綜放工作面過斷層頂板活動規律研究與應用

張德峰 陳 勇，2

（1.兗州煤業股份有限公司濟寧三號煤礦，山東省濟寧市，272169；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116）

綜放工作面過斷層頂板活動規律研究與應用

張德峰1陳 勇1，2

（1.兗州煤業股份有限公司濟寧三號煤礦，山東省濟寧市，272169；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116）

為避免因工作面搬家所帶來的工期延長及經濟損失，并且考慮到煤層頂底板巖性較好，濟寧三號煤礦53下07（北）綜放工作面決定采用割頂留底的方法直接過斷層。根據斷層區域頂板活動數值模擬結果和工程地質情況，分析和設計了53下07（北）綜放工作面直接過斷層技術措施。實踐證明該技術方法有效保證了工作面安全快速通過斷層區域，相比重新開切眼工作面搬家方案，該方案少掘了一條巷道，同時減少了斷層保護煤柱的留設，提高了煤炭資源的回收率。

綜放工作面 過斷層 數值模擬

隨著煤炭資源的高強度開采導致不少礦區的煤炭資源日益枯竭，不得不設計開采一些地質構造復雜的工作面，其中影響最大的為斷層結構。工作面在過斷層過程中可能會出現頂板異常破碎、頂板局部冒落、煤壁片幫等礦壓顯現異常現象，另外有些煤礦過斷層時可能會遇到煤與瓦斯突出、斷層水大量涌入工作面和沖擊礦壓情況，給煤礦生產造成巨大損失。因而，在過斷層之前，分析研究工作面過斷層期間的頂板活動規律，并據此制定相應的工作面過斷層技術措施顯得尤為重要。

本文以濟寧三號煤礦53下07（北）綜放工作面過斷層為例，利用數值模擬方法研究了工作面過斷層頂板活動規律，并據此制定了一套科學有效的工作面過斷層技術措施，以期為工作面安全過斷層提供參考依據。

1 工作面概況及煤層頂底板情況

1.1 53下07 （北）工作面概況

濟寧三號煤礦53下07（北）綜放工作面位于五采區西北部、53下06（北）工作面采空區西側、53下07（南）工作面北側，北側為西部輔運巷。工作面長203 m，總推進長度為1294.1 m。工作面采用走向長壁綜采放頂煤采煤法，沿走向方向揭露了貫穿工作面傾向的斷層 （SF431）1條。采用全部垮落法管理頂板。53下07（北）工作面巷道布置如圖1所示。

1.2 煤層及頂底板情況

開采的3下煤層厚度1.1～6.5 m，平均厚度為4.07 m，煤層傾角0～12°，平均5°，平均埋深688 m。工作面回采期間最大涌水量為70 m3／h，正常涌水量約為40 m3／h，對回采影響不大。工作面頂底板情況見表1。

圖1 工作面巷道布置

表1 工作面頂底板情況

2 斷層情況及工作面過斷層方式

2.1 SF431斷層情況

該工作面掘進期間內只揭露1條SF431正斷層，未出現涌水。斷層落差10 m，與工作面夾角70°，在該工作面的中部發育并貫穿工作面，并隨工作面推進逐漸向帶式輸送機巷延伸；斷層面平滑，無破碎帶。煤巖受斷層影響裂隙發育，完整性差，對回采影響較大。

2.2 工作面過斷層方式

雖然SF431斷層與工作面夾角較大，但是煤層頂底板多為中細砂巖，巖性較好，便于頂板管理，工作面不需要另開切眼和縮短。另外工作面直接過斷層不僅能避免工作面搬家所帶來的工期延長和經濟損失，而且延長了工作面走向長度，提高了回采效率，減少了巷道掘進量。綜合考慮，決定采用直接過SF431斷層的方案。

根據工作面頂底板巖性情況，采用割頂留底的方法通過工作面斷層區域，選擇巖性較軟的底板割底通過，盡量減少割矸量。為了使工作面設備順利從斷層一盤過渡到另一盤，在距斷層面15 m處開始過斷層，選定推進仰角不大于15°，截深0.8 m。

3 工作面過斷層區頂板活動數值模擬

3.1 數值模型的建立

53下07（北）綜放工作面從正斷層上盤向斷層推進，為了研究清楚采掘期間斷層區域頂底板活動規律及采場應力分布，采用UDEC4.0軟件對正斷層條件下工作面從斷層上盤向斷層推進過程中工作面應力場分布情況以及超前支承壓力的變化情況進行研究。

根據濟寧三號井53下07（北）綜放工作面生產地質條件和生產技術條件，建立如圖2所示的UDEC數值計算模型，模型長200 m，高90 m。模型中巖體、節理變形破壞模型均為摩爾-庫侖模型。數值模擬中各煤巖層塊力學參數為實驗室實測所得。

