311203 綜采工作面過斷層技術(shù)及安全措施研究

袁宏樹 閔偉森 楊 東

（內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司巴彥高勒煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300）

礦井工程施工過程中，時常需要通過斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造。由于地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致煤層賦存不穩(wěn)定、圍巖應(yīng)力分布不均勻等現(xiàn)象，嚴重影響礦井安全回采、巷道正常掘進工作。

我國專家學(xué)者之前的研究主要針對具體礦井工作面、巷道掘進工程進行的工程應(yīng)用研究[1-6]，關(guān)于斷層構(gòu)造應(yīng)力分布機理研究內(nèi)容較少，且之前研究過程中使用的技術(shù)措施具有一定局限性。巴彥高勒311203 綜采工作面過DF19 斷層過程中存在支架推進困難、頂板破碎異常的問題，為解決該問題，對工作面區(qū)域地質(zhì)情況進行了分析，對區(qū)域內(nèi)圍巖應(yīng)力分布情況進行了模擬研究[7-10]，制定了安全技術(shù)措施并進行了效果考察。研究結(jié)果對其他礦井工作面通過斷層構(gòu)造措施的制定具有一定的指導(dǎo)意義和現(xiàn)實意義。

1 概況

311203 綜采工作面走向長度1290 m，切眼長度300 m，主采煤層3-1 煤層，平均煤層厚度4.6 m。煤層直接頂板為粉砂巖，平均厚度7 m，整體呈灰黑色，層理平整，夾雜砂巖薄層；基本頂為細粒砂巖，平均厚度16 m；直接底為砂巖，平均厚度3 m；基本底為細粒砂巖，平均厚度15 m。工作面采用走向長壁綜合機械化采煤法開采，采高3 m，放頂1 m，無臥底煤。

工作面范圍內(nèi)含斷層構(gòu)造5 個，目前工作面回采通過DF19 斷層。DF19 斷層為正斷層，斷層走向300°，傾向28°，傾角32°。DF19 斷層情況如圖1。

圖1 DF19 斷層概況圖

2 危險性分析

311203 綜采工作面正常回采過程中，頂板煤層賦存穩(wěn)定，每割完一刀后液壓支架可以正常挪動。采面經(jīng)過DF19 斷層過程中，由于斷層構(gòu)造上、下盤落差較大，導(dǎo)致斷面應(yīng)力分布不均勻，液壓支架挪動過程中常出現(xiàn)移動困難、卡液壓支架的問題。為分析斷層構(gòu)造區(qū)域應(yīng)力分布情況，采用軟件COMSOL Multiphysics 進行圍巖應(yīng)力分布研究，選用軟件中固體應(yīng)力模塊。假設(shè)煤層頂板、底板以及煤層為均勻介質(zhì)，模型不考慮滲流影響和溫度影響，僅進行應(yīng)力場分析。

現(xiàn)場采樣到實驗室進行煤樣應(yīng)力參數(shù)測試，測得頂板、煤層、底板基本應(yīng)力參數(shù)見表1。

表1 圍巖應(yīng)力參數(shù)表

通過數(shù)值計算得到311203 綜采工作面通過斷層斷面應(yīng)力分布圖如圖2。

由圖2可知，311203綜采工作面過DF19斷層時，出現(xiàn)下盤應(yīng)力集中現(xiàn)象，上盤應(yīng)力集中區(qū)域較小。由于下盤自由面比較大，整體呈現(xiàn)下落趨勢，沒有水平支撐介質(zhì)，下盤同時承受上盤的地壓和液壓支架的支撐力，因此出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時上盤位置會出現(xiàn)整體水平位移，因此形成斷層上盤一側(cè)頂板出現(xiàn)局部應(yīng)力輕度集中現(xiàn)象，最終形成裂隙、孔隙等。工作面回采過程中，支架出現(xiàn)移動困難的區(qū)域主要為斷層構(gòu)造下盤，即90#液壓支架區(qū)域。因此，安全技術(shù)措施實施主要區(qū)域為90#液壓支架區(qū)域。

圖2 311203 綜采工作面通過斷層斷面應(yīng)力分布圖

3 安全技術(shù)措施及效果考察

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析，導(dǎo)致311203 綜采工作面失穩(wěn)主要原因為應(yīng)力集中于斷層構(gòu)造區(qū)域，因此采用的技術(shù)措施必須可以消除應(yīng)力集中。目前，松動爆破技術(shù)在礦井生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，采用松動爆破的方法對應(yīng)力集中區(qū)進行爆破，爆破后可以將應(yīng)力集中區(qū)的斷層下盤、上盤整體破壞，消除應(yīng)力集中。

3.1 松動爆破

進行松動爆破使用Φ35 mm×300 mm×300 g型號二級乳化炸藥，雷管為毫秒延期電雷管，采用FD-200D 型發(fā)爆器起爆激發(fā)，母線為MBM-2×1.0 mm2型銅芯阻燃爆破線。爆破區(qū)域為斷層構(gòu)造與工作面接觸區(qū)域，即應(yīng)力集中區(qū)域。鉆孔布置方式為三花孔，鉆孔布置如圖3，鉆孔參數(shù)見表2。鉆孔施工采用ZDL750 鉆機，鉆孔實施一組后整體安裝炸藥、封孔后進行爆破。

表2 鉆孔參數(shù)表

圖3 鉆孔設(shè)計圖

施工流程：打鉆→裝藥→導(dǎo)通→封孔→爆破。裝藥量按照單孔20 m 的長度裝藥，實施過程中可根據(jù)實際情況調(diào)整裝藥量。

為保證松動爆破效果，封孔長度為10 m。炸藥爆破過程中兩個以上孔同時爆破會產(chǎn)生能量耦合作用，因此每次爆破為五個孔同時爆破。五個孔同時爆破后，斷層下盤、上盤整體會被破壞，形成整體破碎帶，保證應(yīng)力分布均勻。

3.2 效果考察

為考察爆破效果，將工作面液壓支架工作阻力觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，分析結(jié)果如圖4。

圖4 松動爆破實施前后液壓支架應(yīng)力監(jiān)測圖

由圖4 可知，實施松動爆破前，90#支架區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力波動比較大的情況，最大應(yīng)力為55 MPa。根據(jù)地層分析，該區(qū)域位于DF19 斷層下盤區(qū)域。實施完成松動爆破后，130 個液壓支架整體應(yīng)力比較平穩(wěn)，均在25 MPa 值上下浮動，未出現(xiàn)異常波動。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知：松動爆破實施完成后，DF19 斷層區(qū)域下盤應(yīng)力集中點被破碎，應(yīng)力分布均勻，為回采過程中支架平穩(wěn)移動提供了安全條件。

綜合分析，松動爆破的實施有效控制了斷層構(gòu)造對綜采面回采過程中液壓支架挪動不暢的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

為研究綜采工作面過斷層技術(shù)及安全措施，對工作面區(qū)域煤層概況、地質(zhì)情況進行了綜合分析，運用數(shù)值模擬研究方法分析了斷層區(qū)域應(yīng)力分布不均勻的情況，制定了控制措施并進行了效果考察，得到以下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬研究結(jié)果表明導(dǎo)致回采過程中液壓支架移動困難原因為：DF19 斷層下盤區(qū)域應(yīng)力集中。

（2）針對DF19 斷層下盤應(yīng)力集中問題，采用松動爆破措施。

（3）DF19 斷層區(qū)域?qū)嵤┩瓿伤蓜颖坪螅M行效果考察。考察結(jié)果顯示，工作面液壓支架工作阻力分布平穩(wěn)，未出現(xiàn)異常波動。