北辛窯礦8103綜放工作面過斷層安全開采技術

閆增浩

(大同煤礦集團 北辛窯煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700)

1 工程概況

大同煤礦集團北辛窯煤礦8103工作面位于一采區(qū)，開采2號煤層，煤層厚度4.3～7.0 m，平均5.6 m，視密度為1.48 t/m3，煤層傾角19～25°，平均22°。2103巷(膠帶巷)走向長度2 063.2 m，5103巷(回風巷)走向長度1 865 m；工作面切眼長181.2 m。8103工作面為首采面，工作面總體呈南西高北東低，回采巷道掘進過程中共揭露8條斷層(表1)，揭露斷層位置基本全部位于停采線以外(除F7-13外)，對工作面回采影響較小。但F7-13正斷層對工作面回采造成的影響較大，該斷層落差大，并且貫穿整個工作面(如圖1)，斷層兩側煤巖層垂直與斜向裂隙發(fā)育，巖石破碎，煤層容易垮落。為保證回采工作順利進行，在回采過程中需制定相應的過斷層措施。

表1 8103工作面揭露斷層特征

2 斷層對工作面回采影響的數(shù)值模擬分析

8103工作面為一采區(qū)首采工作面，F(xiàn)7-13為該工作面落差最大的正斷層，并且貫穿整個工作面，斷層對于工作面回采的影響情況未知，為分析該斷層附近的構造應力場分布情況，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件[1]，通過其null空單元命令對8103工作面的回采進行模擬。模型尺寸為：長×寬×高=300 m×280 m×390 m，開挖范圍長×寬=200 m×190 m，開挖高度為煤層厚度5.6 m。斷層為正斷層，落差9 m，破碎帶厚度為5 m，斷層傾角為72°。模型材料采用摩爾-庫倫屈服準則。通過只施加應力邊界條件進行模擬，自重應力根據(jù)8103工作上覆地層情況，采用彈性模型進行地應力場的初始化，然后位移歸零。數(shù)值模型如圖2所示。

圖1 F7-13斷層位置詳情

圖2 數(shù)值模擬模型

模擬計算步驟為：首先進行本構模型的初始求解，平衡后清零得到初始應力場，然后進行摩爾-庫倫模型彈塑性求解，開挖范圍為模型中部，為避免工作面開挖后頂板垮落計算無法平衡，在兩側分別留設50 m的煤柱，開挖工作面長度為200 m，共分四步進行開挖，首次開挖從斷層上盤向下盤工作面推進至距離斷層30 m，之后三步開挖后與斷層距離分別為10 m、0 m、-20 m，由于篇幅所限，僅將模擬的最大主應力分布列出，如圖3所示。

圖3 工作面回采時斷層附近最大主應力分布云圖

由圖3可以看出，工作面推進過程中，在工作面前方的煤巖體內(nèi)會出現(xiàn)一定范圍的應力集中區(qū)域，即工作面超前支撐壓力影響區(qū)。工作面與斷層之間有30 m的煤柱時，前方煤巖體內(nèi)應力集中的最大值為-24.02 MPa(負值代表壓應力)，斷層端部最大應力為-28.89 MPa，工作面前方的超前支撐壓力區(qū)域沒有與斷層貫通；當工作面與斷層之間煤柱寬度為10 m時，超前支承壓力最大值為-25.56 MPa，斷層附近應力最大值為-30.58 MPa，此時工作面前方應力集中區(qū)和斷層端部的應力集中區(qū)仍未貫通，之間存在2～3 m的原始應力帶，但是考慮到模擬結果與實際情況的誤差，工作面在此位置并不能排除突出的可能；當工作面推進至斷層位置時，工作面超前支撐壓力最大值為-27.87 MPa，斷層尖角處應力值為-31.24 MPa，由于工作面回采的影響導致工作面前方斷層尖滅處煤巖體活化，超前支承壓力影響區(qū)域與斷層尖滅處的應力集中區(qū)貫通，并且斷層上下盤之間存在5 m的破碎帶，此時很有可能出現(xiàn)煤巖涌入工作面的現(xiàn)象，導致事故的發(fā)生。綜上可知，8103工作面推進至距F7-13正斷層10 m范圍內(nèi)，需要采取適當?shù)拇胧?，避免煤巖體涌入工作面。

