3113綜采工作面過斷層數值模擬研究

張鎖紀

(霍州煤電集團呂臨能化有限公司， 山西 臨縣 033200)

1 前言

現今，煤炭資源日益短缺，復雜地質條件下煤炭的開采成為了主導趨勢。尤其是在開采斷層區域的煤層時，巷道的支護情況變得復雜，頂底板的運移情況更是難以預測，常常會伴隨著突水、冒頂、片幫以及煤與瓦斯突出等災害發生[1]。因此，在研究這種復雜地質條件下煤層開采時，通常會采用數值模擬的方式對復雜地質條件下煤層開采方案進行分析，通過觀測頂底板塑性區的范圍、變化情況以及頂底板圍巖運移情況，分析相鄰煤層的應力作用范圍，為近距離煤層的開采提供開采依據[2-4]。

2 工作面概況

某礦3113工作面位于井田一盤區，南側為一盤區回風大巷，北側為實體煤，開采煤層為6#煤層，整層煤厚度變化較小，傾角為2°～60°，平均傾角為49°，平均煤厚約為6.19m，煤層埋深約為395m。煤層頂底板巖性參數見表1。

3 地質條件及過斷層方式

1)地質條件

通過礦井地質資料來看，當工作面回采至240m時，揭露斷層F1，斷層落差11m，傾角71°。根據斷層所揭露的部分以及探測情況可知，整條斷層貫穿工作面，且在工作面前方煤壁中較為發育，斷層結構面中未發現較大的破碎帶，但嚴重影響了工作面的正常回采。

2)過斷層方式

由于F1斷層為大傾角斷層，其中主要成分為中砂巖，結構性質較為穩定。因此，在過斷層的同時，不需要縮短工作面回采長度，也不需要掘進額外的開切眼。由于在回采時參考工作面推進速度、回采效率以及搬家開采的經濟損失，結合表1中所示的煤層圍巖賦存狀況，根據底板較軟的特征，最終決定采用沿底掘進的方式直接過斷層。采用此方法推進，可以大幅度減小采煤機割矸量，縮短工作面過斷層的時間，確保員工的人身安全[5]。

表1 3113工作面頂底板巖性參數表

4 過斷層巷道支護數值模擬

1)模型建立與分析方案

本次模擬采用UDEC分析軟件進行數值分析，模型模擬斷層傾角α=71°，H=11m，模型總長為250m，高90m，根據摩爾—庫倫分析準則對圍巖進行受力分析。分別對工作面與F1斷層相距60m、45m、30m、15m四種情形時，圍巖的塑性區變化范圍以及頂板運移情況進行時分析，模擬圖如圖1所示。待工作面通過F1斷層時，進一步分析受斷層影響范圍內工作面的礦壓分布規律以及超前支護應力集中區域的變化狀況；并且對工作面過斷層后，回采工作面距斷層15m、30m、45m、60m時圍巖應力場分布狀況以及變化規律進行分析，判斷回采方案是否可行性、有效。

2)方案模擬結果分析

(1)通過UDEC數值分析可知，當工作面進入斷層影響區域時，4組不同觀測點的超前支承壓力峰值變化狀況見表2。從表中可以看出，當回采工作面與斷層距離不斷縮小時，應力集中系數不斷增大，同時作用在工作面前方的最大垂直應力也不斷增大，并且最大垂直應力的發生位置與煤壁的相對距離也不斷減小。由此可知，由于工作面前方斷層的存在，直接影響了工作面圍巖的最大應力值，并且還使得支承壓力的作用范圍與變化形式受到直接影響，應力集中區域大致可表現為“幾”字型分布[6]，大大增加了煤壁片幫以及沖擊地壓等礦壓顯現的可能。因此，在工作面過斷層時，為確保足夠的人身安全，應當采用必要的支護手段，盡可能避免不必要的災害事故發生。

圖1 UDEC數值模擬計算模型圖

距離/m應力集中系數最大垂直應力/MPa最大垂直應力距煤壁距離601.7324.119.7452.1226.568.4302.1528.456.9152.3731.184.2

(2)工作面通過斷層過程中，當工作面與斷層相距15m時，底板較為完整，在工作面前方9m的煤壁中產生大范圍塑性區，表現出嚴重的煤壁片幫現象，但未發生其他較為明顯的礦壓顯現特征。當整個工作面全部推進至斷層上盤之后，塑性區為煤壁前方1.7m，此時底板處煤體破碎狀況較為嚴重，且有底鼓現象發生，因此應當對工作面底板加強支護。當工作面繼續推進時，圍巖破碎加劇，斷層上下盤非連續狀態繼續發展，并且兩盤發生了明顯的相對位移，塑性區范圍由煤壁前方4.5m處延伸至斷層下盤煤體處，此時煤層頂板塑性區范圍增大，此時應當加強工作面頂板支護，防止工作面發生大面積冒頂事故。

(3)當工作面通過斷層之后，繼續推進工作面，此時工作面與斷層間距離繼續增大，斷層構造帶作用在煤壁前方的最大垂直應力與應力集中系數變化狀況重新分布，具體情況見表3。由表中數據可以看出，當工作面通過斷層之后，斷層與煤體之間主要表現為非連續應力接觸，這就使得上覆巖層作用在工作面頂板處的位置發生前移。繼續推進工作面，頂板會在垂直應力的作用下發生回轉失穩，即形成了基本頂的周期來壓現象，回采工作面也就完成了整個過斷層階段。

表3 斷層作用于煤體處的最大垂直應力與應力集中系數狀況

5 3113綜采工作面過斷層技術措施

(1)當工作面頂板形成大面積破碎區時，應當及時采用超前支架對頂板進行超前支護，充分發揮支架前梁與護幫板的作用，盡可能減小頂板冒落與工作面煤壁片幫的危險。

(2)在工作面過斷層的整個過程中，應當采取帶壓移架的方式通過，并且要觀測支架立柱的受力狀況。支架擦頂前移時不應當進行降柱操作，并且當支架移至煤壁處后，立即升柱使支架具備足夠的初撐力；工作面通過斷層之后，由于頂板會發生周期來壓，會對支架造成較大的壓力，應當對工作面上方頂板進行有效支護，避免長時間空頂而產生壓架現象。

(3)在過斷層過程中，工作面前方煤壁會產生大范圍的塑性區，導致煤壁發生大面積片幫，當片幫深度超過0.6m時，應當對前方煤壁采用“一架兩棚”的超前架棚支護形式，架棚頂梁為截面φ200mm×2 100 mm的矩形道木，立柱選取DZ28- 25/100單體支柱與道木進行搭接，且搭接過程應當嚴格按照《煤礦安全規程》操作。

(4)為更好地避免礦井沖擊地壓的威脅，可以通過電磁輻射法或鉆削法對工作面進行超前監測。如果發現工作面前方煤壁存在沖擊地壓隱患，應當及時采取相應的消危措施，通常可采用鉆孔卸壓與卸壓爆破兩種方式進行沖擊地壓的隱患消除。進行消危之后，會釋放煤壁前方的垂直應力，進而再次形成工作面基本頂的周期來壓。

6 結論

(1)通過對3113工作面過斷層采用合理的措施，可以有效改善頂底板塑性區的變化狀況，避免了頂板冒落、煤壁片幫以及沖擊地壓等礦壓顯現帶來的威脅，能夠達到預期的效果，實現了工作面過斷層時的安全高效回采。

(2)通過采用直接過斷層的方法，大大提高了煤炭的回采效率，降低了工作面搬家帶來的經濟損失，并且進一步探明了斷層的影響效果，為相鄰煤層安全過斷層提供了足夠的科學依據。