大采高工作面過斷層破碎帶圍巖控制技術研究

李 磊

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

隨著礦井開回采中揭露斷層的數量多、落差大，回采后煤層頂底板及兩巷圍巖破碎，造成工作面支護困難[1-3]。尤其是大采高工作面推采至斷層區域時，超前支承壓力峰值及影響區域更大，煤層頂板破碎更為嚴重，進一步加劇了工作面的支護難度。馬蘭礦18506工作面斷層發育明顯且落差較大，造成回采后圍巖破碎，單一的支護措施難以保證圍巖的穩定性，影響了工作面的回采速率。本文通過分析斷層對工作面回采影響范圍，采取合理的支架類型及移架方式等措施，減小頂板的破碎程度，保證工作面的安全回采[4-6]。

1 概況

馬蘭礦18506工作面位于南五采區左翼，西北側18504工作面已回采完畢，東北側間距92.5m為南八南九膠帶機運輸大巷。地面標高+1238～1359m，工作面標高 +831.7～890.1m，走向長1302m，傾斜長251m。工作面主采8號煤層，平均厚度4.43m，平均傾角4°。直接頂為厚2.32m的L1泥灰巖，基本頂為厚2.33m的粉砂巖；直接底為厚0.97m的L1粉砂質泥巖，基本底為厚3.60m的粉砂巖。工作面共發育31條斷層，其中落差0.6～3.4m（F18506-1）、1.3～2.8m（F18506-2）、1.5～3.0m（F18506-4）斷層對回采影響極大。

2 工作面過斷層數值模擬

2.1 模擬方案

采用UDEC數值模擬軟件模擬工作面過斷層應力變化規律，選擇最合理的過斷層方案。根據18506工作面建立250m×90m模型，分別分析工作面揭露斷層前后60m、45m、30m和15m處圍巖應力變化規律，巷道揭露斷層時圍巖變形量。

2.2 模擬結果分析

（1）揭露斷層前

采用UDEC模擬得到工作面揭露斷層前60m、45m、30m和15m處應力變化規律，如表1所示。

表1 工作面揭露斷層前不同距離支承壓力

由表1可知，工作面至揭露斷層位置越近時，應力集中系數和垂直應力峰值不斷增大，而應力峰值距煤壁位置不斷減小。根據模擬數據可知，斷層導致工作面圍巖的應力值急劇增加，同時，影響工作面支承壓力的范圍和變化規律。斷層附近應力呈現“幾”字型分布，工作面回采至該區域時易形成高集中應力，若不采取合理的過斷層措施和合理的支護技術，可能會造成安全事故。

（2）揭露斷層

工作面回采至斷層區域時，受高集中應力的影響，工作面圍巖變形量大。當工作面回采至斷層前9m時，工作面圍巖開始出現較大范圍的變形破壞，工作面回采至斷層上盤后，煤層底板出現較大的變形破壞，有些區域出現底鼓。工作面繼續向前回采至斷層上下盤交界位置時，由于斷層上下盤不連續，工作面在該區域處圍巖破碎，塑性區范圍大，變形量達到最大值。此時，煤層頂板塑性區范圍增大，應當加強頂板支護強度，避免出現冒頂事故。工作面掘進至斷層前9m和上下盤交接處，如圖1所示。

圖1 工作面揭露斷層覆巖運動特征

（3）揭露斷層后

工作面揭露斷層后，繼續向前推進，此時，切眼與斷層間距逐漸增大。采用UDEC模擬得到工作面揭露斷層后15m、30m、45m和60m處應力變化規律，如表2所示。

由表2可知，工作面掘進過斷層后，由于斷層與煤壁間為非連續接觸，導致上覆巖層作用在巷道頂板位置發生前移。切眼繼續向前推進，應力集中系數、垂直應力呈現先增加后減小的趨勢，在45m達到垂直應力峰值。主要原因是工作面頂板在垂直應力的作用下發生回轉失穩，形成頂板的周期來壓。揭露斷層45m后，斷層不再對工作面回采產生影響。

表2 工作面揭露斷層后不同距離支承壓力

3 斷層破碎帶控制技術

3.1 錨網索支護

18506工作面回采至斷層區域時，由于頂板為復合結構，還受風化作用，因此需要采用錨網索支護，提高支護所形成承載結構的穩定性。每排布置2根錨索，頂板每排打5根錨桿，側幫每排打3根錨桿，采空區側幫每排打4根錨桿。錨桿、錨索參數如表3所示，支護示意圖如圖2所示。

表3 錨桿、錨索支護參數

金屬網全斷面掛網，網間搭接100mm，用14#鐵絲聯網，間距為每隔一孔聯一扣。

圖2 18506錨網索支護示意圖

3.2 單體液壓支柱挑棚

18506工作面回采至斷層區域時采用單體液壓支柱挑棚的支護形式保證煤層頂板的穩定性。工作面采用DW40-250/110X單體液壓支柱和11#礦用工字鋼聯合組成，其中工字鋼的長度為4m，單體液壓支柱之間的間距為1m。采用一梁四柱的布置形式，共布置4排單體液壓支柱挑棚進行切眼支護，前后分別各布置兩排。其中，第一排距工作面采空區側幫處1m，第二排、第三排分別距離第一排2.5m、4m，第四排距離第一排6.5m，同時距離工作面非采空區側幫1m。

4 支護效果檢驗

18506工作面采用錨索和單體液壓支柱挑棚聯合支護后，提高了煤層頂底板承載能力。通過監測斷層區域切眼頂底板移近量及采空區側巷幫位移量檢驗支護效果，監測結果如圖3所示。

圖3 18506工作面切眼位移量

由圖3可知，頂底板移近量和采空區側幫位移量都隨著時間逐漸增大，在60d時，18506工作面切眼頂底板移近量為145mm，采空區側幫位移量為85mm。工作面在過斷層時，頂底板移近量分別為82mm、84mm，采空區側幫位移量分別為45mm、40mm。由此可知，18506工作面過斷層時，頂底板移近量及采空區側幫位移量沒有出現明顯的增大。由此可知，聯合支護取得了良好的效果，有效地減小了煤層頂底板的破壞程度。

5 結論

（1）以18506工作面為研究對象，采用UDEC分別模擬工作面揭露斷層前后60m、45m、30m和15m處圍巖應力變化規律，揭露斷層時覆巖運移規律。根據模擬結果可知，斷層導致工作面支承壓力峰值、影響范圍、集中系數急劇增加，呈現“幾”字型分布。工作面回采至上下盤交界處煤壁及頂底板變形量最大。

（2）在斷層影響區域采用錨網索、單體液壓支柱挑棚聯合支護，通過增加錨索數量提高支護強度，采用一梁四柱共布置4排單體液壓支柱挑棚提高頂板承載能力。通過在切眼設置監測點監測圍巖變形量，根據監測結果可知，工作面過斷層時圍巖沒有出現明顯增大，支護取得了良好的效果。