孫義煤業110106大傾角綜放工作面過斷層技術研究與應用

晏錦銀

(山西靈石華瀛孫義煤業有限公司，晉中 靈石 031301)

1 工程概況

山西靈石華瀛孫義煤業有限公司110106工作面位于井田西部，井下位于一采區西翼，工作面東部為西翼3條上山，南部為110104工作面，西部為礦井井田的邊界，北部為110108工作面，工作面傾向長度為153 m，走向長度為622 m，開采10+11號煤層，煤層合并厚度為3.5～5.6 m，平均厚度為5.35 m，工作面區域煤層傾角平均為9°，部分傾角大于20°，屬于大傾角工作面，煤層頂板為砂質泥巖和細粒砂巖，底板巖層為砂質泥巖和細粒砂巖。工作面采用綜合機械化放頂煤開采方法，開采高度為2.5 m，放煤步距為600 mm。根據工作面的地質條件可知，回采工作面存在著F11、F12和F13三條斷層，斷層的落差分別為2.8 m、1.8 m和3.0 m。現為保障工作面順利通過斷層區域，特進行大傾角工作面過斷層技術研究。

2 斷層活化模擬分析

根據110106工作面的具體地質條件，結合斷層的分布特征，建立數值模型工作面開采斷層力學模型，模型長×寬×高=240 m×200 m×185 m，模型中設置工作面寬為140 m、煤層傾角為25°(考慮工作面內可能出現煤層的最大角度)，模型左右兩側各預留50 m的煤柱，在模型Y=60 m的位置處設置接觸面用于斷層的模擬，設置斷層落差為2.8 m，模型底部和兩側邊的位移進行限制，頂部施加上覆巖層重量的等效荷載[1-3]，具體數值模型如圖1所示。模型開挖時，設置每次的開挖長度為10 m。

圖1 數值模型示意

根據數值模擬結果能夠得出工作面回采期間圍巖的垂直應力分布規律，現取工作面回采至斷層前后時圍巖垂直應力進行分析，取工作面回采20 m、40 m、50 m和 60 m時進行圍巖垂直應力分布云圖的出圖，具體工作面回采不同長度時圍巖垂直應力的分布規律如圖2所示。

圖2 工作面回采至斷層不同距離時圍巖垂直應力分布云圖

分析圖2可知，當工作面回采推進20 m時，工作面距斷層距離為40 m，工作面兩端頭幫部出現明顯的應力集中現象，最大應力達到8.73 MPa，應力集中系數為1.46，此時頂板應力分布尚未均勻，且工作面底板處的應力集中現象仍相對較為勻稱；當工作面回采推進30 m時，工作面距斷層30 m，工作面兩端頭的應力集中進一步加劇，最大應力集中達到10.2 MPa，應力集中系數達到1.7，此時工作面頂板已經形成具有大傾角煤層頂板應力拱的分布形式，工作面上部頂板應力相較于下半部分釋放程度較大；當工作面回采40 m時，距斷層距離為20 m，此時工作面兩端頭附近的應力集中程度明顯增大，應力集中最大值達到10.42 MPa，應力集中系數達到1.91，導致工作面應力大幅增大的主要原因為工作面前方20 m即將遭遇斷層；當工作面回采50 m時，工作面最大應力集中位置主要出于工作面下端幫部，應力集中程度進一步增大；當工作面回采60 m時，工作面進入斷層帶，工作面內的最大應力集中區域位于下端頭，最大應力值為12.13 MPa，最大應力集中系數為2.02，此時工作面上部頂板的應力釋放范圍及應力等值線輪廓進一步擴大。另外根據數值模擬結果能夠得出工作面推過斷層區域后，圍巖最大應力集中程度呈現出先降低后升高的特征。

根據數值模擬結果能夠得出工作面推進通過斷層區域時圍巖傾向方向的位移量，現主要分析工作面推進通過斷層前后的位移情況，對工作面推進30 m、50 m、60 m、80 m時圍巖垂直位移云圖進行分析，具體位移情況見圖3。

分析圖3可知，工作面回采30 m時，頂板最大垂直位移為22.59 mm，底板最大鼓起量為14.43 mm，隨著工作面向前推進，工作面與斷層間的距離不斷減小，頂板下沉量和底板鼓起量逐漸增大；當工作面回采至60 m時，由于已推進至斷層位置，此時頂板最大下沉量達到47.21 mm，底板最大鼓起量達到30.36 mm，頂板垂直位移峰值出現在工作面的中上部，且工作面頂底板破壞現象頻發；當工作面回采推進80 m時，工作面已推過斷層20 m，此時頂板最大垂直位移為61.58 mm，底板最大鼓起量為36.21 mm，頂板垂直位移峰值出現在工作面的中上部，據此可知，此時雖然工作面已推過斷層區域，頂底板下沉幅度仍進一步增大，即可認定為此時工作面仍處于斷層活化范圍內。根據數值模擬結果可知，當工作面頂底板變形速率開始降低，圍巖變形量逐漸減小。

