孫義煤業(yè)110106大傾角綜放工作面過(guò)斷層技術(shù)研究與應(yīng)用

晏錦銀

(山西靈石華瀛孫義煤業(yè)有限公司，晉中 靈石 031301)

1 工程概況

山西靈石華瀛孫義煤業(yè)有限公司110106工作面位于井田西部，井下位于一采區(qū)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(zhǎng)度為153 m，走向長(zhǎng)度為622 m，開采10+11號(hào)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(qū)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(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖，底板巖層為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖。工作面采用綜合機(jī)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(jù)工作面的地質(zhì)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?，F(xiàn)為保障工作面順利通過(guò)斷層區(qū)域，特進(jìn)行大傾角工作面過(guò)斷層技術(shù)研究。

2 斷層活化模擬分析

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

圖1 數(shù)值模型示意

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出工作面回采期間圍巖的垂直應(yīng)力分布規(guī)律，現(xiàn)取工作面回采至斷層前后時(shí)圍巖垂直應(yīng)力進(jìn)行分析，取工作面回采20 m、40 m、50 m和 60 m時(shí)進(jìn)行圍巖垂直應(yīng)力分布云圖的出圖，具體工作面回采不同長(zhǎng)度時(shí)圍巖垂直應(yīng)力的分布規(guī)律如圖2所示。

圖2 工作面回采至斷層不同距離時(shí)圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

分析圖2可知，當(dāng)工作面回采推進(jìn)20 m時(shí)，工作面距斷層距離為40 m，工作面兩端頭幫部出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力達(dá)到8.73 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.46，此時(shí)頂板應(yīng)力分布尚未均勻，且工作面底板處的應(yīng)力集中現(xiàn)象仍相對(duì)較為勻稱；當(dāng)工作面回采推進(jìn)30 m時(shí)，工作面距斷層30 m，工作面兩端頭的應(yīng)力集中進(jìn)一步加劇，最大應(yīng)力集中達(dá)到10.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.7，此時(shí)工作面頂板已經(jīng)形成具有大傾角煤層頂板應(yīng)力拱的分布形式，工作面上部頂板應(yīng)力相較于下半部分釋放程度較大；當(dāng)工作面回采40 m時(shí)，距斷層距離為20 m，此時(shí)工作面兩端頭附近的應(yīng)力集中程度明顯增大，應(yīng)力集中最大值達(dá)到10.42 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.91，導(dǎo)致工作面應(yīng)力大幅增大的主要原因?yàn)楣ぷ髅媲胺?0 m即將遭遇斷層；當(dāng)工作面回采50 m時(shí)，工作面最大應(yīng)力集中位置主要出于工作面下端幫部，應(yīng)力集中程度進(jìn)一步增大；當(dāng)工作面回采60 m時(shí)，工作面進(jìn)入斷層帶，工作面內(nèi)的最大應(yīng)力集中區(qū)域位于下端頭，最大應(yīng)力值為12.13 MPa，最大應(yīng)力集中系數(shù)為2.02，此時(shí)工作面上部頂板的應(yīng)力釋放范圍及應(yīng)力等值線輪廓進(jìn)一步擴(kuò)大。另外根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出工作面推過(guò)斷層區(qū)域后，圍巖最大應(yīng)力集中程度呈現(xiàn)出先降低后升高的特征。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出工作面推進(jìn)通過(guò)斷層區(qū)域時(shí)圍巖傾向方向的位移量，現(xiàn)主要分析工作面推進(jìn)通過(guò)斷層前后的位移情況，對(duì)工作面推進(jìn)30 m、50 m、60 m、80 m時(shí)圍巖垂直位移云圖進(jìn)行分析，具體位移情況見(jiàn)圖3。

分析圖3可知，工作面回采30 m時(shí)，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(jìn)，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(dāng)工作面回采至60 m時(shí)，由于已推進(jìn)至斷層位置，此時(shí)頂板最大下沉量達(dá)到47.21 mm，底板最大鼓起量達(dá)到30.36 mm，頂板垂直位移峰值出現(xiàn)在工作面的中上部，且工作面頂?shù)装迤茐默F(xiàn)象頻發(fā)；當(dāng)工作面回采推進(jìn)80 m時(shí)，工作面已推過(guò)斷層20 m，此時(shí)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(xiàn)在工作面的中上部，據(jù)此可知，此時(shí)雖然工作面已推過(guò)斷層區(qū)域，頂?shù)装逑鲁练热赃M(jìn)一步增大，即可認(rèn)定為此時(shí)工作面仍處于斷層活化范圍內(nèi)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)工作面頂?shù)装遄冃嗡俾书_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(shí)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(shí)，工作面回采期間應(yīng)力及圍巖位移量均開始大幅升高，該區(qū)域?yàn)閿鄬訉?duì)工作面的主要影響區(qū)域，應(yīng)采取有效措施對(duì)斷層前后20 m范圍進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，確保工作面回采期間的安全。

