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淺析采煤工作面斷層處災害機理及防治
摘要
隨著煤炭產(chǎn)量的日益提高，工作面的推進速度逐步加快，但斷層威脅也日趨嚴重。斷層處存在的頂板冒頂、突水、瓦斯突出三大礦下災害，猶如三只老虎攔住了工作面的推進，同時也是三座大山壓在了工人身上。本文初步系統(tǒng)分析了三大災害的形成機制，提出了防治的有效措施。
關鍵詞 斷層 頂板冒頂 突水 瓦斯突出 防治
1 概述
最近幾年，我國經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，人民生活水平顯著提高，對能源的需求也呈現(xiàn)出前所未有的迫切。據(jù)統(tǒng)計，我國2006年一次能源產(chǎn)量為22.1億t標準煤，2007年產(chǎn)量為25.369億t標準煤。其中煤炭占據(jù)主導地位，2006年產(chǎn)量突破23億t，預計2010年突破25億t，2020年突破30億t，而煤炭市場仍然保持供不應求的局面。煤炭企業(yè)抓住大好時機，加產(chǎn)促產(chǎn)，工作面推進呈加速狀態(tài)。
工作面的加速推進，使各種地質(zhì)災害的威脅相對加重。其中斷層及其附帶的頂板冒頂、突水、瓦斯突出尤為嚴重。它們或單一或綜合發(fā)生，嚴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t；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。
針對斷層及其危害的產(chǎn)生機理，采取有效的措施進行必要的控制和治理勢在必行。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，對其頂板狀態(tài)參數(shù)與支護參數(shù)作科學分析，并進行合理的采場控頂設計（本文針對綜采工作面，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)系而造成的，對其進行提前監(jiān)測和處理是關鍵；瓦斯突出主要是由于斷層溝通了上下煤層的瓦斯流通，而當工作面將近揭露斷層時，導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。對于以上三種危害，主動采取有效的措施，都是可以避免或把損失降到最低程度的。
部分斷層是有益的，對水、瓦斯有控制作用，但針對有潛在危險的斷層必須采取必要的措施。
2 工作面斷層處冒頂機理及控制
在煤礦生產(chǎn)過程中，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，開掘中間聯(lián)絡巷進行回采。對于回采工作面遇有斷層落差大于采高的斜斷層，則要另掘開切眼，使其搬到新工作面再進行回采。
在平推硬過過程中，斷層上盤或下盤受采動影響，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)矸石上，而是給予支架比正常來壓要劇烈的壓力顯現(xiàn)；斷層往往附帶破碎帶，在采動影響下，其漏冒的危險性加大。因此，必須根據(jù)現(xiàn)場實際情況制定控制措施，提高安全系數(shù)。
2.1冒頂機理
1、斷層處壓垮型冒頂機理
斷層的切割，使支架上部處于周期來壓的頂板提前或遲緩性整體滑移下沉，致使支架工作阻力不能及時滿足，造成壓跨支架事故。示意圖見圖1。
（1）工作面正常推進，直接頂和老頂周期性垮落。此時前面已經(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。
（2）工作面繼續(xù)推進，逐漸接近斷層，而支架前方的煤體脆性破裂，失去對頂板的支持力，使支架受力在短的時間內(nèi)增大，壓壞支架。
2、斷層處漏冒型冒頂機理
該類型冒頂主要是當斷層走向平行于工作面時較為突出。冒頂?shù)臈l件：
①直接頂異常破碎；
②煤層傾角較大。
冒頂機理：
1）大面積漏垮型冒頂機理：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)生在大傾角走向長壁采煤方法中。這種情況在綜采工作面中不常見。
2）靠煤壁附近冒頂機理：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。在采煤機落煤后，如果支護不及時，端面距過大，這類游離巖塊可能突然冒落砸人，造成冒頂事故。如圖2。
3、斷層處綜合類型冒頂機理
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的三軸受力變?yōu)閮上蚴芰?，甚至是單軸受力，
圖1（a）工作面正常推進
圖1（b）頂板滑移下沉，支架壓壞
圖2 頂板中游離巖塊漏冒
從而整體失穩(wěn)，受采動或周圍巖體破裂影響而運動導致壓垮組合漏冒的綜合型冒頂。
2.2控制措施
任何控制措施都需要現(xiàn)場技術(shù)工人具體地實施，需要充分發(fā)揮工人主動積極性，需要加強現(xiàn)場科學管理和問責制的監(jiān)督。
1、為預防工作面斷層處發(fā)生壓垮型冒頂事故，應采取下列措施：
（1）采場支架的支撐力應能平衡最不利情況下垮落帶直接頂及老頂巖層的重量。
（2）采場支架的初撐力應能保證直接頂與老頂之間不離層（專門試驗表明，當支架初撐力足夠大時，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不離層）。
（3）采場支架可縮量應能滿足裂隙帶老頂最大下沉的要求。
以上措施正是綜采工作面控頂設計中有關預防壓垮型冒頂?shù)闹匾瓌t。
2、預防斷層處漏冒型冒頂?shù)拇胧?
