厚煤層綜采面過斷層群礦壓規(guī)律研究

成慶華

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031400）

0 引言

工作面在實(shí)際開采過程中由于會(huì)受到諸多地質(zhì)構(gòu)造的影響，會(huì)使得工作面連續(xù)性被破壞，影響正常生產(chǎn)推進(jìn)和礦壓規(guī)律的顯現(xiàn)。斷層群作為地層中的節(jié)理構(gòu)造，其周圍圍巖會(huì)進(jìn)一步破碎，在采動(dòng)作用影響下，工作面支架及巷道礦壓顯現(xiàn)都較一般工作面嚴(yán)重。針對(duì)工作面過斷層群的關(guān)鍵技術(shù)問題，姜耀東、牟宗龍等學(xué)者均進(jìn)行了大量研究，研究表明工作面過斷層群會(huì)導(dǎo)致斷層“活化”現(xiàn)象，加劇工作面開采難度。本文以辛置礦109B工作面為研究對(duì)象，研究工作面過斷層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)工作面安全開采提供借鑒。

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電辛置礦2-109B工作面位于洪洞縣境內(nèi)，工作面開采2#煤層，位于礦井310水平一采區(qū)地面標(biāo)高708～783 m，工作面標(biāo)高221～283 m；工作面上方黃土覆蓋厚度在149～227 m，基巖厚度在306～394 m。地表分布有山谷溝壑，但對(duì)工作面生產(chǎn)影響較小。工作面位于310水平一采區(qū)軌道巷右側(cè)，2-105工作面采空區(qū)南側(cè)、2-111工作面采空區(qū)北側(cè)，西面為310水平延伸采區(qū)設(shè)計(jì)巷道，東面緊鄰310一采區(qū)軌道巷。

工作面2#煤開采厚度3.82～4.3 m，平均4.1 m，煤層傾角2°～10°，平均4°屬于近水平煤層，工作面走向長(zhǎng)313 m、傾斜長(zhǎng)50 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含兩層夾矸，局部上層夾矸較厚，對(duì)工作面正常回采工作帶來了一定風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)相鄰工作面的生產(chǎn)實(shí)際，109B工作面的頂?shù)装逄卣饕姳?。

表1 頂?shù)装逄卣鞅?/p>

2 工作面地質(zhì)構(gòu)造實(shí)測(cè)

對(duì)2-109B工作面分別采取了無線電坑透技術(shù)和瞬變電磁法進(jìn)行了工作面異常地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)工作。探測(cè)后的主要情況如下：

2.1 無線電坑透情況

探測(cè)結(jié)果顯示有5處異常區(qū)：

E1異常區(qū)位于2-109B運(yùn)輸巷13#導(dǎo)線點(diǎn)前60m至124.2m工作面內(nèi)部，影響范圍為64.2m，分析異常區(qū)范圍內(nèi)可能受斷層影響；

E2異常區(qū)位于2-109B運(yùn)輸巷19#導(dǎo)線點(diǎn)前52m至116.2m工作面內(nèi)部，影響范圍為64.2m，分析異常區(qū)范圍內(nèi)可能受工作面寬度變窄影響或者存在隱伏構(gòu)造；

E3異常區(qū)位于2-109B運(yùn)輸巷21#導(dǎo)線點(diǎn)前88m至237.8m工作面內(nèi)部，影響范圍為149.8m，分析異常區(qū)范圍內(nèi)可能存在隱伏構(gòu)造；

E4異常區(qū)位于2-109B運(yùn)輸巷25#導(dǎo)線點(diǎn)前92m至177.6m工作面內(nèi)部，影響范圍為85.6 m，分析異常區(qū)范圍內(nèi)可能受聯(lián)巷影響，也不排除存在隱伏構(gòu)造的可能；

E5異常區(qū)位于2-109B運(yùn)輸巷后段13#導(dǎo)線點(diǎn)前38 m至80.8 m工作面內(nèi)部，影響范圍為42.8 m，分析異常區(qū)范圍內(nèi)可能受工作面斷層F2影響。

2.2 瞬變電磁情況

探測(cè)結(jié)果顯示有3處異常區(qū)：

1異常區(qū)位于2-109B運(yùn)輸巷21#導(dǎo)線點(diǎn)前56～206 m范圍內(nèi)；2異常區(qū)位于2-109B運(yùn)輸巷25#導(dǎo)線點(diǎn)前87～257 m范圍內(nèi)；3異常區(qū)位于2-109B運(yùn)輸巷25#導(dǎo)線點(diǎn)前87～257 m范圍內(nèi)；

