綜放工作面過斷層頂板活動規(guī)律研究與應(yīng)用

張德峰 陳 勇，2

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號煤礦，山東省濟(jì)寧市，272169；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

綜放工作面過斷層頂板活動規(guī)律研究與應(yīng)用

張德峰1陳 勇1，2

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號煤礦，山東省濟(jì)寧市，272169；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

為避免因工作面搬家所帶來的工期延長及經(jīng)濟(jì)損失，并且考慮到煤層頂?shù)装鍘r性較好，濟(jì)寧三號煤礦53下07（北）綜放工作面決定采用割頂留底的方法直接過斷層。根據(jù)斷層區(qū)域頂板活動數(shù)值模擬結(jié)果和工程地質(zhì)情況，分析和設(shè)計(jì)了53下07（北）綜放工作面直接過斷層技術(shù)措施。實(shí)踐證明該技術(shù)方法有效保證了工作面安全快速通過斷層區(qū)域，相比重新開切眼工作面搬家方案，該方案少掘了一條巷道，同時減少了斷層保護(hù)煤柱的留設(shè)，提高了煤炭資源的回收率。

綜放工作面 過斷層 數(shù)值模擬

隨著煤炭資源的高強(qiáng)度開采導(dǎo)致不少礦區(qū)的煤炭資源日益枯竭，不得不設(shè)計(jì)開采一些地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的工作面，其中影響最大的為斷層結(jié)構(gòu)。工作面在過斷層過程中可能會出現(xiàn)頂板異常破碎、頂板局部冒落、煤壁片幫等礦壓顯現(xiàn)異常現(xiàn)象，另外有些煤礦過斷層時可能會遇到煤與瓦斯突出、斷層水大量涌入工作面和沖擊礦壓情況，給煤礦生產(chǎn)造成巨大損失。因而，在過斷層之前，分析研究工作面過斷層期間的頂板活動規(guī)律，并據(jù)此制定相應(yīng)的工作面過斷層技術(shù)措施顯得尤為重要。

本文以濟(jì)寧三號煤礦53下07（北）綜放工作面過斷層為例，利用數(shù)值模擬方法研究了工作面過斷層頂板活動規(guī)律，并據(jù)此制定了一套科學(xué)有效的工作面過斷層技術(shù)措施，以期為工作面安全過斷層提供參考依據(jù)。

1 工作面概況及煤層頂?shù)装迩闆r

1.1 53下07 （北）工作面概況

濟(jì)寧三號煤礦53下07（北）綜放工作面位于五采區(qū)西北部、53下06（北）工作面采空區(qū)西側(cè)、53下07（南）工作面北側(cè)，北側(cè)為西部輔運(yùn)巷。工作面長203 m，總推進(jìn)長度為1294.1 m。工作面采用走向長壁綜采放頂煤采煤法，沿走向方向揭露了貫穿工作面傾向的斷層 （SF431）1條。采用全部垮落法管理頂板。53下07（北）工作面巷道布置如圖1所示。

1.2 煤層及頂?shù)装迩闆r

開采的3下煤層厚度1.1～6.5 m，平均厚度為4.07 m，煤層傾角0～12°，平均5°，平均埋深688 m。工作面回采期間最大涌水量為70 m3／h，正常涌水量約為40 m3／h，對回采影響不大。工作面頂?shù)装迩闆r見表1。

圖1 工作面巷道布置

表1 工作面頂?shù)装迩闆r

2 斷層情況及工作面過斷層方式

2.1 SF431斷層情況

該工作面掘進(jìn)期間內(nèi)只揭露1條SF431正斷層，未出現(xiàn)涌水。斷層落差10 m，與工作面夾角70°，在該工作面的中部發(fā)育并貫穿工作面，并隨工作面推進(jìn)逐漸向帶式輸送機(jī)巷延伸；斷層面平滑，無破碎帶。煤巖受斷層影響裂隙發(fā)育，完整性差，對回采影響較大。

2.2 工作面過斷層方式

雖然SF431斷層與工作面夾角較大，但是煤層頂?shù)装宥酁橹屑?xì)砂巖，巖性較好，便于頂板管理，工作面不需要另開切眼和縮短。另外工作面直接過斷層不僅能避免工作面搬家所帶來的工期延長和經(jīng)濟(jì)損失，而且延長了工作面走向長度，提高了回采效率，減少了巷道掘進(jìn)量。綜合考慮，決定采用直接過SF431斷層的方案。

根據(jù)工作面頂?shù)装鍘r性情況，采用割頂留底的方法通過工作面斷層區(qū)域，選擇巖性較軟的底板割底通過，盡量減少割矸量。為了使工作面設(shè)備順利從斷層一盤過渡到另一盤，在距斷層面15 m處開始過斷層，選定推進(jìn)仰角不大于15°，截深0.8 m。

3 工作面過斷層區(qū)頂板活動數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

53下07（北）綜放工作面從正斷層上盤向斷層推進(jìn)，為了研究清楚采掘期間斷層區(qū)域頂?shù)装寤顒右?guī)律及采場應(yīng)力分布，采用UDEC4.0軟件對正斷層條件下工作面從斷層上盤向斷層推進(jìn)過程中工作面應(yīng)力場分布情況以及超前支承壓力的變化情況進(jìn)行研究。

