斷層附近工作面頂板運動規律影響因素的研究

封澤鵬

（西山煤電鎮城底礦采煤科綜采二隊，山西 古交 030200）

斷層是煤礦開采中最常見的一種地質構造，可能會影響工作面應力分布，導致頂板破碎，支護管理困難，給礦井安全生產帶來巨大的安全隱患[1]。受斷層影響，工作面上部基本頂巖層被切割斷裂，工作面應力重新分布，圍巖運動規律出現明顯改變[2]。鎮城底礦22602工作面中部有一條F214逆斷層，斷層貫穿整個工作面，對工作面回采帶來了較大影響，如何安全快速地通過斷層，是該工作面推進過程中面臨的重點問題。本文以該工作面實際生產條件為背景，通過理論分析和數值模擬的方法，分析工作面頂板受力情況，研究不同因素影響下斷層附近工作面頂板的運動規律，為相似條件下工作面過斷層提供參考價值。

1 工作面概況

鎮城底礦屬于山西焦煤集團旗下礦井，位于山西省古交市附近， 22602工作面主采2#煤層，煤層厚度為1.70～2.20m，平均1.85m，煤層結構簡單，厚度穩定，局部層理發育，為全區可采煤層。煤層傾角為1～4°，平均2°，屬于近水平煤層。工作面走向長度664m，傾斜長度197m，工作面面積為130808m2。工作面直接頂為1.90m厚的砂頁巖互層，基本頂為8.0m厚的細粒砂巖，直接底為2.62m厚的砂質泥巖，基本底為2.76m厚的砂頁巖互層。

工作面回采過程中，在距離開切眼約398m處揭露一條逆斷層F214，斷層貫穿整個工作面，由機頭逐步延伸至機尾，對工作面回采影響很大，在單軌吊巷12#點往里12m處，斷層落差H為10m，傾角∠為25°，在皮帶巷11#點往里10m處，斷層落差H為5.5m，傾角∠為17°。

2 斷層附近工作面頂板受力模型

受斷層影響，工作面開采至斷層附近時，頂板冒落高度增加，基本頂周期來壓步距減小。根據斷層附近頂板受力情況，建立力學模型，如圖1所示。

圖1 煤層頂板受力模型

如圖1所示，模型頂部受到基本頂作用，但由于基本頂強度較大，可將其視為以“給定變形”的作用方式，直接頂下部受支架支撐阻力P1和工作面前方煤壁的支撐力P2作用，直接頂右邊界受工作面后方垮落矸石作用，將其簡化為水平作用力P3。

在斷層處，煤體的彈性變形量可表示為：

式中：

S0-煤體的彈性變形量，m；

K-應力集中系數；

γ-上覆巖層平均容重，kN/m3；

H-煤層埋深，m；

E1-煤層彈性模量，kPa。

在上述模型中，將支架支撐力視為一個線性變化的載荷，則控頂距內任一點處的支架支撐力P1可表示為：

式中：

F-液壓支架的額定工作阻力，kN；

L-支架控頂距，m；

xz-控頂距內該點距離斷層處的距離，m；

l-工作面煤壁距離斷層的長度，m。

要求得工作面前方煤壁對頂板的支撐力P2，首先要確定煤壁前方煤體的受力情況。受工作面超前支承壓力作用，工作面煤壁前方煤體受到一定破壞，強度降低，而煤體的受力情況應滿足下式條件：

式中：

σ1-最大主應力，MPa；

σ3-最小主應力，MPa；

σc-煤體受支承壓力破壞后的殘余強度，MPa；

Kp-三軸應力系數，與煤層內摩擦角φ有關，

在斷層附近，煤體所受的垂直應力遠大于水平應力，因此，式（3）又可表示為：

式中：

σx-水平方向應力，MPa；

σy-垂直方向應力，即為煤壁對頂板的支撐力P2，MPa。

在圖1所示的計算模型中，將煤壁對頂板的支撐力P2簡化為線性變化的載荷，在斷層位置處，煤壁支承力大小應為KγH，在工作面煤壁處，支撐力應為煤體殘余強度σc，因此，根據線性方程求解方法，煤壁前方任一點處對頂板的支撐力可表示為：