（1）工作面采用掩護式、支撐掩護式液壓支架。
（2）大面積漏冒在液壓支架支護工作面不易出現(xiàn)，主要出現(xiàn)在工作面與巷道接替處。為此，應加強端頭支護，嚴禁端頭局部漏冒?？蛇\用端頭支架，或者錨桿密集支護。
（3）靠煤壁附近局部冒頂?shù)念A防與控制：
①提高支架初撐力使端面冒高不超過300 mm；
②采用及時支護的移架方式（采煤機割煤后先移架再推移輸送機），并令端面距不超過340 mm；
③當采高大于2.5～3.0 m時，支架應帶護幫裝置，以免煤壁片幫擴大無支護空間；
④過斷層破碎帶時，應對破碎直接頂注入樹脂類粘結(jié)劑使其固化，以防止冒頂。
3、預防斷層處綜合類型冒頂
綜采工作面主要怕遇到長度大于5 m的平行于工作面的斷層。此時，支架若有較大的富裕阻力，工作面可照常推進；若無，應讓工作面與斷層斜交，或挑頂。
預防這類冒頂，可綜合采取以上兩種類型的防治措施。
總上，在制定冒頂防治措施時，應加強現(xiàn)場監(jiān)測，科學預報；科學設計選用有足夠初撐力和工作阻力的支架；帶壓移架。
2.3綜采工作面斷層處控頂設計
舉例：陽泉礦務局某礦煤層柱狀圖見圖3。實際測定81202工作面參數(shù)見表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)見表2。
表1 21202工作面參數(shù)
序 號
項 目
單 位
數(shù) 值
1
采 高
m
3.80
2
周期來壓步距
m
11.50
3
控頂距
m
4
4
端頭距
mm
300
5
垮落帶直接頂巖層平均體積力
kN/ m3
25
6
煤層傾角
°
8
一、漏冒型冒頂?shù)目刂拼胧?
具體措施參見2.2中的內(nèi)容，這里不再贅述。
二、壓垮型冒頂?shù)目刂拼胧?
1.確定垮落帶高度
①可以用下式（一）來判別進入裂隙帶的老頂巖層。
公式（一）
式中：——由下而上第層老頂巖層（基礎巖層）的厚度，m；
——由下而上第層老頂分層的厚度，m；
——煤層采高，m；
——老頂及其附加巖層的巖石
圖3 陽泉某礦煤層柱狀圖 碎脹系數(shù)，取1.15～1.33；
——直接頂厚度，m；
——直接頂巖層的巖石碎脹系數(shù)，取1.33～1.5。
由柱狀圖可以判定第一層老頂為細砂巖，厚度為4.24 m，=4.24 m；直接頂可劃分為三個分層，=5.49 m；取1.15；=1.33；=3.80 m。代入公式（一）可得：
當=1時
公式右邊=3.80-5.49×（1.33-1）+2
=3.99（m）
≥3.69，所以第一層老頂已經(jīng)進入裂隙帶。
所以，垮落帶高度為5.49 m
由于第一層老頂上覆0.11 m煤層，在支架反復支撐過程中，容易引起老頂離層破斷。
②支架的工作阻力應能支撐住工作空間及采空區(qū)上方垮落帶巖層的重量
設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）計算。
公式（二）
式中：——每架支架所控制的工作面長度，取1.5 m/架；
——垮落帶直接頂巖層平均體積力，25 kN/ m3；
——垮落帶直接頂厚度，5.49 m；
——直接頂巖梁長度，等于端面距、支架頂梁和前梁長度之和與直接頂巖層在支架后的極限懸頂長度（頁巖取1.0 m），5.1 m；
——垮落帶中該老頂及其附加巖層的平均體積力，25 kN/ m3；
——垮落帶中該老頂及其附加巖層的厚度，4.35 m；
——垮落帶中該老頂?shù)膸r塊長度，23 m；
——煤層傾角，8°。
圖4 支架承受垮落帶巖重
可得：=1.5×（25×5.49×5.1+25×4.35×23）cos8°
=4755.15（kN）
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，在工作面推進距離達到周期步距時，如果周期來壓推遲，應在支架放頂線處進行深孔爆破或進行頂板注水軟化。
③支架的初撐力應能保持下位巖層與上位巖層之間不離層
下面以保持直接頂與老頂之間不離層為例進行設計。為使直接頂沿支架后端切斷，這時，在最小控頂距狀態(tài)下，支架初撐力必須滿足三個條件：
1）支架初撐力能平衡支架上方直接頂巖梁重量；
2）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；
3）支架初撐力所產(chǎn)生的主動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。
