正善2201回采過斷層頂板破壞特征研究

吉繼瑜

(山西汾西正善煤業有限責任公司，山西 孝義 032300)

引 言

頂板管理是保證煤礦安全生產的重要內容，復雜地質條件如何進行有效安全的頂板管理更是擺在煤礦技術人員面前的挑戰。要制定有效的支護就要掌握頂板破壞規律及相應的支護方法，因此，在工作面推進過程中過斷層的頂板破壞規律研究不可或缺。眾多專家對頂板破壞所涉及的圍巖控制理論做了非常詳盡的研究，主要包括“壓力拱假說”、“砌體梁和關鍵層理論”、“傳遞梁理論”、“巖石工程破壞準則”、“松動圈理論”等，這些理論研究對礦壓特征、圍巖破壞規律、支護作用規律進行了有效的探索，起到了理論奠基作用[1-3]。斷層作為存在于巖體中的非均勻介質，是影響采礦的重要因素，同樣得到了眾多學者的關注和研究。孟昭平等研究了正斷層對煤力學性質和礦壓分布的影響：煤巖體的強度會隨靠近斷層的距離而降低；力學性質會由張性向張扭、壓扭轉變[4]。晁建偉研究了回采巷道過斷層頂板破壞規律：斷層會阻斷塑性區的擴展和位移、應力的傳遞；證實了在斷層前后存在最大應力點；得到了斷層頂板超前應力峰值分布規律[5]。本文在理論研究的基礎上，通過力學試驗、模擬仿真等科學方法，針對正善2201工作面過斷層的實際情況進行了研究。

1 工作面概況

正善2201工作面位于正善煤業工業廣場南部，窊野村以西，宣化原村以東。井下位置位于正善煤業井田中南部，礦井井底車場南部。西鄰一采區，東鄰2203工作面，均未掘進；北至2#煤膠帶運輸下山；南至井田邊界保安煤柱。工作面開采二疊系山西組2#煤層，屬1/3焦煤、肥煤平均煤層，厚度1.09 m。偽頂為0.05 m～0.30 m泥巖；直接頂為1.0 m～2.8 m細粒砂巖；老頂為1.5 m～3.0 m砂質泥巖。2201工作面斷層平面示意圖見圖1。

圖1 斷層平面示意圖

2 試驗研究

力學試驗煤巖試件均采自該煤組煤巖，為后續的研究提供理論數據基礎。由于過斷層會造成煤巖抗壓強度降低，剪切破壞塑性區增加，力學試驗包括煤巖的抗壓、抗拉和剪切試驗。試驗數據如表1、表2及第160頁表3所示。

表1 抗壓試驗結果

表2 抗拉試驗結果

表3 剪切試驗結果

由上述試驗數據可知，該工作面煤巖平均抗壓強度為5.7 MPa，抗拉強度為0.49 MPa，剪切強度為7.6 MPa。這為研究其頂板破壞規律提供了數據支持。

3 數值模擬研究

通過FLAC3d軟件建立模型，對巷道過斷層進行模擬，由結果可知，在過斷層過程中應力分布具有明顯的轉移變化，塑性區有較大擴展，這為支護方案的缺點提供了依據。塑性區和應力分布對比如圖2。

圖2 塑性區和應力分布對比圖

4 支護方案的制定

4.1 工作面支護方式的確定

工作面兩巷超前支護距離不小于30 m，支護距離從工作面煤壁算起。但兩巷受采動影響，礦壓顯現明顯時超前支護長度必須隨之加長。兩巷超前支護采用DW-28型單體支柱配用3.2 m π型梁支護，具體形式為：3.2 m π型梁平行于巷道分兩排布置，π梁梁頭對接，π型梁距兩幫均為300 mm～400 mm，長度不小于30 m，每根梁要保證一梁三柱，第一根與第二根柱距為800 mm，第二根與第三根為1 600 mm。超前支護距工作面15 m范圍支設雙排，距離工作面15 m～30 m支設單排，超前支護支設轉載機兩側遇斷層區域或巷道超高段時要另行編制專項支護措施。端頭支護與超前支護必須保持聯鎖，正常接替。隨著工作面推進，當走向雙排聯鎖抬棚到工作面煤壁線小于6 m時，要及時支設雙排走向聯鎖抬棚，保證超前支護的距離不小于30 m。

4.2 工作面支架選型

工作面選用ZY3200/12/29L型液壓支架，經頂板壓力和支護強度計算可知：

頂板平均容重計算見式(1)：

D=∑HD巖/H總=(2.4×2.07+17.6×2.28)/2.63×8=2.14 t/m3

(1)

其中：D為頂板平均容重，t/m3；H為巖層厚度，m，取8倍采高；D巖為巖層容重，t/m3；H總為巖層總厚度，m。

8倍采高頂板所造成的壓強P壓=8MD=8×2.63×2.17×9.8×10-3=0.447 MPa；支架工作阻力計算工作面支護強度p=F/S=3 200/(3.53×1.5)-6=0.604 MPa。支架支護強度大于8倍采高的頂板巖層造成的壓力，支架符合條件。

5 結語

正善礦2201回采工作面過斷層期間，頂板破碎，難以管理，基于此，采用力學試驗、數值模擬等技術手段對工作面過斷層期間的頂板破壞特性進行研究，并具體確定了工作面過斷層期間的支護方式和支架型號，保證了工作面過斷層期間頂板的安全，為礦井安全生產創造了良好的條件。