圖2 數值模擬模型

3.2 模擬方案的確定

建立初始模型，斷層角度72°，斷層落差為10 m，模擬工作面從斷層上盤向斷層推進時，距SF431斷層40 m、30 m、20 m、10 m時采場應力變化規律；工作面通過斷層時，工作面塑性區及位移場分布規律；通過斷層后，距斷層10 m、20 m、30 m、40 m時采場應力變化規律。

3.3 數值計算結果分析

3.3.1 斷層對工作面支承壓力分布特征的影響

（1）工作面位于斷層上盤時斷層對工作面支承壓力的影響。工作面向SF431斷層推進時工作面煤體超前支承壓力峰值分布情況見表2。

表2 工作面煤體超前支承壓力峰值分布

由表2可知，隨著工作面到SF431斷層方向推進，工作面超前最大垂直應力值和應力集中系數逐漸增大，并且最大垂直應力出現的位置到工作面距離逐漸減小。斷層的存在不僅影響到垂直應力峰值，還影響到支承壓力的分布形式和分布范圍，使得應力峰值隨工作面距斷層距離的變小而增大并向煤壁轉移，最小距離煤壁4.0 m，這使得斷層區域煤壁片幫和發生沖擊地壓的可能性增大。因此，在工作面過斷層中要采取相應的措施加以預防。

（2）工作面過斷層期間采場圍巖塑性區及位移場分布情況。當工作面推進到距斷層面15 m時，工作面以15°仰角從斷層上盤過渡到下盤，當工作面開始破底板通過斷層時，頂底板狀態比較穩定，但是工作面煤壁前方8 m范圍內為塑性區并且貫穿到斷層面，煤壁片幫嚴重。

工作面全部進入斷層上盤巖層中時，工作面頂板較穩定，前方塑性區范圍為1.6 m，下部煤體全部破壞并出現底臌，應特別注意預防。

工作面通過斷層時，圍巖破壞嚴重，斷層上、下盤之間由粘接狀態轉化為斷開狀態，兩盤出現相對位移，工作面前方塑性區擴展到斷層下盤煤層，范圍為4.4 m，此時需特別注意工作面頂板的維護。

（3）工作面位于斷層下盤時斷層對工作面支承壓力的影響。模擬工作面通過斷層后，距離SF431斷層10 m、20 m、30 m、40 m等不同位置時，斷層對工作面煤體垂直應力峰值及應力集中系數分布情況見表3。

表3 工作面煤體超前支承壓力峰值分布

當工作面推過斷層面完全進入斷層上盤后，由于斷層面進一步拉裂和滑動，不能完全把覆巖重量轉移到回采工作面前面，使煤壁垂直應力減小，但之后不久，工作面面臨著頂板大范圍巖層懸臂回轉變形破斷的影響，將導致垂直應力變大，頂板出現強烈來壓。

3.3.2 工作面斷層不同區域覆巖移動及斷層面活化特征

圖3為工作面距斷層面6 m時覆巖活化特征模擬。從圖3中看出，當工作面向斷層面推進時，煤層上方覆巖出現豎向裂縫，煤壁前方斷層面裂隙張開，表現為明顯的活化現象。

當工作面進入斷層面時，見圖4，下盤煤層上覆巖層35.14 m范圍內的覆巖出現豎向裂縫，斷層面處覆巖裂隙充分張開，斷層上、下盤之間由粘接狀態轉化為斷開狀態，斷層下盤沿斷層面拉伸下沉，兩盤出現相對位移，工作面容易發生頂板臺階下沉，因此在此區域工作面應加強支護。當工作面推過斷層面，見圖5，完全進入斷層下盤時，由于斷層面進一步拉裂和滑動，不能完全把覆巖重量轉移到回采工作面前面，使煤壁前方及其頂板巖體中壓力減小，頂板冒落高度減小。

4 工作面過斷層技術措施

針對工作面過斷層區頂板活動數值模擬中斷層對工作面支承壓力分布特征和工作面斷層不同區域覆巖移動及斷層面活化特征，制定了相應的工作面過斷層技術措施。

（1）當工作面頂底板巖石巖性堅硬、采煤機截割困難、影響采煤機正常運轉時，采用松動爆破法破巖。

（2）在頂板裂隙發育區段，應及時拉超前架護頂，并及時伸出伸縮前梁，升緊護幫板，防止因煤層破碎誘發冒頂事故。

（3）過斷層時，應采取帶壓移架的方法，同時打開降柱及移架手把，當支架擦頂前移時停止降柱，使破碎矸石滑向采空區，移架到規定步距后停止移架，并立即升柱，采煤機通過后及時支護頂板，盡量縮小頂板暴露時間和面積。

（4）當煤壁片幫時，應先伸出伸縮梁并抵到煤壁，后操作護幫板，當片幫寬度超過0.7 m時，應超前架棚管理。架棚形式為一架兩棚，梁用?200 mm×2000 mm半圓木，支柱采用DZ28-25／100單體支柱，梁頭一端與支架頂梁搭接不小于200 mm，另一端伸進煤壁梁窩并在刮板輸送機前方不小于700 mm打貼幫柱。