3 工作面過(guò)斷層技術(shù)

3.1 過(guò)斷層技術(shù)

根據(jù)110106工作面內(nèi)斷層的具體發(fā)育特征，結(jié)合斷層活化模擬分析結(jié)果，確定工作面回采過(guò)斷層區(qū)域時(shí)采用注漿加固+切底過(guò)斷層技術(shù)，具體技術(shù)方案如下：

1) 注漿加固：工作面回采至距斷層15 m時(shí)，在工作面向斷層區(qū)域打設(shè)注漿鉆孔，鉆孔參數(shù)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(shè)，并在工作面兩巷內(nèi)采用長(zhǎng)短孔向工作面兩側(cè)中部進(jìn)行注漿，漿液采用水泥漿，水灰比為0.5，水泥采用325號(hào)普通硅酸鹽水泥。

2) 切底過(guò)斷層：工作面回采至距斷層20 m時(shí)，開始采用臺(tái)階式采煤工藝，及采煤機(jī)下行割底煤，采煤機(jī)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(tái)階。

F11斷層區(qū)域的煤層厚度約為3.5 m，現(xiàn)為工作面推進(jìn)通過(guò)F1斷層為例進(jìn)行具體說(shuō)明：在工作面推進(jìn)通過(guò)斷層下盤至上盤的過(guò)程中，保障采煤機(jī)每刀的拉底量為50～100 mm，工作面以3°的俯角向前推進(jìn)，采用“臥三刀、平三刀”的方式進(jìn)行割煤作業(yè)[4]。工作面回采初期采用2°的起坡角進(jìn)行割煤，起坡位置在運(yùn)輸巷口180 m的位置處，工作面調(diào)整斜長(zhǎng)為35～50 m，開始初期對(duì)面內(nèi)37～71號(hào)液壓支架進(jìn)行調(diào)整，回采初期設(shè)置采煤高度為3.5 m，變坡調(diào)整后將采煤高度降為3.0 m，具體切底過(guò)斷層示意如圖4所示。

圖4 工作面切底過(guò)斷層技術(shù)示意

具體工作面切底過(guò)斷層實(shí)施步驟為：①頂?shù)墩{(diào)整：在變坡點(diǎn)1、2處，分別進(jìn)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(guò)渡，以達(dá)到頂板走勢(shì)與工作面頂板的走勢(shì)相同。②底刀調(diào)整：在變坡點(diǎn)1的位置處，過(guò)渡斜長(zhǎng)調(diào)整為7～10 m，調(diào)整幅度為350 mm，角度為2°；在變坡點(diǎn)2處，回采時(shí)采用與變坡點(diǎn)1一致的方式，且預(yù)留200～300 mm的底煤。隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層帶傾角與落差高度降低時(shí)，以2°為起坡角度，在運(yùn)輸巷142 m的位置處進(jìn)行起坡，調(diào)整斜長(zhǎng)為40 m。通過(guò)對(duì)工作面內(nèi)85～104號(hào)液壓支架進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置回采高度為3 m。工作面機(jī)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?qū)崿F(xiàn)液壓之間下頂上拉式的主動(dòng)聯(lián)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(guò)F11、F12和F13斷層區(qū)域時(shí)，工作面未發(fā)生較大的頂板垮落現(xiàn)象，過(guò)斷層期間支架的姿態(tài)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(jìn)行調(diào)整后，兩架支架也能夠保持較好的狀態(tài)。據(jù)此可知，工作面采用注漿加固+切底法過(guò)斷層技術(shù)后，有效保障了工作面推進(jìn)通過(guò)斷層區(qū)域。

圖5 液壓支架防倒防滑裝置及其約束力示意

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)110106工作面斷層的具體特征，通過(guò)數(shù)值模擬分析斷層活化特征及規(guī)律，確定工作面距斷層前后15～20 m的區(qū)域?yàn)閿鄬訉?duì)工作面的主要影響區(qū)域，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果設(shè)計(jì)工作面過(guò)斷層方案為注漿加固+切底法。根據(jù)技術(shù)方案實(shí)施后的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知，工作面過(guò)斷層技術(shù)保障了工作面順利通過(guò)斷層區(qū)域。