斷層影響下大采高偽斜綜采面初次來(lái)壓規(guī)律研究

曲 濱

(汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)，山西 孝義 032300)

引 言

采煤工作面向前推進(jìn)過(guò)程中，老頂不斷發(fā)生破斷、失穩(wěn)和來(lái)壓現(xiàn)象，尤其是初次來(lái)壓時(shí)強(qiáng)度往往最大，礦壓顯現(xiàn)最為劇烈。4101綜采面為礦井首采面，且由于采高較大，煤層傾角較大，加之偽斜開(kāi)采及斷層影響，應(yīng)力環(huán)境及礦壓顯現(xiàn)存在較大特殊性，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中難以弄清其初次來(lái)壓規(guī)律并采取及時(shí)有效的控頂措施，采場(chǎng)端面煤巖體的控制難度較大，支架-圍巖關(guān)系惡化，易出現(xiàn)端面煤巖體冒頂片幫，對(duì)安全生產(chǎn)造成重大威脅。本文即針對(duì)斷層影響下大采高偽斜綜采面初次來(lái)壓規(guī)律展開(kāi)研究，分析來(lái)壓特征及機(jī)理，并制定控制措施。

1 工程概況

本工作面所采4號(hào)煤層厚度3.35 m～6.29 m，平均4.70 m，煤層傾角15°～23°，平均18°，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層一般含夾矸0層～2層，夾矸厚度0.05 m～1.10 m，煤質(zhì)軟但較為完整。頂?shù)装鍫顩r如表1所示，其中，頂板為厚11.7 m的K3中粗砂巖，較堅(jiān)硬，無(wú)直接頂，老頂分級(jí)屬于Ⅲ級(jí)頂板，來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式全部垮落采煤法，一次采全高偽斜回采，采高2.3 m～4.5 m，工作面機(jī)頭推進(jìn)度超前機(jī)尾推進(jìn)度約25 m，工作面中部采用139架ZY9200/22/46型支撐掩護(hù)式液壓支架，兩端過(guò)渡支架采用ZYG9200/22/46型支撐掩護(hù)式液壓支架。

表1 4號(hào)煤4101工作面及鄰近區(qū)域綜合柱狀情況

2 “支架-圍巖”關(guān)系控制難點(diǎn)分析

4101綜采面是該礦井首采面，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究尚處于空白狀態(tài)，且本工作面由于采高較大，煤層傾角較大，加之偽斜開(kāi)采及斷層影響，應(yīng)力環(huán)境及礦壓顯現(xiàn)存在較大特殊性，因此工作面回采過(guò)程中“支架-圍巖”系統(tǒng)穩(wěn)定性將是制約工作面安全高效回采的重大技術(shù)難題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研4101綜采面地質(zhì)生產(chǎn)條件，檢索分析相關(guān)文獻(xiàn)資料，分析得出4101綜采面“支架-圍巖”系統(tǒng)穩(wěn)定性控制存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

首先，采高增大使上覆巖層斷裂步距變大，其運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)范圍也逐漸增大，礦壓顯現(xiàn)更為明顯，老頂來(lái)壓強(qiáng)度可增大1個(gè)～2個(gè)級(jí)別，表現(xiàn)為來(lái)壓期間支架載荷和老頂動(dòng)載系數(shù)的增大；同時(shí)，采高增大使煤壁臨空面的面積增大，煤壁穩(wěn)定性差，易片幫，進(jìn)而導(dǎo)致端面冒頂、支架受力不均、構(gòu)件損壞等，進(jìn)一步引發(fā)嚴(yán)重頂板事故[1-3]。

其次，由于煤層傾角較大，采用偽斜回采工藝，這樣隨著工作面的推進(jìn)，往往形成梯形工作面。何富連等運(yùn)用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)方法研究得出梯形工作面使老頂呈反“D”形分區(qū)域斷裂，從而導(dǎo)致工作面初次來(lái)壓呈現(xiàn)出多次性，且來(lái)壓強(qiáng)度相對(duì)減小等[4-5]；同時(shí)，大傾角偽斜綜采面還面臨著支架歪斜及架間擠、咬等難題。

