3113綜采工作面過斷層數(shù)值模擬研究

張鎖紀(jì)

(霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司， 山西 臨縣 033200)

1 前言

現(xiàn)今，煤炭資源日益短缺，復(fù)雜地質(zhì)條件下煤炭的開采成為了主導(dǎo)趨勢(shì)。尤其是在開采斷層區(qū)域的煤層時(shí)，巷道的支護(hù)情況變得復(fù)雜，頂?shù)装宓倪\(yùn)移情況更是難以預(yù)測(cè)，常常會(huì)伴隨著突水、冒頂、片幫以及煤與瓦斯突出等災(zāi)害發(fā)生[1]。因此，在研究這種復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層開采時(shí)，通常會(huì)采用數(shù)值模擬的方式對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層開采方案進(jìn)行分析，通過觀測(cè)頂?shù)装逅苄詤^(qū)的范圍、變化情況以及頂?shù)装鍑鷰r運(yùn)移情況，分析相鄰煤層的應(yīng)力作用范圍，為近距離煤層的開采提供開采依據(jù)[2-4]。

2 工作面概況

某礦3113工作面位于井田一盤區(qū)，南側(cè)為一盤區(qū)回風(fēng)大巷，北側(cè)為實(shí)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?shù)装鍘r性參數(shù)見表1。

3 地質(zhì)條件及過斷層方式

1)地質(zhì)條件

通過礦井地質(zhì)資料來看，當(dāng)工作面回采至240m時(shí)，揭露斷層F1，斷層落差11m，傾角71°。根據(jù)斷層所揭露的部分以及探測(cè)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(fā)育，斷層結(jié)構(gòu)面中未發(fā)現(xiàn)較大的破碎帶，但嚴(yán)重影響了工作面的正?；夭伞?/p>

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(jié)構(gòu)性質(zhì)較為穩(wěn)定。因此，在過斷層的同時(shí)，不需要縮短工作面回采長度，也不需要掘進(jìn)額外的開切眼。由于在回采時(shí)參考工作面推進(jìn)速度、回采效率以及搬家開采的經(jīng)濟(jì)損失，結(jié)合表1中所示的煤層圍巖賦存狀況，根據(jù)底板較軟的特征，最終決定采用沿底掘進(jìn)的方式直接過斷層。采用此方法推進(jìn)，可以大幅度減小采煤機(jī)割矸量，縮短工作面過斷層的時(shí)間，確保員工的人身安全[5]。

表1 3113工作面頂?shù)装鍘r性參數(shù)表

4 過斷層巷道支護(hù)數(shù)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(jìn)行數(shù)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(jù)摩爾—庫倫分析準(zhǔn)則對(duì)圍巖進(jìn)行受力分析。分別對(duì)工作面與F1斷層相距60m、45m、30m、15m四種情形時(shí)，圍巖的塑性區(qū)變化范圍以及頂板運(yùn)移情況進(jìn)行時(shí)分析，模擬圖如圖1所示。待工作面通過F1斷層時(shí)，進(jìn)一步分析受斷層影響范圍內(nèi)工作面的礦壓分布規(guī)律以及超前支護(hù)應(yīng)力集中區(qū)域的變化狀況；并且對(duì)工作面過斷層后，回采工作面距斷層15m、30m、45m、60m時(shí)圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布狀況以及變化規(guī)律進(jìn)行分析，判斷回采方案是否可行性、有效。

2)方案模擬結(jié)果分析

(1)通過UDEC數(shù)值分析可知，當(dāng)工作面進(jìn)入斷層影響區(qū)域時(shí)，4組不同觀測(cè)點(diǎn)的超前支承壓力峰值變化狀況見表2。從表中可以看出，當(dāng)回采工作面與斷層距離不斷縮小時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)不斷增大，同時(shí)作用在工作面前方的最大垂直應(yīng)力也不斷增大，并且最大垂直應(yīng)力的發(fā)生位置與煤壁的相對(duì)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(yīng)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(yīng)力集中區(qū)域大致可表現(xiàn)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(xiàn)的可能。因此，在工作面過斷層時(shí)，為確保足夠的人身安全，應(yīng)當(dāng)采用必要的支護(hù)手段，盡可能避免不必要的災(zāi)害事故發(fā)生。