式中：

l-煤壁距離斷層距離，m；

x-煤壁前方該點距離斷層距離，m；

K-應力集中系數；

γ-上覆巖層平均容重，kN/m3；

H-煤層埋深，m。

3 斷層附近頂板下沉量影響因素分析

通過前面對斷層附近工作面頂板的受力分析，可知工作面頂板受力與煤層采高、支架控頂距、支護強度以及埋深等因素有關，這也是影響頂板下沉的主要因素，而對于某一特定工作面，支架強度和埋深等因素固定，采高和控頂距是影響頂板下沉的主要因素。下面，利用FLAC3D數值模擬軟件，對這兩個因素的影響規律進行分析研究。

3.1 建立模型

根據工作面實際地質條件，建立數值計算模型，模型長度為240m，寬度為220m，高度為80m，模型四周與底部固支，頂板施加均布載荷模擬上覆巖層作用。其初始計算模型如圖2所示。

圖2 初始計算模型

模擬中每次推進2m，計算至平衡后推進下一步，在控頂距范圍內施加0.6MPa的載荷作為支架阻力，記錄工作面過斷層時頂板下沉量，分析煤層采高和支架控頂距對頂板下沉量的影響規律。

3.2 模擬結果與分析

（1）煤層采高的影響

根據煤層實際情況，工作面平均采高為1.85m，為確定不同采高對頂板下沉量的影響規律，分別模擬采高為1.0m、1.3m、1.6m和1.85m時情況，記錄過斷層時頂板下沉量，模擬結果如圖3所示。

圖3 煤層采高與頂板下沉量的關系

如圖3所示，當煤層采高為1.0m時，頂板下沉量約為0.1m，隨著采高的不斷增加，頂板下沉量也隨之增加，且增加速度不斷加快，當煤層采高增至1.85m時，頂板下沉量可達0.5m左右，頂板變形較大，維護管理困難，極易發生冒頂等安全事故。

（2）支架控頂距的影響

由前面可知，模擬中在煤壁后方施加一定載荷模擬支架的支撐作用。根據實際情況，22602工作面使用ZY3600/11/25型支撐掩護式液壓支架，其最大控頂范圍為4.98m，因此，為確定控頂距對頂板下沉量的影響，分別模擬控頂距為3.5m、4.0m、4.5m和5.0m時工作面過斷層情況，并記錄頂板下沉量，模擬結果如圖4所示。

圖4 支架控頂距與頂板下沉量的關系

由圖4可知，當支架控頂距為3.0m時，工作面頂板下沉量為0.37m，隨著控頂距的增加，頂板下沉量隨之增加。這是由于支架控頂距的增加導致頂板懸露長度的增加，直接頂處的應力也顯著增加，導致頂板下沉量的增大。

4 工作面過斷層合理措施

工作面通過斷層時，頂板相對破碎，圍巖應力增高，變形增大，極易發生安全事故。通過上文的分析結果，結合實際生產經驗，確定以下安全技術措施。

（1）當接近斷層5～8m時，就應提前挑頂作業，減少斷層落差，為工作面通過斷層做準備，同時，加強對圍巖的監測和管理，避免生產事故的發生，保障工作面安全生產[3]；

（2）過斷層時可降低采高，減少圍巖變形，保障工作面順利通過斷層，結合礦井實際情況，采高過低時，造成采場空間狹小，影響工作面的正常生產，因此，確定過斷層時煤層采高應保持在1.6m左右；

（3）適當減少控頂距來控制斷層附近的圍巖變形，根據工作面實際生產條件，適當降低控頂距至4.08m。

（4）頂板較為破碎時，可以采用注漿的方法對煤體進行加固，提高煤體承載能力[4]。

在實際生產過程中，工作面通過斷層時采用上述方法，有效控制了頂板下沉量，根據實測數據，頂板下沉量最大為0.28m，符合安全生產要求，保障了工作面的正常生產。

5 結論

針對山西焦煤集團鎮城底礦22602工作面斷層實際情況，為保證工作面安全快速通過斷層，通過理論分析和FLAC3D數值模擬軟件，對斷層附近工作面頂板運動規律進行分析研究，得到以下結論：

（1）根據斷層附近工作面頂板受力情況，建立力學模型，認為斷層附近直接頂下部受到支架阻力和煤壁支撐力的共同作用，工作面后方冒落矸石提供水平方向作用力；

（2）確定影響斷層附近工作面頂板下沉的主要因素，利用數值模擬軟件，記錄不同條件下工作面通過斷層時的頂板下沉量，確定各因素對頂板下沉量的影響規律。