設平衡直接頂巖梁重量所需的支架初撐力為，則
公式（三）
式中：——每架支架所控制的工作面長度，取1.5 m/架；
——垮落帶直接頂巖層平均體積力，25 kN/ m3；
——垮落帶直接頂厚度，5.49 m；
——直接頂巖梁長度，等于端面距、支架頂梁和前梁長度之和與直接頂巖層在支架后的極限懸頂長度（頁巖取1.0 m），5.1 m；
=1.5×25×5.49×5.1×
=1039.75（kN）
設平衡直接頂巖梁所產(chǎn)生力矩所需的支架除撐力為，則
公式（四）
式中：——直接頂巖梁長度，端面距、支架頂梁和前梁三者之和，4.1 m；
——作用點距頂梁后端的距離（當支架為單排立柱時，為立柱頂端至支架后端的距離；當支架為雙排立柱時，建議為兩排立柱頂端的中點至支架后端的距離）1.42 m。
= 989.32（kN）
設平衡采空區(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、、之中，最小，最大。
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。
表2 液壓支架技術(shù)特征表
序 號
項 目
單 位
數(shù) 值
1
型 號
—
BC520—25/47
2
支撐高度
m
2.50～4.70
3
工作阻力
kN
5096
4
初撐力
kN
4704
5
支護強度
MPa
0.337～0.849
6
適應傾角
°
≤15
7
頂梁長度
m
2.4
8
前梁長度
m
1.4
9
質(zhì) 量
t
18.50
③支架的可縮量應能適應裂隙帶老頂?shù)南鲁?
最大控頂距時，支架頂梁末端處的頂板最大下沉量△，參見圖5可按下式計算：
△= 公式（五）
式中：——最大控頂距（采煤后未移架時的控頂距），5.80 m；
——裂隙帶老頂斷塊觸矸處的下沉量，可以通過下列公式進行計算：。可得=1.98 m；
——裂隙帶老頂周期來壓步距，一般大于10 m，計算時應取實際數(shù)據(jù)，23 m。
圖5 受裂隙帶影響的頂板下沉量
△=
=0.50（m）
所需支架最大高度按下式求得：
公式（六）
式中：——煤層最大采高，3.80 m。
=3.80（m）
所需支架最小高度可按下式求得。
△-
式中：——煤層最小采高，3.50 m；
——卸載高度，可取0.05 m。
=3.50-0.50-0.05
=2.95（m）
所選支架伸縮量可以滿足需要。
④綜采放頂煤工作面控頂設計特點
綜采放頂煤時，其頂板條件，頂板事故及預防，以及確定支架工作阻力、初撐力與支架高度的準則，與一般綜采基本相同，但為確保支架安全過斷層，在進行控頂設計時，應加入斷層的影響。特點。
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，可取1.33～1.5，可取1.5～1.7。
2）綜采放頂煤時頂煤必然軟弱破碎，因此支架初撐力應比一般掩護式或支撐掩護式大些。為防止老頂沖擊推倒支架，綜采放頂煤支架的機械強度和防倒性能應比一般支架強一些。
⑤單體支柱工作面控頂設計可參考以上內(nèi)容。
3 工作面斷層處突水機理及控制
1984年6月2日，開灤范各莊煤礦2171工作面突水，水量達到2053 m3/min。
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。
山東肥城楊莊礦9101工作面揭露斷層，造成突水73.5 m3/min。
……………
過去20年間，我國250多對礦井突水被淹。
3.1斷層處突水機理
斷層處突水主要包括頂板突水和底板突水。
煤礦生產(chǎn)中的采掘活動，都是在煤層之內(nèi)和附近進行的，所以揭露較大的斷層機會不多，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
創(chuàng)造了條件。突水機理歸結(jié)如下，詳見示意圖6。
（1）斷層兩盤的上升和下降，縮短了含水層與煤層的間距，原來理論設計的防水措施失效。
（2）斷層伴生的裂隙削弱了隔水層的抗壓強度，把原來沒有水力聯(lián)系的巖層溝通而增強了地下水的交替運動，為裂隙溶洞的發(fā)育創(chuàng)造了條件，增加了地下水的靜儲量，增強了含水層的富水性。