第三，4101工作面初次來(lái)壓前被兩條正斷層切割成三大板塊，其中，F(xiàn)1斷層落差為1.1 m，傾角為50°，F(xiàn)2斷層落差為0.5 m，傾角為40°。煤層被斷層切割時(shí)，采場(chǎng)老頂被分成2個(gè)或多個(gè)板塊，不同板塊老頂板結(jié)構(gòu)的破斷垮落和來(lái)壓過(guò)程也不同。在斷層附近區(qū)域易出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)工作面接近斷層帶時(shí)，發(fā)生沖擊礦壓的危險(xiǎn)比其他區(qū)域高得多[6-7]。

3 初次來(lái)壓規(guī)律模擬及實(shí)測(cè)研究

4101綜采面是本礦井首采面，其初次來(lái)壓顯現(xiàn)規(guī)律尚無(wú)經(jīng)驗(yàn)可循，因此，可借助UDEC離散元數(shù)值軟件提前進(jìn)行模擬回采，以期得到4101工作面初次來(lái)壓的宏觀垮冒、位移變化以及應(yīng)力分布等礦壓顯現(xiàn)特征。建模以4101工作面實(shí)際地質(zhì)生產(chǎn)條件為基礎(chǔ)，僅考慮落差較大的F1斷層，沿工作面傾向方向的計(jì)算模型巖層分布圖，如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型巖層分布圖

模型建立后，首先進(jìn)行初始平衡計(jì)算，達(dá)到初始平衡后，進(jìn)行工作面回采開(kāi)挖。模型運(yùn)算6 000步時(shí)，顯示工作面下端頭及斷層上部首先來(lái)壓并垮落；模型繼續(xù)計(jì)算達(dá)到8 000步時(shí)，工作面上端頭及中下部區(qū)域頂板也逐漸垮落；進(jìn)而模型計(jì)算達(dá)到10 000步時(shí)，工作面中部區(qū)域頂板也最終垮落，此時(shí)，整個(gè)工作面頂板來(lái)壓并垮落完畢。模擬結(jié)果表明，老頂初次來(lái)壓表現(xiàn)為分段來(lái)壓，即，工作面下端頭及斷層上盤附近老頂先發(fā)生破斷來(lái)壓，緊接著工作面上端頭及中下部老頂破斷垮落，最終整個(gè)工作面完成頂板來(lái)壓及垮落。

項(xiàng)目組在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了為期2個(gè)月的礦壓顯現(xiàn)觀測(cè)，隨著工作面不斷推進(jìn)，本工作面老頂?shù)钠茢嗫迓浜蛠?lái)壓顯現(xiàn)存在著自身的特殊性。跟數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，觀測(cè)結(jié)果表明，老頂初次來(lái)壓確實(shí)表現(xiàn)出明顯的分段來(lái)壓特征?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)4101綜采面老頂初次來(lái)壓順序?yàn)椋汗ぷ髅嫦虏?#～32#支架、斷層上盤上部87#～101#支架首先來(lái)壓，然后，101#～144#支架、33#～47#支架、48#～58#支架、59#～74#支架接續(xù)來(lái)壓；75#～87#支架最后來(lái)壓。具體老頂來(lái)壓破斷過(guò)程如圖2所示。

從4101工作面老頂初次來(lái)壓過(guò)程看，工作面下部及斷層上部首先出現(xiàn)裂縫，然后分別向上擴(kuò)展，形成老頂巖塊的分段塌落，造成工作面初次來(lái)壓的多次性，當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離后，工作面才完成全部來(lái)壓現(xiàn)象。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)初次來(lái)壓步距圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研并通過(guò)文獻(xiàn)檢索分析了4101綜采面在大采高、大傾角偽斜及斷層等不利回采條件下的“支架-圍巖”穩(wěn)定性控制難點(diǎn)，對(duì)其初次來(lái)壓規(guī)律研究提供指導(dǎo)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，工作面頂板的分段來(lái)壓現(xiàn)象避免了整個(gè)工作面頂板的同時(shí)破斷、垮落產(chǎn)生的大范圍來(lái)壓現(xiàn)象，使工作面的礦山壓力顯現(xiàn)強(qiáng)度減弱，對(duì)工作面的安全生產(chǎn)也有較為有利的影響。