（5）頂板破碎時，采用擦頂移架以防松動頂板，片幫嚴重時采取超前支護，減少空頂面積。

（6）工作面漏頂、漏矸時，應及時向下剎刀割底，并降低采高，留取一定的頂煤來控制頂板，必要時可在支架前梁上穿板梁或工字鋼與鋪設金屬網配合的方法維護頂板。鋪設金屬網時，長邊對接，短邊搭接長度不小于300 mm；使用12＃鐵絲隔扣相連；端頭鋪網時與巷道頂網搭接相聯。

（7）工作面每推進5 m，采用鉆屑法或電磁輻射法監測工作面前方煤壁是否有沖擊礦壓危險。當發現有沖擊危險時，應及時進行解危處理。主要采取煤層卸壓爆破和鉆孔卸壓。

5 工程應用效果

（1）工作面采用過斷層技術措施后頂板控制效果較好，沒有出現大面積冒頂、煤壁片幫事故和沖擊礦壓危險，工作面在短時間內安全通過了斷層區域。

（2）工作面直接通過斷層比重新開切眼少掘一條通道，節省通道掘進費72萬元，同時減少了斷層保護煤柱的留設，按斷層上下盤各留15 m煤柱，計算得煤炭10.8萬t，直接通過斷層按30%回收率計算多回收煤炭5.4萬t，原煤價格按1000元／t計算，創收324萬元。

6 結語

本文根據數值模擬結果和 采礦實際條件，對濟寧三號煤礦工作面過斷層可能會遇到的問題進行了深入分析，并據此制定了相應的技術措施，既提高了資源回收率，又減少了綜采設備搬家倒面次數和費用，同時還保證了工作面安全快速通過斷層區域。該方法的成功實踐為相似條件下工作面過斷層提供重要的技術借鑒。

［1］錢鳴高，繆協興，許家林等著.巖層控制的關鍵層理論 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003

［2］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003

［3］于廣明，謝和平，楊倫等.采動斷層活化分形界面效應的數值模擬研究 ［J］.煤炭學報，1998（4）

［4］薛志鵬.斷層活化導致井巷破壞的數值模擬分析［D］.河南理工大學，2010

［5］趙海軍，馬鳳山，李國慶等.開挖引起斷層活化對井巷圍巖的變形破壞 ［J］.金屬礦山，2008（6）

［6］孟召平，彭蘇平，黎洪.正斷層附近煤的物理力學性質變化及其對礦壓分布的影響 ［J］.煤炭學報，2001（6）

［7］高法民，張茂增，董欽亮等.綜放工作面過斷層期間防滅火綜合技術應用 ［J］.煤炭科學技術，2011（5）

［8］寧宇.大采高綜采煤壁片幫冒頂機理與控制技術［J］.煤炭學報，2009 （1）

［9］陳少璞，王濱，王瑞智等.大柳塔煤礦12611-2綜采面過斷層技術研究 ［J］.煤炭工程，2011（10）

［10］劉鴻博，鄧慶鵬，劉克生等.綜放工作面過斷層開采技術 ［J］.煤炭技術，2008（1）

［11］白登河，王文柱.易自燃煤層綜采過斷層防火技術的應用 ［J］.煤炭工程，2009 （5）

［12］張廣宇.綜采過斷層工作面形態控制原則研究［J］.煤炭技術，2008（7）

［13］徐學鋒，竇林名，劉軍等.煤礦巷道底板沖擊礦壓發生的原因及控制研究 ［J］.巖土力學，2010（6）

［14］譚輔清，昝東峰，周楠等.巨厚礫巖層下工作面過斷層覆巖運動規律研究及應用 ［J］.中國煤炭，2011 （9）

［15］周祖舜，王濤.綜采工作面過大斷層實踐探討［J］.中國煤炭，2011（9）

Research and application of roof activity regulation when fully-mechanized caving face passing through fault

Zhang Defeng1，Chen Yong1，2
（1.Jining No.3 Mine，Yanzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Jining，Shangdong 272169，China；2.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

To avoid construction time extension and financial loss caused by face movement，and in view of good rock characters of seam roof and floor，the method of cutting roof and retaining floor was used in 53（lower）07（north）fully-mechanized caving face to pass through the fault directly in Jining No.3 Coal Mine.The paper analyzed and designed the technical measure based on the numerical simulation results of roof activities in fault area and the geological conditions.Practice shows that the technical scheme has ensured the working face passing through the fault area safely and quickly.Comparing the method of reopening a cut for face movement，this scheme avoids another drivage and reduces the fault protective pillar，which helps to improve the coal recovery rate.

fully-mechanized caving face，passing through fault，numerical simulation

TD823.99

A

張德峰 （1973-），男，山東鄒城人，工程碩士、工程師，現從事煤礦現場生產技術管理工作。

（責任編輯 張毅玲）