大采高工作面過斷層礦壓顯現(xiàn)特征分析

閆小軍

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 王莊煤礦，山西 長治 046000)

斷層是煤層地系中廣泛存在的構(gòu)造形態(tài)。采動伴隨著巖層應(yīng)力場的重新分布，斷層與采動相互作用將使巖層應(yīng)力場異常復(fù)雜，因此對工作面回采過斷層附近時礦壓顯現(xiàn)分布規(guī)律的研究是十分必要的[1]。

1 工程背景

王莊煤礦5113工作面主采3號煤層，煤厚6.4 m，平均埋深510 m，工作面采高為3 m，采用綜放開采方式。5113綜采工作面設(shè)計(jì)走向長度310 m，設(shè)計(jì)每日正規(guī)循環(huán)數(shù)為4個，推進(jìn)長度3.2 m。工作面F315斷層被揭露于切眼與運(yùn)巷相交處，斷層產(chǎn)狀為走向82°、傾向172°、傾角80°、最大落差5.4 m。該斷層在工作面延伸情況如圖1所示。

圖1 斷層分布位置平面示意

2 工作面過斷層數(shù)值模型推演

以王莊煤礦5113工作面F315斷層產(chǎn)狀特征為背景，運(yùn)用FLAC3D建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型及邊界條件

模型尺寸(長×寬×高)為200 m×60 m×106 m，斷層帶傾角為80°，兩側(cè)巖層落差5 m，為避免邊界應(yīng)力效應(yīng)對模擬結(jié)果的影響，模型兩側(cè)各留50 m邊界區(qū)域，對模型四周采用輥軸邊界，考慮埋深效應(yīng)，在模型頂部邊界施加7.5 MPa均布載荷模擬上覆巖層重量，同時取側(cè)壓系數(shù)為1.2，對模型側(cè)向施加水平應(yīng)力，斷層帶采用接觸面單元且設(shè)置為庫倫剪切模型，符合淺層斷裂構(gòu)造性質(zhì)。模擬分析上下盤工作面逐步向斷層推進(jìn)時斷層附近圍巖應(yīng)力的演化過程。

計(jì)算模型參數(shù)均由現(xiàn)場鉆取巖樣，通過室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)測得，各部分參數(shù)如表1所示，斷層主要參數(shù)如表2所示。

表1 模型巖層力學(xué)參數(shù)

表2 斷層帶主要參數(shù)

3 工作面過斷層礦壓分布規(guī)律

3.1 工作面過斷層礦壓顯現(xiàn)特征

煤層回采期間巖層內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行重新分布，隨著不斷向前回采，采空區(qū)上覆巖層重量向四周圍巖深部轉(zhuǎn)移，形成超前支撐應(yīng)力區(qū)，斷層構(gòu)造的存在一方面使地應(yīng)力場存在構(gòu)造應(yīng)力，另一方面，斷層的存在破壞了巖體的整體性和一致性，影響礦山壓力場分布。

對所建立的模型從上盤向下盤逐步開挖。對于工作面距離F315斷層在不同位置的應(yīng)力分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，截取開挖面煤壁剖面做分析比較，應(yīng)力分布云圖如圖3所示。

圖3 開采過程中礦壓應(yīng)力分布趨勢

當(dāng)工作面回采距離該斷層20 m時，最大壓力達(dá)到11.24 MPa。當(dāng)工作面距離該斷層10 m時，最大壓力增加至15.7 MPa，應(yīng)力集中區(qū)域的覆蓋范圍有明顯擴(kuò)大趨勢。當(dāng)工作面到達(dá)斷層時，其最大壓力達(dá)到17.2 MPa，應(yīng)力集中范圍達(dá)到最大。當(dāng)工作面回采不斷靠近該斷層時，上盤附近的巖層受到的回采動壓增大且隨著斷層面與工作面前方煤壁之間的煤柱寬度變得越來越小，上覆巖層無法得到有效支撐，高度和寬度也隨之變大。

工作面通過斷層進(jìn)入下盤后距離斷層不同位置時的應(yīng)力分布云圖如圖4所示。隨著工作面由上盤推進(jìn)至下盤，最大壓力區(qū)域也從上盤區(qū)域轉(zhuǎn)移至下盤區(qū)域，因此工作面通過該斷層10 m后，超前支撐應(yīng)力的最大值達(dá)到了16.5 MPa，該支撐應(yīng)力值要明顯低于過斷層前靠近斷層區(qū)域的最大壓力值。當(dāng)通過斷層繼續(xù)推進(jìn)時，上盤巖層的影響程度也相應(yīng)減小，工作面在通過該斷層20 m、40 m時，超前應(yīng)力最大值分別為15.34 MPa、12.45 MPa，工作面距離斷層越遠(yuǎn)的區(qū)域壓力越不明顯。

圖4 工作面過斷層后應(yīng)力分布云圖

3.2 工作面過斷層礦壓動態(tài)演化

采煤機(jī)從工作面由上盤向正斷層推進(jìn)時，工作面頂板壓力較小，工作面前方壓力分布如圖5所示。

圖5 斷層對工作面壓力重新分布影響曲線

在距離該斷層60 m 時，由于上覆巖層未受到回采動壓的影響，超前動壓相對較小，其最大值為5.8 MPa。在距離該斷層50 m時，上覆巖層受回采動壓影響，超前動壓最大值增大為12.7 MPa。在距離該斷層40 m時，超前動壓最大值增大為15.2 MPa。隨著工作面不斷推進(jìn)，斷層面與煤壁間煤柱距離的變小，超前動壓最大值增速加快，在距離該斷層10 m時，超前動壓最大值達(dá)到最大，其值為22.9 MPa，并且煤壁前10 m范圍內(nèi)的壓力值基本都在18 MPa以上，煤柱受壓現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