預(yù)計(jì)1、2異常區(qū)范圍內(nèi)可能存在隱伏構(gòu)造，構(gòu)造裂隙發(fā)育，含裂隙水；3異常區(qū)可能受2-109B回風(fēng)巷F4斷層影響，也不排除存在隱伏構(gòu)造，構(gòu)造裂隙發(fā)育，含裂隙水的可能性。

3 工作面過斷層群數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 立數(shù)值模型

根據(jù)2-109B工作面實(shí)際地質(zhì)資料，采用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，工作面內(nèi)部共布置有三個(gè)斷層（如圖1所示）。模型傾斜長(zhǎng)100 m，走向長(zhǎng)度為850 m，斷層編號(hào)分別為DF1、DF2、DF3。三維模型共205000個(gè)單元，模型豎直深度85 m，底部及四周采用固定位移約束，上部采用自由邊界并施加10.0 MPa的垂直應(yīng)力模擬上覆巖重。模型采用的煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表2所示。

斷層群設(shè)置在模型中部，范圍在80～100 m，工作面回采后經(jīng)歷初次來壓和周期來壓階段，在研究礦壓顯現(xiàn)規(guī)律時(shí)一般選取周期來壓階段。因此，選取工作面回采200～260 m時(shí)的數(shù)據(jù)研究過斷層群前的礦壓顯現(xiàn)特征，選取340～420 m時(shí)數(shù)據(jù)研究工作面過斷層群時(shí)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

圖1 模型斷層分布圖

表2 煤巖物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 作面過斷層群應(yīng)力變化規(guī)律

1）工作面過斷層群前礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。工作面推進(jìn)到200～260 m范圍時(shí)，此時(shí)距斷層群位置還有一段距離，根據(jù)煤壁垂直應(yīng)力分布規(guī)律可知，此時(shí)垂直應(yīng)力狀態(tài)依舊表現(xiàn)為常規(guī)推進(jìn)時(shí)的特征。煤壁前方垂直應(yīng)力表現(xiàn)為明顯的單峰分布，應(yīng)力峰值為29.0 MPa，約為原巖應(yīng)力的2.5～3.0倍，整個(gè)監(jiān)測(cè)階段應(yīng)力規(guī)律分布穩(wěn)定，不受斷層群分布的影響。

圖2 作面過斷層群前煤壁前方垂直應(yīng)力分布規(guī)律

圖3 作面過斷層群時(shí)煤壁前方垂直應(yīng)力分布規(guī)律

2）工作面過斷層群時(shí)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。作面繼續(xù)向前推進(jìn)距離達(dá)到340～420 m時(shí)，逐步推過斷層群，由過斷層群時(shí)的應(yīng)力分布情況可知，工作面在推進(jìn)入到斷層群時(shí)和推出斷層群時(shí)應(yīng)力峰值明顯升高，最大值達(dá)50.1 MPa，峰值位置向后移近4～5 m；在斷層群內(nèi)部推進(jìn)時(shí)垂直應(yīng)力比正常回采階段要低，這是由于斷層區(qū)域煤層及頂?shù)装遢^為破碎，造成回采時(shí)礦壓顯現(xiàn)的不穩(wěn)定。整體而言，工作面受多個(gè)斷層分布的影響，礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與常規(guī)工作面存在差別，尤其在進(jìn)出斷層群時(shí)，應(yīng)注意加強(qiáng)礦壓監(jiān)測(cè)工作，防止因工作面頂板結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致出現(xiàn)生產(chǎn)事故。

4 結(jié) 論

文章利用無線電坑透與瞬變電磁探查了109B工作面斷層及其他地質(zhì)構(gòu)造的分布情況，工作面在過斷層群之前礦壓顯現(xiàn)和常規(guī)工作面類似，進(jìn)出斷層群期間礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，峰值可達(dá)5倍的原巖應(yīng)力；工作面在斷層群中推進(jìn)時(shí)，應(yīng)力值較小，與進(jìn)出斷層群有較大差異性。文章研究的工作面過斷層群的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律為109B工作面實(shí)際生產(chǎn)提供了指導(dǎo)，也為類似礦井工作面回采提供了借鑒。