根據(jù)濟(jì)寧三號井53下07（北）綜放工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件和生產(chǎn)技術(shù)條件，建立如圖2所示的UDEC數(shù)值計(jì)算模型，模型長200 m，高90 m。模型中巖體、節(jié)理變形破壞模型均為摩爾-庫侖模型。數(shù)值模擬中各煤巖層塊力學(xué)參數(shù)為實(shí)驗(yàn)室實(shí)測所得。

圖2 數(shù)值模擬模型

3.2 模擬方案的確定

建立初始模型，斷層角度72°，斷層落差為10 m，模擬工作面從斷層上盤向斷層推進(jìn)時，距SF431斷層40 m、30 m、20 m、10 m時采場應(yīng)力變化規(guī)律；工作面通過斷層時，工作面塑性區(qū)及位移場分布規(guī)律；通過斷層后，距斷層10 m、20 m、30 m、40 m時采場應(yīng)力變化規(guī)律。

3.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 斷層對工作面支承壓力分布特征的影響

（1）工作面位于斷層上盤時斷層對工作面支承壓力的影響。工作面向SF431斷層推進(jìn)時工作面煤體超前支承壓力峰值分布情況見表2。

表2 工作面煤體超前支承壓力峰值分布

由表2可知，隨著工作面到SF431斷層方向推進(jìn)，工作面超前最大垂直應(yīng)力值和應(yīng)力集中系數(shù)逐漸增大，并且最大垂直應(yīng)力出現(xiàn)的位置到工作面距離逐漸減小。斷層的存在不僅影響到垂直應(yīng)力峰值，還影響到支承壓力的分布形式和分布范圍，使得應(yīng)力峰值隨工作面距斷層距離的變小而增大并向煤壁轉(zhuǎn)移，最小距離煤壁4.0 m，這使得斷層區(qū)域煤壁片幫和發(fā)生沖擊地壓的可能性增大。因此，在工作面過斷層中要采取相應(yīng)的措施加以預(yù)防。

（2）工作面過斷層期間采場圍巖塑性區(qū)及位移場分布情況。當(dāng)工作面推進(jìn)到距斷層面15 m時，工作面以15°仰角從斷層上盤過渡到下盤，當(dāng)工作面開始破底板通過斷層時，頂?shù)装鍫顟B(tài)比較穩(wěn)定，但是工作面煤壁前方8 m范圍內(nèi)為塑性區(qū)并且貫穿到斷層面，煤壁片幫嚴(yán)重。

工作面全部進(jìn)入斷層上盤巖層中時，工作面頂板較穩(wěn)定，前方塑性區(qū)范圍為1.6 m，下部煤體全部破壞并出現(xiàn)底臌，應(yīng)特別注意預(yù)防。

工作面通過斷層時，圍巖破壞嚴(yán)重，斷層上、下盤之間由粘接狀態(tài)轉(zhuǎn)化為斷開狀態(tài)，兩盤出現(xiàn)相對位移，工作面前方塑性區(qū)擴(kuò)展到斷層下盤煤層，范圍為4.4 m，此時需特別注意工作面頂板的維護(hù)。

（3）工作面位于斷層下盤時斷層對工作面支承壓力的影響。模擬工作面通過斷層后，距離SF431斷層10 m、20 m、30 m、40 m等不同位置時，斷層對工作面煤體垂直應(yīng)力峰值及應(yīng)力集中系數(shù)分布情況見表3。

表3 工作面煤體超前支承壓力峰值分布

當(dāng)工作面推過斷層面完全進(jìn)入斷層上盤后，由于斷層面進(jìn)一步拉裂和滑動，不能完全把覆巖重量轉(zhuǎn)移到回采工作面前面，使煤壁垂直應(yīng)力減小，但之后不久，工作面面臨著頂板大范圍巖層懸臂回轉(zhuǎn)變形破斷的影響，將導(dǎo)致垂直應(yīng)力變大，頂板出現(xiàn)強(qiáng)烈來壓。

3.3.2 工作面斷層不同區(qū)域覆巖移動及斷層面活化特征

圖3為工作面距斷層面6 m時覆巖活化特征模擬。從圖3中看出，當(dāng)工作面向斷層面推進(jìn)時，煤層上方覆巖出現(xiàn)豎向裂縫，煤壁前方斷層面裂隙張開，表現(xiàn)為明顯的活化現(xiàn)象。

當(dāng)工作面進(jìn)入斷層面時，見圖4，下盤煤層上覆巖層35.14 m范圍內(nèi)的覆巖出現(xiàn)豎向裂縫，斷層面處覆巖裂隙充分張開，斷層上、下盤之間由粘接狀態(tài)轉(zhuǎn)化為斷開狀態(tài)，斷層下盤沿?cái)鄬用胬煜鲁?，兩盤出現(xiàn)相對位移，工作面容易發(fā)生頂板臺階下沉，因此在此區(qū)域工作面應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。當(dāng)工作面推過斷層面，見圖5，完全進(jìn)入斷層下盤時，由于斷層面進(jìn)一步拉裂和滑動，不能完全把覆巖重量轉(zhuǎn)移到回采工作面前面，使煤壁前方及其頂板巖體中壓力減小，頂板冒落高度減小。

