斷層影響下大采高偽斜綜采面初次來壓規(guī)律研究

曲 濱

(汾西礦業(yè)集團水峪煤業(yè)，山西 孝義 032300)

引 言

采煤工作面向前推進過程中，老頂不斷發(fā)生破斷、失穩(wěn)和來壓現(xiàn)象，尤其是初次來壓時強度往往最大，礦壓顯現(xiàn)最為劇烈。4101綜采面為礦井首采面，且由于采高較大，煤層傾角較大，加之偽斜開采及斷層影響，應力環(huán)境及礦壓顯現(xiàn)存在較大特殊性，導致現(xiàn)場生產中難以弄清其初次來壓規(guī)律并采取及時有效的控頂措施，采場端面煤巖體的控制難度較大，支架-圍巖關系惡化，易出現(xiàn)端面煤巖體冒頂片幫，對安全生產造成重大威脅。本文即針對斷層影響下大采高偽斜綜采面初次來壓規(guī)律展開研究，分析來壓特征及機理，并制定控制措施。

1 工程概況

本工作面所采4號煤層厚度3.35 m～6.29 m，平均4.70 m，煤層傾角15°～23°，平均18°，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層一般含夾矸0層～2層，夾矸厚度0.05 m～1.10 m，煤質軟但較為完整。頂?shù)装鍫顩r如表1所示，其中，頂板為厚11.7 m的K3中粗砂巖，較堅硬，無直接頂，老頂分級屬于Ⅲ級頂板，來壓顯現(xiàn)強烈。工作面采用走向長壁后退式全部垮落采煤法，一次采全高偽斜回采，采高2.3 m～4.5 m，工作面機頭推進度超前機尾推進度約25 m，工作面中部采用139架ZY9200/22/46型支撐掩護式液壓支架，兩端過渡支架采用ZYG9200/22/46型支撐掩護式液壓支架。

表1 4號煤4101工作面及鄰近區(qū)域綜合柱狀情況

2 “支架-圍巖”關系控制難點分析

4101綜采面是該礦井首采面，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究尚處于空白狀態(tài)，且本工作面由于采高較大，煤層傾角較大，加之偽斜開采及斷層影響，應力環(huán)境及礦壓顯現(xiàn)存在較大特殊性，因此工作面回采過程中“支架-圍巖”系統(tǒng)穩(wěn)定性將是制約工作面安全高效回采的重大技術難題。通過現(xiàn)場調研4101綜采面地質生產條件，檢索分析相關文獻資料，分析得出4101綜采面“支架-圍巖”系統(tǒng)穩(wěn)定性控制存在以下技術難點：

首先，采高增大使上覆巖層斷裂步距變大，其運動擾動范圍也逐漸增大，礦壓顯現(xiàn)更為明顯，老頂來壓強度可增大1個～2個級別，表現(xiàn)為來壓期間支架載荷和老頂動載系數(shù)的增大；同時，采高增大使煤壁臨空面的面積增大，煤壁穩(wěn)定性差，易片幫，進而導致端面冒頂、支架受力不均、構件損壞等，進一步引發(fā)嚴重頂板事故[1-3]。

其次，由于煤層傾角較大，采用偽斜回采工藝，這樣隨著工作面的推進，往往形成梯形工作面。何富連等運用相似材料模擬實驗方法研究得出梯形工作面使老頂呈反“D”形分區(qū)域斷裂，從而導致工作面初次來壓呈現(xiàn)出多次性，且來壓強度相對減小等[4-5]；同時，大傾角偽斜綜采面還面臨著支架歪斜及架間擠、咬等難題。

第三，4101工作面初次來壓前被兩條正斷層切割成三大板塊，其中，F(xiàn)1斷層落差為1.1 m，傾角為50°，F(xiàn)2斷層落差為0.5 m，傾角為40°。煤層被斷層切割時，采場老頂被分成2個或多個板塊，不同板塊老頂板結構的破斷垮落和來壓過程也不同。在斷層附近區(qū)域易出現(xiàn)應力集中，當工作面接近斷層帶時，發(fā)生沖擊礦壓的危險比其他區(qū)域高得多[6-7]。

3 初次來壓規(guī)律模擬及實測研究

4101綜采面是本礦井首采面，其初次來壓顯現(xiàn)規(guī)律尚無經驗可循，因此，可借助UDEC離散元數(shù)值軟件提前進行模擬回采，以期得到4101工作面初次來壓的宏觀垮冒、位移變化以及應力分布等礦壓顯現(xiàn)特征。建模以4101工作面實際地質生產條件為基礎，僅考慮落差較大的F1斷層，沿工作面傾向方向的計算模型巖層分布圖，如圖1所示。

圖1 計算模型巖層分布圖

模型建立后，首先進行初始平衡計算，達到初始平衡后，進行工作面回采開挖。模型運算6 000步時，顯示工作面下端頭及斷層上部首先來壓并垮落；模型繼續(xù)計算達到8 000步時，工作面上端頭及中下部區(qū)域頂板也逐漸垮落；進而模型計算達到10 000步時，工作面中部區(qū)域頂板也最終垮落，此時，整個工作面頂板來壓并垮落完畢。模擬結果表明，老頂初次來壓表現(xiàn)為分段來壓，即，工作面下端頭及斷層上盤附近老頂先發(fā)生破斷來壓，緊接著工作面上端頭及中下部老頂破斷垮落，最終整個工作面完成頂板來壓及垮落。

項目組在現(xiàn)場進行了為期2個月的礦壓顯現(xiàn)觀測，隨著工作面不斷推進，本工作面老頂?shù)钠茢嗫迓浜蛠韷猴@現(xiàn)存在著自身的特殊性。跟數(shù)值模擬結果相吻合，觀測結果表明，老頂初次來壓確實表現(xiàn)出明顯的分段來壓特征。現(xiàn)場觀測4101綜采面老頂初次來壓順序為：工作面下部1#～32#支架、斷層上盤上部87#～101#支架首先來壓，然后，101#～144#支架、33#～47#支架、48#～58#支架、59#～74#支架接續(xù)來壓；75#～87#支架最后來壓。具體老頂來壓破斷過程如圖2所示。

從4101工作面老頂初次來壓過程看，工作面下部及斷層上部首先出現(xiàn)裂縫，然后分別向上擴展，形成老頂巖塊的分段塌落，造成工作面初次來壓的多次性，當工作面推進到一定距離后，工作面才完成全部來壓現(xiàn)象。

圖2 現(xiàn)場觀測初次來壓步距圖

4 結語

本文進行現(xiàn)場調研并通過文獻檢索分析了4101綜采面在大采高、大傾角偽斜及斷層等不利回采條件下的“支架-圍巖”穩(wěn)定性控制難點，對其初次來壓規(guī)律研究提供指導。現(xiàn)場實踐表明，工作面頂板的分段來壓現(xiàn)象避免了整個工作面頂板的同時破斷、垮落產生的大范圍來壓現(xiàn)象，使工作面的礦山壓力顯現(xiàn)強度減弱，對工作面的安全生產也有較為有利的影響。