圖1 UDEC數(shù)值模擬計(jì)算模型圖

距離/m應(yīng)力集中系數(shù)最大垂直應(yīng)力/MPa最大垂直應(yīng)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(dāng)工作面與斷層相距15m時(shí)，底板較為完整，在工作面前方9m的煤壁中產(chǎn)生大范圍塑性區(qū)，表現(xiàn)出嚴(yán)重的煤壁片幫現(xiàn)象，但未發(fā)生其他較為明顯的礦壓顯現(xiàn)特征。當(dāng)整個(gè)工作面全部推進(jìn)至斷層上盤之后，塑性區(qū)為煤壁前方1.7m，此時(shí)底板處煤體破碎狀況較為嚴(yán)重，且有底鼓現(xiàn)象發(fā)生，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)工作面底板加強(qiáng)支護(hù)。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)時(shí)，圍巖破碎加劇，斷層上下盤非連續(xù)狀態(tài)繼續(xù)發(fā)展，并且兩盤發(fā)生了明顯的相對(duì)位移，塑性區(qū)范圍由煤壁前方4.5m處延伸至斷層下盤煤體處，此時(shí)煤層頂板塑性區(qū)范圍增大，此時(shí)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)工作面頂板支護(hù)，防止工作面發(fā)生大面積冒頂事故。

(3)當(dāng)工作面通過斷層之后，繼續(xù)推進(jìn)工作面，此時(shí)工作面與斷層間距離繼續(xù)增大，斷層構(gòu)造帶作用在煤壁前方的最大垂直應(yīng)力與應(yīng)力集中系數(shù)變化狀況重新分布，具體情況見表3。由表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)工作面通過斷層之后，斷層與煤體之間主要表現(xiàn)為非連續(xù)應(yīng)力接觸，這就使得上覆巖層作用在工作面頂板處的位置發(fā)生前移。繼續(xù)推進(jìn)工作面，頂板會(huì)在垂直應(yīng)力的作用下發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，即形成了基本頂?shù)闹芷趤韷含F(xiàn)象，回采工作面也就完成了整個(gè)過斷層階段。

表3 斷層作用于煤體處的最大垂直應(yīng)力與應(yīng)力集中系數(shù)狀況

5 3113綜采工作面過斷層技術(shù)措施

(1)當(dāng)工作面頂板形成大面積破碎區(qū)時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)采用超前支架對(duì)頂板進(jìn)行超前支護(hù)，充分發(fā)揮支架前梁與護(hù)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(xiǎn)。

(2)在工作面過斷層的整個(gè)過程中，應(yīng)當(dāng)采取帶壓移架的方式通過，并且要觀測(cè)支架立柱的受力狀況。支架擦頂前移時(shí)不應(yīng)當(dāng)進(jìn)行降柱操作，并且當(dāng)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(huì)發(fā)生周期來壓，會(huì)對(duì)支架造成較大的壓力，應(yīng)當(dāng)對(duì)工作面上方頂板進(jìn)行有效支護(hù)，避免長時(shí)間空頂而產(chǎn)生壓架現(xiàn)象。

(3)在過斷層過程中，工作面前方煤壁會(huì)產(chǎn)生大范圍的塑性區(qū)，導(dǎo)致煤壁發(fā)生大面積片幫，當(dāng)片幫深度超過0.6m時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)前方煤壁采用“一架兩棚”的超前架棚支護(hù)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(jìn)行搭接，且搭接過程應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照《煤礦安全規(guī)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(duì)工作面進(jìn)行超前監(jiān)測(cè)。如果發(fā)現(xiàn)工作面前方煤壁存在沖擊地壓隱患，應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取相應(yīng)的消危措施，通?？刹捎勉@孔卸壓與卸壓爆破兩種方式進(jìn)行沖擊地壓的隱患消除。進(jìn)行消危之后，會(huì)釋放煤壁前方的垂直應(yīng)力，進(jìn)而再次形成工作面基本頂?shù)闹芷趤韷骸?/p>

6 結(jié)論

(1)通過對(duì)3113工作面過斷層采用合理的措施，可以有效改善頂?shù)装逅苄詤^(qū)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(xiàn)帶來的威脅，能夠達(dá)到預(yù)期的效果，實(shí)現(xiàn)了工作面過斷層時(shí)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?guī)淼慕?jīng)濟(jì)損失，并且進(jìn)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(xué)依據(jù)。