4 工作面過斷層技術(shù)措施

針對工作面過斷層區(qū)頂板活動數(shù)值模擬中斷層對工作面支承壓力分布特征和工作面斷層不同區(qū)域覆巖移動及斷層面活化特征，制定了相應(yīng)的工作面過斷層技術(shù)措施。

（1）當(dāng)工作面頂?shù)装鍘r石巖性堅(jiān)硬、采煤機(jī)截割困難、影響采煤機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，采用松動爆破法破巖。

（2）在頂板裂隙發(fā)育區(qū)段，應(yīng)及時拉超前架護(hù)頂，并及時伸出伸縮前梁，升緊護(hù)幫板，防止因煤層破碎誘發(fā)冒頂事故。

（3）過斷層時，應(yīng)采取帶壓移架的方法，同時打開降柱及移架手把，當(dāng)支架擦頂前移時停止降柱，使破碎矸石滑向采空區(qū)，移架到規(guī)定步距后停止移架，并立即升柱，采煤機(jī)通過后及時支護(hù)頂板，盡量縮小頂板暴露時間和面積。

（4）當(dāng)煤壁片幫時，應(yīng)先伸出伸縮梁并抵到煤壁，后操作護(hù)幫板，當(dāng)片幫寬度超過0.7 m時，應(yīng)超前架棚管理。架棚形式為一架兩棚，梁用?200 mm×2000 mm半圓木，支柱采用DZ28-25／100單體支柱，梁頭一端與支架頂梁搭接不小于200 mm，另一端伸進(jìn)煤壁梁窩并在刮板輸送機(jī)前方不小于700 mm打貼幫柱。

（5）頂板破碎時，采用擦頂移架以防松動頂板，片幫嚴(yán)重時采取超前支護(hù)，減少空頂面積。

（6）工作面漏頂、漏矸時，應(yīng)及時向下剎刀割底，并降低采高，留取一定的頂煤來控制頂板，必要時可在支架前梁上穿板梁或工字鋼與鋪設(shè)金屬網(wǎng)配合的方法維護(hù)頂板。鋪設(shè)金屬網(wǎng)時，長邊對接，短邊搭接長度不小于300 mm；使用12＃鐵絲隔扣相連；端頭鋪網(wǎng)時與巷道頂網(wǎng)搭接相聯(lián)。

（7）工作面每推進(jìn)5 m，采用鉆屑法或電磁輻射法監(jiān)測工作面前方煤壁是否有沖擊礦壓危險。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有沖擊危險時，應(yīng)及時進(jìn)行解危處理。主要采取煤層卸壓爆破和鉆孔卸壓。

5 工程應(yīng)用效果

（1）工作面采用過斷層技術(shù)措施后頂板控制效果較好，沒有出現(xiàn)大面積冒頂、煤壁片幫事故和沖擊礦壓危險，工作面在短時間內(nèi)安全通過了斷層區(qū)域。

（2）工作面直接通過斷層比重新開切眼少掘一條通道，節(jié)省通道掘進(jìn)費(fèi)72萬元，同時減少了斷層保護(hù)煤柱的留設(shè)，按斷層上下盤各留15 m煤柱，計(jì)算得煤炭10.8萬t，直接通過斷層按30%回收率計(jì)算多回收煤炭5.4萬t，原煤價格按1000元／t計(jì)算，創(chuàng)收324萬元。

6 結(jié)語

本文根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和 采礦實(shí)際條件，對濟(jì)寧三號煤礦工作面過斷層可能會遇到的問題進(jìn)行了深入分析，并據(jù)此制定了相應(yīng)的技術(shù)措施，既提高了資源回收率，又減少了綜采設(shè)備搬家倒面次數(shù)和費(fèi)用，同時還保證了工作面安全快速通過斷層區(qū)域。該方法的成功實(shí)踐為相似條件下工作面過斷層提供重要的技術(shù)借鑒。

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Research and application of roof activity regulation when fully-mechanized caving face passing through fault

Zhang Defeng1，Chen Yong1，2
（1.Jining No.3 Mine，Yanzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Jining，Shangdong 272169，China；2.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

To avoid construction time extension and financial loss caused by face movement，and in view of good rock characters of seam roof and floor，the method of cutting roof and retaining floor was used in 53（lower）07（north）fully-mechanized caving face to pass through the fault directly in Jining No.3 Coal Mine.The paper analyzed and designed the technical measure based on the numerical simulation results of roof activities in fault area and the geological conditions.Practice shows that the technical scheme has ensured the working face passing through the fault area safely and quickly.Comparing the method of reopening a cut for face movement，this scheme avoids another drivage and reduces the fault protective pillar，which helps to improve the coal recovery rate.

fully-mechanized caving face，passing through fault，numerical simulation

TD823.99

A

張德峰 （1973-），男，山東鄒城人，工程碩士、工程師，現(xiàn)從事煤礦現(xiàn)場生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）