（3）有限元計算結(jié)果表明，斷層面作為巖體中的一個弱面，在其周圍產(chǎn)生較大的應力集中，斷裂帶附近的巖體最先產(chǎn)生塑性變形及采動裂隙。
（4）斷層或斷裂構(gòu)造的存在，將導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)長期受到含水層水的浸泡作用，其強度必會大大降低，這就必然形成一個弱化的導水通道，加上開采活動的影響，使其阻水能力大大降低。
圖6 工作面斷層處突水機理
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，導水斷裂往往形成深部開采滯后突水，即隨著采掘工程活動的延長，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期作用下，其強度逐漸降低，而且隨著采掘工程的繼續(xù)，被弱化的斷層帶物質(zhì)會逐漸由下向上擴展，范圍不斷擴大，即位于斷層帶的奧灰水導升高度逐漸向上發(fā)育，最后當與礦壓采動破壞帶相連通時，導致煤層底板突水災害的發(fā)生。
2005年廣東興寧大興煤礦工作面特大突水，其突水機理為：防水煤柱受斷層破碎帶的影響，在上部水壓、采動礦壓、煤層自重、地下水的聯(lián)合動力作用下，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，上覆巖層得到暫時穩(wěn)定；隨著采煤工作面的不斷擴大，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，直至最后的關鍵層破壞或破碎達到臨界突水系數(shù)而發(fā)生突水．
2006年12月16日5時15分，河北省金能集團井陘礦務局臨城煤礦發(fā)生突水，造成全礦井淹沒。該礦屬國有重點煤礦，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，導致淹井。
工作面在回采過程當中，尤其是在多斷層地帶，應堅持有疑必探，先探后采的原則。
3.2斷層處突水防治措施
防水措施的制定必須科學，與現(xiàn)場結(jié)合起來，一旦制定，必須認真實施。綜合現(xiàn)代治突水措施，現(xiàn)總結(jié)如下：
(一)探水先行。
(1)探放斷層水的原則
凡遇下列情況必須探水：
①工作面前方或附近有含(導)水斷層存在，但具體位置不清或控制不夠嚴密時。
②工作面前方或附近預測有斷層存在，但其位置和含(導)水性不清，可能發(fā)生突水事故時。
③工作面底板隔水層厚度與實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)生突水事故時。
④斷層已被巷道揭露或穿過，暫時沒有出水跡象，但由于隔水層厚度和實際水壓已接近臨界狀態(tài)，在采動影響下，有可能導致斷層活化并引起突
水，需要探明在深部其是否已與強含水層或底板水導升高度相連通時。
⑤根據(jù)井巷工程和自設斷層防水煤柱等的特殊要求，必須探明斷層時。
⑥工作面距已知含水斷層60 m時。
⑦工作面接近推斷含水斷層100 m時。
⑧采區(qū)內(nèi)小斷層使煤層與強含水層的距離縮短時。
⑨采區(qū)內(nèi)構(gòu)造不明，含水層水壓又大于2～3 MPa時。
⑩工作面上方隔水層較薄，而地表有水體時。
(2)探查的主要內(nèi)容
探斷層水的鉆孔應與探斷層構(gòu)造孔結(jié)合起來，需查明的具體內(nèi)容如下：
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)造和其導水、富水性等。
②斷層帶的充填物、充填程度、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。
③斷層兩盤對接部位巖性及其富水性，煤層與強含水層的實際間距(即隔水層的厚度)。
④斷層與其他含(導)水斷層、陷落柱或其他水體交切部位及其富水性。
⑤如為疊瓦式斷層，應確定其綜合斷距。
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升高度。
為探明以上內(nèi)容，應首先提供斷層面等高線圖及兩盤主要煤層、含水層對接關系圖，探測斷層預想剖面圖。
（3）鉆孔布置
探水作業(yè)前必須認真學習《煤礦安全規(guī)程》中的有關規(guī)定，安全操作。