3 8103綜放工作面過斷層方案

3.1 工作面?zhèn)涡闭{(diào)整

根據(jù)以往的研究結果得知，回采工作面過斷層時，工作面的偽斜角度與斷層面的傾角相差越小采煤機的割矸量越少[2]，因此為了縮短斷層在工作面推進時的暴露長度，將工作面的偽斜角調(diào)整約為18°，使斷層面與工作面的交角約為45°。

3.2 強行割矸

8103工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為3.2～4.5 m，直接底為砂巖，厚度4.3～5.8 m。斷層斷距為8.9 m，工作面前方對應區(qū)域上盤為泥巖，下盤為砂巖，總體來說，上盤巖層比下盤巖層松軟破碎，因此在工作面過斷層時盡量挑頂起底，切割質(zhì)地較軟的泥巖。斷層上盤的破頂要適當提前，每刀破頂高度為90 mm，經(jīng)35個循環(huán)綜放面從上盤煤層推進到下盤煤層。在斷層兩盤之間的破碎區(qū)域，當割煤機破煤后應當盡快用木板梁進行剎頂[3]，提高支架的接頂程度，工作面推進至斷層面時將采高調(diào)整為2.4 m。

3.3 放震動炮

工作面推進時遇到局部區(qū)域矸石硬度較大，采煤機難以破碎時采用放炮威震的措施。炮眼深度為1.5 m，炮眼的布置方式根據(jù)巖體的厚度進行調(diào)整，堅硬巖層揭露厚度為0.4～1.0 m時，布置一排孔間距為1m的單排眼；堅硬巖層揭露厚度為1.0～1.5 m時，炮眼采用三花布置，孔間距為1 m；堅硬巖層揭露厚度為1.5～4 m時，炮眼采用五花布置，頂?shù)卓组g距為1 m，炮孔水平傾角為70～80°，豎直方向上頂角炮眼向上傾約10°、底角炮眼下傾約為15°，中間的炮眼垂直鉆進。每個炮眼裝藥量不大于兩個藥卷。

3.4 注漿加固技術

對斷層破碎帶采用瑞米注漿材料進行加固，該材料具有膨脹速度快、膨脹性強等特點[4]，注漿設備采用多功能注漿泵、注漿管、混合射槍等，樹脂材料和催化劑體積比1：1，注漿最大壓力為8～10 MPa。淺孔注漿孔深度為5.0～6.5 m，注漿孔位于支架頂梁下0.3～0.5 m，與水平方向夾角為5～15°，單孔注漿量控制在1.5 t以內(nèi)。深孔注漿孔在斷層20 m影響范圍內(nèi)，在工作面向煤巖體中注漿，注漿孔深度為30 m，孔間距為5 m，單孔注漿量小于1.5 t。

4 工作面回采巷道現(xiàn)場監(jiān)測

斷層影響范圍內(nèi)的回采巷道在工作面超前支撐壓力的作用下將發(fā)生較大的變形，通過對回采巷道圍巖位移的監(jiān)測，據(jù)此判斷工作面過斷層開采的安全性。在距離8103工作面揭露斷層位置10 m、15 m、20 m的回風巷分別設置測點1、2、3，觀察巷道頂?shù)装逡七M量和兩幫移進量，監(jiān)測結果如圖4所示。

由監(jiān)測結果可知，8103綜放工作面超前支撐壓力影響范圍為0～32 m，影響最為顯著的區(qū)域為7.8～18.9 m，隨著工作面的推進，3個測點位置圍巖位移規(guī)律基本一致，頂?shù)装遄畲笠七M量為263.9 mm，兩幫最大移進量為153.6 mm。由此可知，F(xiàn)7-13斷層對工作面回采的影響很小，在斷層附近區(qū)域采取的安全措施能夠保證工作面順利通過。

圖4 回風巷圍巖位移情況

5 結 語

運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，結合北辛窯煤礦8103工作面具體的地質(zhì)條件，研究分析了F7-13斷層對工作面回采的影響，得出在工作面與斷層間煤柱寬度為10 m時，存在煤巖體涌入回采工作面的危險。在8103工作面通過F7-13斷層期間采取工作面?zhèn)涡闭{(diào)整、放震動炮和注漿加固等措施，使工作面安全通過了斷層。