并利用深度学习算法构建预测模型，使得断层位置预测准确率达到95% 以上，从而为制定科学合理的过断层方案提供可靠依据。

3.2 采煤方法选择

确保工作面安全高效过断层的关键在于依据断层特征挑选合适的采煤方法，若断层断距较小（一般小于5 米），综采工作面可直接跨过但得调整采煤工艺参数，研究显示采高要适当降低 10%-15%、切深减少 20%-30% 且推进速度需控制在正常区域的 60%-70%，此外还要加强超前支护，通常把超前支护距离从常规的 3-5米加到6-8 米来应对断层带顶板稳定性变差的情况[3]。

断距中等（5-20 米）的断层可运用“短停采、快通过”策略，在接近断层前 30 到 50 米时就减速推进，进入断层带后停止采煤并只让工作面缓慢前行且要加强支护，待断层通过后再恢复常规生产，2021 年神东煤炭集团于布尔台煤矿用该方法顺利穿过一条断距12 米的正断层，从而安全高效地完成采区回采任务。

断距大于 20 米的断层一般来说得重新设计工作面布局，“预留煤柱隔离法”或者“分段回采法”都能派上用场，统计显示预留煤柱法虽然会使资源损失大概在 10%-15%，但是能让过断层的风险大大降低，所以如今处理大断层主要靠它，而分段回采法把断层两边各自当作独立的工作面来开采，虽说会增加巷道掘进量与设备搬迁次数，却能最大程度回收资源，中国矿业大学2023 年的研究表明这种法子能把资源损失率控制在5% 以内，在煤层厚、资源价值高的矿区尤其适用。

3.3 支护技术优化

过断层技术中，断层带支护作为核心环节与工作面安全息息相关，由于断层带顶板破碎且易于冒落，所以需要采取强化支护措施，其中锚网索联合支护是当下应用范围最广的技术，要提高支护强度可采取增加锚杆密度（从常规的 0.8-1.0 根 /m² 提升到 1.2-1.5 根 /m²）、加长锚杆长度（从 1.8-2.2 米延长到 2.5-3.0 米）、使用高强度锚杆（强度等级由 500MPa 提高至 630MPa 或者更高）等办法，而且还要配合运用大网眼金属网和 W 型钢带以增强锚杆间的协同效应。

智能支护以监测数据为基础是技术发展的 种新档回 022 年山东能源集团开发出“智能支护决策系统”，该系统能实时监测顶板离层、 动调整支架工作阻力与初撑力，使断层带支护参数得到动态优化，从而使支 板事故率下降大约 35%，另外在特殊地质条件下，可运用超前液压注浆、长锚索预加固之类的辅助技术以进一步增强断层带顶板的稳定性。

4、过断层采煤工艺实践与案例分析

4.1 工作面设计与布置

科学合理地设计与布置采煤工作面在很大程度上决定着过断层能否成功实施，中国煤炭工业协会近五年的统计数据显示大概 42% 的煤矿企业在开采时会遇到复杂断层带，此时若工作面设计合理则安全事故率可降低约 28%，工作面布置时要先依据断层参数确定走向，一般让工作面推进方向跟断层走向垂直或者大角度相交以减少断层对采煤工作面的影响，倾角大的断层适合用上山或者下山的方式布置工作面而倾角小的断层则适宜水平布置工作面。

确定工作面长度时得充分考量断层位置、断距大小、断层带宽度等因素，2019 到 2023 年的实践显示，在断层影响区域工作面长度不要过长，控制在 80 到 150 米比较合适才好保证工作面稳定安全，并且断层两边要设宽度足够的安全煤柱，宽度一般是断层带宽度的 1.5 到 2 倍能有效隔开断层给采煤工作面带来的不好影响从而保障生产安全[5]。

4.2 断层通过过程控制

采煤工作面安全高效过断层的关键在于断层通过的过程控制，中国矿业大学 2022 年发布的煤矿安全生产数据表明煤矿地质灾害事故总数中 31.7% 的事故发生在断层通过过程中，所以断层通过过程控制得遵循“超前探测、合理支护、缓慢推进、严密监测”这个原则，在断层到来之前要用物探、钻探之类的手段把断层参数精确测出来并构建断层地质模型以便给制定通过方案提供依据，并且随着工作面一步步靠近断层要增加探测次数、详细测定断层参数并且及时调整通过方案。

在穿断裂层的时候要依据断层种 小挑选恰当的穿过方式，若断距小于 5 米就是小断距断层，这种情况下连续穿过就行， 而断 这时候分段穿过比较合适，并且断距超过 15 米的大断距断层就得用特 类的，2020 年，中国煤炭科学研究总院研究发现，采煤速度适当 能有效削减穿断裂层时遭遇冲击地压的风险，另外还要强化像瓦斯、水害 监测工作 设置好多道监测防线以达成穿断裂层过程的全方位、全天候监控从而保证生产安全。

5、结论

煤矿井下采煤工作面过断层的 本研究所系统分析，并且通过科学合理地设计与布置工作面、严格控制断层通过过程以 采煤 作面过断层的可行性与有效性。研究发现，精确测定断层参数是实施过断层工艺的前提，合理布置工作面是安全高效过断层的基础，而严密的过程控制则是成功过断层的保障，这些研究成果给煤矿井下采煤工作面安全高效过断层提供了重要的理论指导和实践参考。

参考文献：

[1] 张超 ;. 煤矿井下采煤工作面过断层应用分析 [J]. 能源与节能 ,2022(07):172-174.

[2] 董博 ; 李旭 ; 史云 ; 党恩辉 ; 乔佳妮 ; 冯港归 ;. 一种多元数据融合的煤矿安全态势预测系统 [J]. 陕西煤炭 ,2025(02):169-174.

[3] 蒋邦友; 杜睿民; 左常清; 韩传磊; 刘建群;. 冲击地压煤层矿井间临近工作面相互采动影响分析[J].煤炭技术 ,2024(05):13-17.

[4] 吴浩波 ; 苌珂 ; 李韶彪 ;. 寺河煤矿大采高工作面过逆断层技术应用研究 [J]. 煤 ,2024(02):112-114.

[5] 冯智杰 ;. 基于综采工作面过断层采煤技术分析 [J]. 西部探矿工程 ,2024(01):145-147+151.

[6] 袁健博 ; 万晓 ; 刘志刚 ; 贾海宾 ; 尚文政 ; 杨田田 ;. 深部工作面上盘开采的断层煤柱应力演化特征分析 [J]. 矿业安全与环保 ,2024(06):110-115.