1）在工作面進、回風巷道中，每間隔30 m布置一個鉆場，鉆場以平面夾角15°，鉆3個孔。確定斷層走向、傾向、傾角和斷層的落差及兩盤的對接關系。其中至少有一個孔打在斷層與含水層交面線附近，見圖7。
2）如果在工作面上方有巷道或由該巷道引出獨頭巷道，布置鉆場上下鉆孔，見圖8。
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。
表3 突水等級表
等 級
突水量 m3/min
特大突水點
≥30
大突水點
10～30
中等突水點
1～10
小突水點
1≤
圖7 鉆孔布置圖
圖8 上部巷道布置鉆場
3）為了提高鉆探的效率和準確性，減少盲目的鉆探帶來的損失，應積極采用科學的探測方法配合鉆探?，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)。
2005年采用礦井瞬變電磁法先后對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)集團公司等煤礦煤層頂、底板富水構(gòu)造進行探測，和以往沒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。完成探測測線長度約56000m，工作面在未做礦井瞬變電磁探測工作前一般在巷道內(nèi)每隔50m布置一個鉆孔對頂、底板進行注漿或防水，而根據(jù)礦井瞬變電磁探測結(jié)果，對有異常區(qū)域布置鉆孔，無異常區(qū)域不用布置鉆孔，按工作面百米巷道少布置1.5個鉆孔（根據(jù)多年礦井瞬變電磁探測結(jié)果和需要布置鉆孔數(shù)量分析）每個鉆孔平均深度100m、鉆孔按300元/m成本計算，共節(jié)約費用720萬元，不僅給本礦生產(chǎn)節(jié)約大量的時間和成本，同時帶來巨大的社會效益。
淮北礦務局朱仙莊礦，采區(qū)地震勘探之前依據(jù)精查地質(zhì)報告提供的資料預測第五含水層賦水面積約500 km2左右，需留防水煤柱預計約5000×104 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，同時新查清了塔橋斷層，落差600～1000 m，傾解70°，不但不導水反而隔水，解放原預留防水煤柱煤炭3000多萬 t，如按100元／t測算直接經(jīng)濟效益30億元，并減少防治水費投資1000多萬元。
這兩種技術(shù)具體使用和操作可參看有關書籍，這里不再多做介紹。
（二）斷層處突水防治措施
目前的防治措施主要有疏放降壓技術(shù)、礦井注漿技術(shù)。
1）降壓技術(shù)包括巷道疏放、鉆孔疏放和聯(lián)合疏放。
①當煤層頂板或底板中有含水層時，可考慮把準備巷道提前掘出、把巷道布置在底板含水巖層中，進行疏放含水層水。具體布置示意圖見圖9。
圖9 疏放水巷道布置示意圖
②鉆孔疏放
我國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，伴隨著回采放頂導致大量水涌入井下，造成停產(chǎn)和人身事故。
巷道頂部離含水層在15～20 m的情況下，可采用打入式過濾器疏放巷道頂部含水沙層或承壓含水層水（見圖9）。即在巷道中每隔一定距離向頂板上打鉆孔，終孔時立即將打入式過濾器的濾管沿鉆孔壓入含水層，使頂板水泄入巷道，通過排水溝向外排出。
含水層離煤層較遠，大于30 m時，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圖10。
圖9 打入式過濾器 圖10 直通式放水鉆孔
③綜合運用以上兩種疏放技術(shù)，稱聯(lián)合疏放。
2）礦井注漿堵水技術(shù)
當涌水量很大，僅僅依靠排水已不可能或不經(jīng)濟時，注漿堵截水源通道，然后再進行排水。注漿堵水就是將水泥漿或化學漿通過管道壓入井下巖層空隙、裂隙或巷道中，使其擴散、凝固和硬化，從而巖層具有較高的強度、密實性和不透水性，達到封堵截斷補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程如下：
①注漿材料：
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。
②注漿步驟：
1.裂隙發(fā)育較均勻，含水層距地表近且厚度不大時可采用全段一次注漿；當注漿深度大，穿過裂隙大小不同的多個含水層時，可采用分段注漿。注漿方式包括上行式和下行式兩種。
