大采高工作面過斷層破碎帶圍巖控制技術(shù)研究

李 磊

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

隨著礦井開回采中揭露斷層的數(shù)量多、落差大，回采后煤層頂?shù)装寮皟上飮鷰r破碎，造成工作面支護(hù)困難[1-3]。尤其是大采高工作面推采至斷層區(qū)域時(shí)，超前支承壓力峰值及影響區(qū)域更大，煤層頂板破碎更為嚴(yán)重，進(jìn)一步加劇了工作面的支護(hù)難度。馬蘭礦18506工作面斷層發(fā)育明顯且落差較大，造成回采后圍巖破碎，單一的支護(hù)措施難以保證圍巖的穩(wěn)定性，影響了工作面的回采速率。本文通過分析斷層對(duì)工作面回采影響范圍，采取合理的支架類型及移架方式等措施，減小頂板的破碎程度，保證工作面的安全回采[4-6]。

1 概況

馬蘭礦18506工作面位于南五采區(qū)左翼，西北側(cè)18504工作面已回采完畢，東北側(cè)間距92.5m為南八南九膠帶機(jī)運(yùn)輸大巷。地面標(biāo)高+1238～1359m，工作面標(biāo)高 +831.7～890.1m，走向長1302m，傾斜長251m。工作面主采8號(hào)煤層，平均厚度4.43m，平均傾角4°。直接頂為厚2.32m的L1泥灰?guī)r，基本頂為厚2.33m的粉砂巖；直接底為厚0.97m的L1粉砂質(zhì)泥巖，基本底為厚3.60m的粉砂巖。工作面共發(fā)育31條斷層，其中落差0.6～3.4m（F18506-1）、1.3～2.8m（F18506-2）、1.5～3.0m（F18506-4）斷層對(duì)回采影響極大。

2 工作面過斷層數(shù)值模擬

2.1 模擬方案

采用UDEC數(shù)值模擬軟件模擬工作面過斷層應(yīng)力變化規(guī)律，選擇最合理的過斷層方案。根據(jù)18506工作面建立250m×90m模型，分別分析工作面揭露斷層前后60m、45m、30m和15m處圍巖應(yīng)力變化規(guī)律，巷道揭露斷層時(shí)圍巖變形量。

2.2 模擬結(jié)果分析

（1）揭露斷層前

采用UDEC模擬得到工作面揭露斷層前60m、45m、30m和15m處應(yīng)力變化規(guī)律，如表1所示。

表1 工作面揭露斷層前不同距離支承壓力

由表1可知，工作面至揭露斷層位置越近時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)和垂直應(yīng)力峰值不斷增大，而應(yīng)力峰值距煤壁位置不斷減小。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可知，斷層導(dǎo)致工作面圍巖的應(yīng)力值急劇增加，同時(shí)，影響工作面支承壓力的范圍和變化規(guī)律。斷層附近應(yīng)力呈現(xiàn)“幾”字型分布，工作面回采至該區(qū)域時(shí)易形成高集中應(yīng)力，若不采取合理的過斷層措施和合理的支護(hù)技術(shù)，可能會(huì)造成安全事故。

（2）揭露斷層

工作面回采至斷層區(qū)域時(shí)，受高集中應(yīng)力的影響，工作面圍巖變形量大。當(dāng)工作面回采至斷層前9m時(shí)，工作面圍巖開始出現(xiàn)較大范圍的變形破壞，工作面回采至斷層上盤后，煤層底板出現(xiàn)較大的變形破壞，有些區(qū)域出現(xiàn)底鼓。工作面繼續(xù)向前回采至斷層上下盤交界位置時(shí)，由于斷層上下盤不連續(xù)，工作面在該區(qū)域處圍巖破碎，塑性區(qū)范圍大，變形量達(dá)到最大值。此時(shí)，煤層頂板塑性區(qū)范圍增大，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)頂板支護(hù)強(qiáng)度，避免出現(xiàn)冒頂事故。工作面掘進(jìn)至斷層前9m和上下盤交接處，如圖1所示。

圖1 工作面揭露斷層覆巖運(yùn)動(dòng)特征

（3）揭露斷層后

工作面揭露斷層后，繼續(xù)向前推進(jìn)，此時(shí)，切眼與斷層間距逐漸增大。采用UDEC模擬得到工作面揭露斷層后15m、30m、45m和60m處應(yīng)力變化規(guī)律，如表2所示。

