厚煤層綜采面過斷層群礦壓規律研究

成慶華

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031400）

0 引言

工作面在實際開采過程中由于會受到諸多地質構造的影響，會使得工作面連續性被破壞，影響正常生產推進和礦壓規律的顯現。斷層群作為地層中的節理構造，其周圍圍巖會進一步破碎，在采動作用影響下，工作面支架及巷道礦壓顯現都較一般工作面嚴重。針對工作面過斷層群的關鍵技術問題，姜耀東、牟宗龍等學者均進行了大量研究，研究表明工作面過斷層群會導致斷層“活化”現象，加劇工作面開采難度。本文以辛置礦109B工作面為研究對象，研究工作面過斷層礦壓顯現規律，對工作面安全開采提供借鑒。

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電辛置礦2-109B工作面位于洪洞縣境內，工作面開采2#煤層，位于礦井310水平一采區地面標高708～783 m，工作面標高221～283 m；工作面上方黃土覆蓋厚度在149～227 m，基巖厚度在306～394 m。地表分布有山谷溝壑，但對工作面生產影響較小。工作面位于310水平一采區軌道巷右側，2-105工作面采空區南側、2-111工作面采空區北側，西面為310水平延伸采區設計巷道，東面緊鄰310一采區軌道巷。

工作面2#煤開采厚度3.82～4.3 m，平均4.1 m，煤層傾角2°～10°，平均4°屬于近水平煤層，工作面走向長313 m、傾斜長50 m，煤層結構復雜，含兩層夾矸，局部上層夾矸較厚，對工作面正常回采工作帶來了一定風險。根據現場相鄰工作面的生產實際，109B工作面的頂底板特征見表1。

表1 頂底板特征表

2 工作面地質構造實測

對2-109B工作面分別采取了無線電坑透技術和瞬變電磁法進行了工作面異常地質構造的探測工作。探測后的主要情況如下：

2.1 無線電坑透情況

探測結果顯示有5處異常區：

E1異常區位于2-109B運輸巷13#導線點前60m至124.2m工作面內部，影響范圍為64.2m，分析異常區范圍內可能受斷層影響；

E2異常區位于2-109B運輸巷19#導線點前52m至116.2m工作面內部，影響范圍為64.2m，分析異常區范圍內可能受工作面寬度變窄影響或者存在隱伏構造；

E3異常區位于2-109B運輸巷21#導線點前88m至237.8m工作面內部，影響范圍為149.8m，分析異常區范圍內可能存在隱伏構造；

E4異常區位于2-109B運輸巷25#導線點前92m至177.6m工作面內部，影響范圍為85.6 m，分析異常區范圍內可能受聯巷影響，也不排除存在隱伏構造的可能；

E5異常區位于2-109B運輸巷后段13#導線點前38 m至80.8 m工作面內部，影響范圍為42.8 m，分析異常區范圍內可能受工作面斷層F2影響。

2.2 瞬變電磁情況

探測結果顯示有3處異常區：

1異常區位于2-109B運輸巷21#導線點前56～206 m范圍內；2異常區位于2-109B運輸巷25#導線點前87～257 m范圍內；3異常區位于2-109B運輸巷25#導線點前87～257 m范圍內；

預計1、2異常區范圍內可能存在隱伏構造，構造裂隙發育，含裂隙水；3異常區可能受2-109B回風巷F4斷層影響，也不排除存在隱伏構造，構造裂隙發育，含裂隙水的可能性。

3 工作面過斷層群數值模擬結果分析

3.1 立數值模型

根據2-109B工作面實際地質資料，采用FLAC3D軟件建立數值模型，工作面內部共布置有三個斷層（如圖1所示）。模型傾斜長100 m，走向長度為850 m，斷層編號分別為DF1、DF2、DF3。三維模型共205000個單元，模型豎直深度85 m，底部及四周采用固定位移約束，上部采用自由邊界并施加10.0 MPa的垂直應力模擬上覆巖重。模型采用的煤巖物理力學參數見表2所示。

斷層群設置在模型中部，范圍在80～100 m，工作面回采后經歷初次來壓和周期來壓階段，在研究礦壓顯現規律時一般選取周期來壓階段。因此，選取工作面回采200～260 m時的數據研究過斷層群前的礦壓顯現特征，選取340～420 m時數據研究工作面過斷層群時的礦壓顯現規律。

圖1 模型斷層分布圖

表2 煤巖物理力學參數表

3.2 作面過斷層群應力變化規律

1）工作面過斷層群前礦壓顯現規律。工作面推進到200～260 m范圍時，此時距斷層群位置還有一段距離，根據煤壁垂直應力分布規律可知，此時垂直應力狀態依舊表現為常規推進時的特征。煤壁前方垂直應力表現為明顯的單峰分布，應力峰值為29.0 MPa，約為原巖應力的2.5～3.0倍，整個監測階段應力規律分布穩定，不受斷層群分布的影響。

圖2 作面過斷層群前煤壁前方垂直應力分布規律

圖3 作面過斷層群時煤壁前方垂直應力分布規律

2）工作面過斷層群時礦壓顯現規律。作面繼續向前推進距離達到340～420 m時，逐步推過斷層群，由過斷層群時的應力分布情況可知，工作面在推進入到斷層群時和推出斷層群時應力峰值明顯升高，最大值達50.1 MPa，峰值位置向后移近4～5 m；在斷層群內部推進時垂直應力比正常回采階段要低，這是由于斷層區域煤層及頂底板較為破碎，造成回采時礦壓顯現的不穩定。整體而言，工作面受多個斷層分布的影響，礦壓顯現規律與常規工作面存在差別，尤其在進出斷層群時，應注意加強礦壓監測工作，防止因工作面頂板結構變化而導致出現生產事故。

4 結 論

文章利用無線電坑透與瞬變電磁探查了109B工作面斷層及其他地質構造的分布情況，工作面在過斷層群之前礦壓顯現和常規工作面類似，進出斷層群期間礦壓顯現較為劇烈，峰值可達5倍的原巖應力；工作面在斷層群中推進時，應力值較小，與進出斷層群有較大差異性。文章研究的工作面過斷層群的礦壓顯現規律為109B工作面實際生產提供了指導，也為類似礦井工作面回采提供了借鑒。