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，見表4。
3.下放止?jié){塞及注漿
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)壓水試驗檢查
表4 裂隙與注水關系
裂隙種類
注水時間/min
大裂隙
10～20
中小裂隙
15～30
好，即可進行注漿。注漿過程中應特別注意堵漿、跑漿及冒漿，對待不同情況采取相應措施。
③注漿參數(shù)
1.漿液擴散半徑：據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，裂隙地層平均為4 m～8 m。
2.注漿壓力：注漿壓力的提高可以保證注漿效果。注漿壓力應根據(jù)具體的地質(zhì)條件確定，即根據(jù)現(xiàn)場試驗反復確定。一般為靜水壓力的2～2.5倍。
3.漿液注入量：該值可根據(jù)下式進行粗略計算。
公式（七）
式中：——漿液注入量，m3；
——漿液擴散半徑，m；
——裂隙率，%；
——注漿段高，m；
——漿液在裂隙內(nèi)有效充填系數(shù)，0.9～0.95；
——漿液消耗系數(shù)，一般取1.2～1.3。
4.注漿結(jié)束標準：注漿壓力達到設計終壓，一般為受注含水層水壓的1.6～2.5倍，吸漿量小于80 L/ min，時間不小于30 min即可。
說明：
（1）綜合應用兩種技術(shù)，可以使排水效果更好。
（2）含水斷層較多的工作面應采取必要的防水措施，增添必要的排水設備；綜采設備部件敞開處必須防水。
（3）以上探放水技術(shù)同樣適合采空區(qū)，必須加強采空區(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。
4 工作面斷層處瓦斯突出機理和防治措施
與各主要產(chǎn)煤國相比，我國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，我國瓦斯突出地點發(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。
據(jù)平頂山礦區(qū)統(tǒng)計，在55次突出中有43次突出發(fā)生在礦井構(gòu)造小斷層附近，占突出總數(shù)的78%，而且突出點煤層層理紊亂，煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴重，突出點構(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采面掘進時發(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采面掘進時發(fā)生8次突出。兩個采面受到兩條斷層的影響，形成礦區(qū)內(nèi)兩個高突面。
4.1工作面斷層處瓦斯突出機理
瓦斯突出是煤與瓦斯突出的簡稱。瓦斯突出是由量的積累和采動的影響促成的。
1）工作面上下煤層的采掘活動破壞了煤層的原有應力分布，使裂隙擴展，增大了煤體的分裂；
2）改變了原有瓦斯的賦存狀態(tài)，使游離態(tài)瓦斯增多；
3）瓦斯的涌出更加劇了裂隙的擴展，使更多的裂隙貫通，形成了瓦斯流動的通路，最終上下煤層與回采煤層中的瓦斯形成一體；
4）斷層的存在為瓦斯提供了儲存的“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；
5）工作面的推進促使了前方煤體的破裂，降低了煤體本身的抗壓抗拉伸強度，增大了煤體的透氣性；
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由壓縮狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變成拉伸狀態(tài)，具有了彈性勢能，達到極限時突出。
因此，我們采取防治措施時，應從開“通路”和絕“氣源”的角度出發(fā)。
4.1工作面斷層處瓦斯突出防治措施
防突措施包括兩大類。實施以后可使較大范圍煤層消除突出危險性的措施，稱為區(qū)域性防突措施；實施以后可使局部區(qū)域（如掘進工作面）消除突出危險性的措施稱為局部防突措施。
（一）區(qū)域性防突措施主要有開采保護層、預抽煤層瓦斯和煤層注水。
