15108 工作面過構造帶安全回采技術研究

崔騰騰

（晉能控股煤業集團南河煤礦，山西 晉城 048400）

工作面回采過程中，通過斷層、褶皺等地質構造時，如果工作面區域不采取任何措施，采面支架會出現應力分布不均勻的現象。目前，我國相關領域專家已經做過大量研究，如孫毓言教授[1]對大傾角煤層綜采工作面液壓支架穩定性情況進行了研究，對傾角大的煤層回采中失穩情況進行了力學分析；王宏偉、鄧代新、江燦、石瑞明、閆鑫等人[2]進行了采動過程中褶皺構造對圍巖應力的影響；楊軍等人[3]進行了斷層構造下無煤柱開采圍巖運移規律的研究等。研究成果主要針對于圍巖運移規律的理論研究[4-8]，或主要針對于工程實踐，對于具體礦井工作面回采過程中通過褶皺構造的理論研究和工程實踐有機結合研究較少。

山西煤銷集團有限公司礦井15108 工作面地質情況復雜，回采初期部分支架出現傾斜較大、支架應力監測數據波動較大現象。為防止回采過程中由于地質因素形成的工作面支架破壞現象，對該問題采用數值模擬結合現場施工方式進行相關研究。

1 概況

15108 工作面走向長度為1685 m，切眼長度188 m，主采煤層5#煤層，煤層平均厚度4.3 m，平均傾角8°。煤層頂板為粉砂巖，平均厚度5.3 m；煤層底板為砂巖，平均厚度3.2 m。工作面采用綜合機械化放頂煤開采，一次采高2.5 m，放頂1.8 m。工作面區域存在褶皺結構2 個，1540～1640 m、250～280 m 煤層褶皺發育。斷層6 個，工作面回采至762 m 位置點出現1#褶皺情況。

15108 工作面整體地質呈現西低東高的現象。工作面回采到762 m 揭露出構造為褶皺構造，回采揭露至13#支架，煤層傾角陡增至25°，煤層厚度增加到6 m，12#支架位置點煤層厚度為2 m，煤層厚度相差4 m。綜合分析，預測710 m 位置點為褶皺構造尖滅，隨后煤層整體穩定。褶皺擠壓帶整體走向N30°E，隨著回采進度，走向增大為N45°E。

2 構造區域圍巖應力模擬研究

為研究褶皺構造對整個工作面的影響，現對工作面回采過程中采面圍巖演化過程進行數值模擬研究。模擬研究采用軟件為FLAC3D，主要模擬工作面回采通過褶皺構造10 m、20 m、30 m 時斷面圍巖應力分布云圖。

首先現場取樣，分別在工作面頂板、底板、煤層位置點取煤層、巖層樣本，送到實驗室進行檢測。所測得參數見表1。

表1 圍巖應力測試表

根據工作面長度及圍巖應力參數進行數值模擬，模擬得出工作面推進10 m、20 m、30 m 時褶皺區域斷面圍巖應力分布情況如圖1。

圖1 工作面推進過程中圍巖應力分布云圖

由圖1 可知，工作面推進至距離褶皺斷面10 m 范圍時，工作面整體應力集中區域為采面頂板和底板，頂板應力集中區域為10 m，底板應力較為集中區域為斷面下方15 m。當工作面推進至距離褶皺斷面20 m 范圍時，采面頂板應力集中區域出現上幫大、下幫小的情況，工作面頂板豎向應力集中高度為12 m，底板應力豎向集中區域為18 m，采面下幫區域應力釋放區域變大。當工作面推進至距離褶皺斷面30 m 時，采面頂板上幫應力集中區域擴大，下幫應力集中區域較小，豎向長度為21 m；底板出現大面積應力集中區域，豎向長度為30 m；采面兩幫出現大面積應力釋放區域。因此，如果不進行超前支護措施，工作面通過該區域時會出現液壓支架推動困難的現象。

3 安全措施及效果

由于褶皺構造的影響，導致工作面圍巖整體失去平衡，圍巖產生的豎向應力分布不均勻，回采過程中會導致采面液壓支架受力不均勻的情況，部分液壓支架應力過于集中，無法正常推進。為解決該問題，擬采用頂板超前注漿措施。為確定注漿壓力和頻率，采用UDEC 進行了褶皺區域巖層內注漿壓力擴散半徑模擬研究，模擬得出不同注漿壓力下頂板內漿液擴散半徑如圖2。

圖2 不同注漿壓力漿液擴散半徑模擬圖

由圖2 可知，隨著注漿壓力不斷增大，漿液擴散半徑越大。目前礦上可以提供設備注漿壓力可達到600 kPa，在該注漿壓力下進行注漿作業，隨著注漿時間的推進，擴散半徑不斷增大，單個鉆孔注漿時間為1 h。鉆孔設計如圖3，鉆孔參數見表2。

圖3 鉆孔設計圖

表2 鉆孔參數表

施工完成后，工作面推進過程中對工作面支架數據進行檢測，工作面布置液壓支架120 個，分別對每個支架通過褶皺構造的三個班次數據進行檢測，檢測結果如圖4。

圖4 液壓支架應力觀測圖

由圖4 可知，進行注漿作業后，工作面頂板整體性較好，通過三班對回采面通過褶皺構造過程中工作面120 個液壓支架應力觀測數據統計，支架應力在33～42 MPa 之間波動，未出現大的變化。現場回采過程中液壓支架挪動順利，注漿技術措施有效解決了工作面通過褶皺構造回采不暢的問題。

4 結語

為解決南河煤礦15108 工作面褶皺構造帶回采困難的問題，現場取樣實驗室參數測試，采用FLAC3D軟件進行回采推進不同距離褶皺斷面位置點應力分布云圖數值模擬研究，制定了支護措施，進行了注漿擴散模擬試驗，進行注漿作業并后期效果考察，得到以下結論：

（1）隨著工作面不斷推進，當工作面通過褶皺構造30 m 時，工作面圍巖大面積失穩；

（2）注漿壓力600 kPa 注漿泵單孔注漿時間1 h 可滿足支護要求；

（3）褶皺構造區域施工注漿孔6 個，注漿完成后，回采期間效果考察，工作面液壓支架未出現大的波動，回采工作安全順暢。