由表2可知，工作面掘進(jìn)過斷層后，由于斷層與煤壁間為非連續(xù)接觸，導(dǎo)致上覆巖層作用在巷道頂板位置發(fā)生前移。切眼繼續(xù)向前推進(jìn)，應(yīng)力集中系數(shù)、垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在45m達(dá)到垂直應(yīng)力峰值。主要原因是工作面頂板在垂直應(yīng)力的作用下發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，形成頂板的周期來壓。揭露斷層45m后，斷層不再對(duì)工作面回采產(chǎn)生影響。

表2 工作面揭露斷層后不同距離支承壓力

3 斷層破碎帶控制技術(shù)

3.1 錨網(wǎng)索支護(hù)

18506工作面回采至斷層區(qū)域時(shí)，由于頂板為復(fù)合結(jié)構(gòu)，還受風(fēng)化作用，因此需要采用錨網(wǎng)索支護(hù)，提高支護(hù)所形成承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。每排布置2根錨索，頂板每排打5根錨桿，側(cè)幫每排打3根錨桿，采空區(qū)側(cè)幫每排打4根錨桿。錨桿、錨索參數(shù)如表3所示，支護(hù)示意圖如圖2所示。

表3 錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)

金屬網(wǎng)全斷面掛網(wǎng)，網(wǎng)間搭接100mm，用14#鐵絲聯(lián)網(wǎng)，間距為每隔一孔聯(lián)一扣。

圖2 18506錨網(wǎng)索支護(hù)示意圖

3.2 單體液壓支柱挑棚

18506工作面回采至斷層區(qū)域時(shí)采用單體液壓支柱挑棚的支護(hù)形式保證煤層頂板的穩(wěn)定性。工作面采用DW40-250/110X單體液壓支柱和11#礦用工字鋼聯(lián)合組成，其中工字鋼的長度為4m，單體液壓支柱之間的間距為1m。采用一梁四柱的布置形式，共布置4排單體液壓支柱挑棚進(jìn)行切眼支護(hù)，前后分別各布置兩排。其中，第一排距工作面采空區(qū)側(cè)幫處1m，第二排、第三排分別距離第一排2.5m、4m，第四排距離第一排6.5m，同時(shí)距離工作面非采空區(qū)側(cè)幫1m。

4 支護(hù)效果檢驗(yàn)

18506工作面采用錨索和單體液壓支柱挑棚聯(lián)合支護(hù)后，提高了煤層頂?shù)装宄休d能力。通過監(jiān)測斷層區(qū)域切眼頂?shù)装逡平考安煽諈^(qū)側(cè)巷幫位移量檢驗(yàn)支護(hù)效果，監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

圖3 18506工作面切眼位移量

由圖3可知，頂?shù)装逡平亢筒煽諈^(qū)側(cè)幫位移量都隨著時(shí)間逐漸增大，在60d時(shí)，18506工作面切眼頂?shù)装逡平繛?45mm，采空區(qū)側(cè)幫位移量為85mm。工作面在過斷層時(shí)，頂?shù)装逡平糠謩e為82mm、84mm，采空區(qū)側(cè)幫位移量分別為45mm、40mm。由此可知，18506工作面過斷層時(shí)，頂?shù)装逡平考安煽諈^(qū)側(cè)幫位移量沒有出現(xiàn)明顯的增大。由此可知，聯(lián)合支護(hù)取得了良好的效果，有效地減小了煤層頂?shù)装宓钠茐某潭取?/p>

5 結(jié)論

（1）以18506工作面為研究對(duì)象，采用UDEC分別模擬工作面揭露斷層前后60m、45m、30m和15m處圍巖應(yīng)力變化規(guī)律，揭露斷層時(shí)覆巖運(yùn)移規(guī)律。根據(jù)模擬結(jié)果可知，斷層導(dǎo)致工作面支承壓力峰值、影響范圍、集中系數(shù)急劇增加，呈現(xiàn)“幾”字型分布。工作面回采至上下盤交界處煤壁及頂?shù)装遄冃瘟孔畲蟆?/p>

（2）在斷層影響區(qū)域采用錨網(wǎng)索、單體液壓支柱挑棚聯(lián)合支護(hù)，通過增加錨索數(shù)量提高支護(hù)強(qiáng)度，采用一梁四柱共布置4排單體液壓支柱挑棚提高頂板承載能力。通過在切眼設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測圍巖變形量，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，工作面過斷層時(shí)圍巖沒有出現(xiàn)明顯增大，支護(hù)取得了良好的效果。