在突出礦井中，預先開采的、并能使其他相鄰的有突出危險的煤層受到采動影響而減少或喪失突出危險的煤層稱為保護層，后開采的煤層稱為被保護層。開采保護層是預防突出最有效、最經(jīng)濟的措施。
開采保護層的關鍵是選擇保護層。選擇的方法如下：
①首先考慮上保護層，使采煤方式符合盡量符合下行的開采順序。
②選擇突出危險性低的煤層，開采該層時，也要采取必要的防突措施。
③礦井中所有可采煤層都具有嚴重突出危險時，也可以選擇不可采的突出危險性低的煤層作為保護層。
④開采保護層時，應同時抽放被保護層的瓦斯。
開采保護層配合被保護層的抽放，可以有效地增加瓦斯流通的路徑，減少斷層處瓦斯的聚集。
（二）局部防突措施
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力和排放瓦斯。這些措施有松動爆破、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。
（1）松動爆破
松動爆破是在工作面前方的應力集中區(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，預防工作面接近斷層時造成突出。
陽泉一礦3號煤層試驗工作面的條件下，采用長鉆孔控制松動爆破，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：爆破孔長度30 m、直徑73 mm，鉆孔傾角1°～3°、封孔長度7～10 m、爆破孔距工作面距離13～15 m。
（2）抽放瓦斯
在斷層密布采區(qū)，可以預防性的布置部分探放孔，測定瓦斯壓力，分析斷層的產(chǎn)狀。確定有突出危險性的預兆，適當加大鉆孔布置密度，強力抽放瓦斯。鉆孔的布置方式有鉆場平面扇形鉆孔、底板巖巷穿層鉆孔、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，并充分考慮預抽鉆孔的邊采邊抽效率，選擇適合的布置方式。
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。
（3）煤層注水
在斷層周圍煤體中注水，可以擴展裂隙，擠出游離瓦斯，使瓦斯釋放效果更好，同時使煤體濕潤，降低了粉塵的濃度。
其他技術(shù)不再論述。
其中，防治瓦斯突出的關鍵在于科學預測和防治，提高操作人員的安全負責意識；堅決執(zhí)行“四位一體”，實現(xiàn)“三專兩閉鎖”，有疑及時匯報，有險必須解決。災害都可以解決。
圖1 回采工作面本煤層瓦斯抽放鉆孔布置示意圖
小結(jié)：斷層及其附帶的地質(zhì)災害是困擾工作面推進的主要障礙，科學分析其形成機理，設計實施合理的防治措施，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。
一通三防
重慶市南川市云華煤炭有限責任公司，在開采有煤與瓦斯突出危險的單一煤層時，沒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)地點沒有安裝，導致“1.16”特大煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，死亡12人。
國有煤礦安全欠帳多。多年來，由于行業(yè)管理弱化，煤炭生產(chǎn)經(jīng)營困難，企業(yè)安全投入欠帳很多，據(jù)對45戶國有重點煤礦和125戶地方國有煤礦的調(diào)查測算，全國國有煤礦安全欠帳約505億元。許多國有煤礦，經(jīng)過幾十年的開采，已進入衰老期；主要生產(chǎn)設備老化、超期服役的約占1/3。一些老煤礦井下使用的通風、提升運輸和防爆電器等設備，許多還是上個世紀60年代的產(chǎn)品，不能保障安全。
2007 年4 月6 日20 時35 分，湖南省煤業(yè)集團金竹山礦業(yè)有限公司一平
峒煤礦25 采區(qū)回風巷發(fā)生煤與瓦斯突出事故，造成4 人死亡。
2006年10月31日12時16分，靖遠煤業(yè)有限責任公司魏家地煤礦西一采區(qū)1109綜工作面在檢修過程中回風系統(tǒng)發(fā)生瓦斯爆炸，當時該區(qū)域有35人作業(yè)。35人全部搶救出井。其中6人受傷(重傷1人)、29人遇難] 2006年9月30日，黑龍江省雞西市雞東縣哈達天龍煤礦發(fā)生瓦斯爆炸事故，死亡13人。