當(dāng)工作面位于斷層區(qū)域時，應(yīng)力最大值在17.2 MPa處較低，這是由于預(yù)應(yīng)力最大值位于下盤處，斷層的存在削弱了上、下盤塊力的傳導(dǎo),而工作面處于斷層區(qū)域時，其值降低為17.2 MPa，這是因?yàn)槌皦毫ψ畲笾滴挥谙卤P處，斷層的存在阻隔了兩盤間的應(yīng)力傳遞。

4 過斷層方案優(yōu)化

針對過斷層時破巖量大、留煤量大、工作面推進(jìn)速度緩慢、斷層附近圍巖支護(hù)困難、采煤機(jī)截齒磨損嚴(yán)重等問題，提出了“沿斷層上盤煤層提前起坡—控制起坡傾角—注漿加固”過斷層方案。

1) 起坡傾角與距離優(yōu)化。如圖6所示，現(xiàn)場采用的過斷層具體方案為從工作面上盤距斷層面11 m的位置以18°傾角進(jìn)行隨坡管理。根據(jù)工作面斷層的傾角情況進(jìn)行工作面坡度的調(diào)整，上盤留底煤并挑頂，下盤臥底破巖，并通過對斷層區(qū)域及時調(diào)整采高，做到盡可能少破巖石，少留底煤。

圖6 過斷層方案示意

2) 支護(hù)方案設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化。在進(jìn)行工作面過斷層注漿加固時，注漿的過程主要是在工作面推進(jìn)至離斷層10 m時，從工作面的方向?qū)ぷ髅鏀鄬訁^(qū)域煤體進(jìn)行加固。根據(jù)5113工作面斷層的賦存情況，選擇在預(yù)掘巷的頂板向前傾斜20°角布置3組注漿孔，兩邊的注漿孔擺角設(shè)為20°向幫部傾斜，注漿孔間距為1.5 m。注漿孔參數(shù)孔徑為D=42 mm，孔深為6 m，在距離注漿孔孔口1.5～2.0 m的位置進(jìn)行封孔，注漿孔的傾角如圖7所示。

為進(jìn)一步研究工作面在回采期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，分別對頂板下沉量、斷層滑移量等進(jìn)行觀測。

圖7 注漿孔布置方案

4.1 頂板下沉量

從圖8中可以看出，當(dāng)工作面回采至距離斷層30 m時，由于靠近斷層，頂板受壓進(jìn)一步增加，頂板下沉量達(dá)到30.6 mm；隨著工作面的推進(jìn)，頂板的下沉量逐漸增大，到達(dá)斷層區(qū)域時，頂板受壓最高，下沉量也達(dá)到最大值66.7 mm，相比距離斷層40 m時的下沉量，超過一倍，增速較快。

圖8 工作面頂板下沉量

當(dāng)工作面進(jìn)入斷層下盤時，由于頂板受壓變小，頂板下沉量呈減小趨勢，通過斷層5 m時，下沉量為26 mm左右。當(dāng)工作面通過斷層 30～40 m區(qū)域時恢復(fù)正常。

4.2 斷層滑移量

回采對斷層滑移量影響見圖9。

圖9 回采對斷層滑移量影響

由圖9可知，工作面在上盤開采距離該斷層20～40 m范圍內(nèi)時，隨著工作面的推進(jìn)，斷層滑移量(斷層滑移量主要通過在回采過斷層前40 m范圍以每10 m為一個測量點(diǎn)安排專人進(jìn)行現(xiàn)場測量，推進(jìn)至距斷層10 m時加大觀測頻率，以2 m為一個測量點(diǎn)共選取了8個點(diǎn)，以及通過斷層后60 m范圍根據(jù)現(xiàn)場斷層傾角變化及斷層落差變化具體得出每階段斷層滑移量)逐漸增加，當(dāng)距離該斷層40 m時，滑移量僅為2.88 mm，此時斷層趨于穩(wěn)定態(tài)勢，工作面的正常推進(jìn)對斷層的滑移量幾乎沒有影響。在距該斷層10 m時，滑移量達(dá)到了15.35 mm，相比與距離該斷層40 m時的滑移量增加了5.31倍，之后斷層滑移量增長速度變小，在斷層區(qū)域時達(dá)到了58.98 mm，開采下盤煤層時，斷層滑移量出現(xiàn)一定程度變大之后趨于穩(wěn)定，最大滑移量為74 mm，工作面基本處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

5113綜放工作面采用由F315斷層上盤向斷層推進(jìn)的方法通過該斷層，用105 d推過310 m斷層影響區(qū)，平均每天推進(jìn)2.95 m左右。共可多采煤炭18 600 m3，合計(jì)2.6萬t，遺留煤炭資源總量僅為134.5 t。

5 結(jié) 語

1) 斷層帶的存在對上覆巖層的應(yīng)力傳播特性有明顯削弱跡象，斷層帶兩側(cè)區(qū)域受采動應(yīng)力影響明顯。

2) 隨著工作面向斷層區(qū)域推進(jìn)，應(yīng)力顯現(xiàn)區(qū)域明顯增大。

3) “沿斷層上盤煤層提前起坡—控制起坡傾角—注漿加固”過斷層方案的應(yīng)用保障了5113工作面安全高效開采，取得了良好的安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)效益。