圖3 工作面回采至斷層不同距離時圍巖位移分布云圖

綜合上述分析可知，在工作面距斷層15～20 m時，工作面回采期間應力及圍巖位移量均開始大幅升高，該區域為斷層對工作面的主要影響區域，應采取有效措施對斷層前后20 m范圍進行加強支護，確保工作面回采期間的安全。

3 工作面過斷層技術

3.1 過斷層技術

根據110106工作面內斷層的具體發育特征，結合斷層活化模擬分析結果，確定工作面回采過斷層區域時采用注漿加固+切底過斷層技術，具體技術方案如下：

1) 注漿加固：工作面回采至距斷層15 m時，在工作面向斷層區域打設注漿鉆孔，鉆孔參數為D30 mm×15 000 mm，鉆孔間距為2 500 mm，鉆孔在距底板1.2 m處打設，并在工作面兩巷內采用長短孔向工作面兩側中部進行注漿，漿液采用水泥漿，水灰比為0.5，水泥采用325號普通硅酸鹽水泥。

2) 切底過斷層：工作面回采至距斷層20 m時，開始采用臺階式采煤工藝，及采煤機下行割底煤，采煤機前滾筒順著頂板割頂煤，后滾筒不沿底板割底煤，以此形成臺階。

F11斷層區域的煤層厚度約為3.5 m，現為工作面推進通過F1斷層為例進行具體說明：在工作面推進通過斷層下盤至上盤的過程中，保障采煤機每刀的拉底量為50～100 mm，工作面以3°的俯角向前推進，采用“臥三刀、平三刀”的方式進行割煤作業[4]。工作面回采初期采用2°的起坡角進行割煤，起坡位置在運輸巷口180 m的位置處，工作面調整斜長為35～50 m，開始初期對面內37～71號液壓支架進行調整，回采初期設置采煤高度為3.5 m，變坡調整后將采煤高度降為3.0 m，具體切底過斷層示意如圖4所示。

圖4 工作面切底過斷層技術示意

具體工作面切底過斷層實施步驟為：①頂刀調整：在變坡點1、2處，分別進行貫通下降和上升，滾筒變化是保障變化幅度小于200 mm，確保緩慢過渡，以達到頂板走勢與工作面頂板的走勢相同。②底刀調整：在變坡點1的位置處，過渡斜長調整為7～10 m，調整幅度為350 mm，角度為2°；在變坡點2處，回采時采用與變坡點1一致的方式，且預留200～300 mm的底煤。隨著工作面的推進，當工作面推進至斷層帶傾角與落差高度降低時，以2°為起坡角度，在運輸巷142 m的位置處進行起坡，調整斜長為40 m。通過對工作面內85～104號液壓支架進行調整，設置回采高度為3 m。工作面機頭至斷層破碎帶的采高為3.5 m。

由于110106工作面為大傾角工作面，回采期間綜采支架采用專用防倒防滑裝置[5-6]，液壓支架在在防倒滑裝置約束防倒作用力F1、F2，和防滑約束力F3、F4的作用下能夠實現液壓之間下頂上拉式的主動聯合防倒防滑，具體液壓支架防倒防滑裝置及其約束力如圖5所示。

3.2 控制效果分析

110106工作面采用注漿加固+切底法通過F11、F12和F13斷層區域時，工作面未發生較大的頂板垮落現象，過斷層期間支架的姿態良好，僅工作面上方的兩架支架存在著小角度的傾斜。采用單體支柱進行調整后，兩架支架也能夠保持較好的狀態。據此可知，工作面采用注漿加固+切底法過斷層技術后，有效保障了工作面推進通過斷層區域。

圖5 液壓支架防倒防滑裝置及其約束力示意

4 結 語

根據110106工作面斷層的具體特征，通過數值模擬分析斷層活化特征及規律，確定工作面距斷層前后15～20 m的區域為斷層對工作面的主要影響區域，結合數值模擬結果設計工作面過斷層方案為注漿加固+切底法。根據技術方案實施后的現場觀測可知，工作面過斷層技術保障了工作面順利通過斷層區域。