袁偉茗，毛德兵

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

開采技術與裝備

深部復合頂板大采高工作面過斷層技術研究

袁偉茗1,2，毛德兵1,2

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

對深部復合頂板大采高工作面頂板及煤壁失穩(wěn)特征進行分析，提出關鍵問題是復合頂板和煤壁的穩(wěn)定性控制問題。對“破頂”和 “破底”2種方法進行了數(shù)值模擬分析，得出2種方法需要重點防護的區(qū)域和適用條件，并結合具體案例進行了驗證。研究結果表明：“破頂”法重點防治區(qū)域為斷層的上盤距離斷層9～25m的位置，高度為煤層上方8.5m以下區(qū)域，適用于基本穩(wěn)定的頂板?！捌频住狈ㄖ攸c防治區(qū)域為斷層下盤距底板上方2.5m區(qū)域以及煤層和直接頂交界處，深度為8m左右，適用于基本穩(wěn)定頂板及以上的頂板。

復合頂板；大采高；過斷層技術；煤壁

隨著我國淺部資源的逐漸枯竭，煤礦逐漸轉入深部開采。但是隨著采深和采高的增加，地質構造的數(shù)量和影響程度也隨之增加。斷層是礦井中最常見的地質構造之一[1-2]。斷層帶內主要是由破碎的巖石組成，其工程地質特征較完整巖石有較大的差異，表現(xiàn)為膠結差，黏聚力低，受采動影響明顯等特點[3]。對于工作面過斷層技術，許多學者和現(xiàn)場的工程技術人員進行了研究。目前主要有調整采高法、割底挑頂法、跳采法、綜合法[4-5]等。復合頂板大采高綜采工作面由于采高大，且具有軟弱夾層的復合頂板較破碎，在采動影響下，斷層異常區(qū)的冒頂引起煤壁失穩(wěn)，煤壁失穩(wěn)反作用于復合頂板，這種惡性循環(huán)使得工作面破壞區(qū)域不斷向上部和向工作面深部傳遞，最后導致工作面癱瘓。因此有必要對深部復合頂板大采高工作面的過斷層技術進行進一步研究。

1 頂板及煤壁失穩(wěn)特征分析

大采高工作面的煤體硬度一般為中硬及以上。硬煤的泊松比較小、彈性模量較大，在外部載荷的作用下容易產生拉應力集中，未受采動影響時處于單向受拉狀態(tài)。由于斷層附近含有軟弱夾層的復合頂板與煤層之間存在剪切錯動，所以煤體的最終破壞形式為拉剪式破壞[6]。

斷層附近煤壁破壞引起大范圍的空頂，頂板失去煤體支撐，復合頂板受斷層切割本身已經(jīng)破碎加之采動高應力集中，工作面前方煤層卸壓后產生大面積破碎，支架漏頂嚴重，工作面難以推進。隨著冒頂區(qū)域的不斷擴大又引起新一輪的煤壁失穩(wěn)，如此反復，最終工作面停產。因此，復合頂板大采高工作面過斷層技術需要解決的關鍵問題是復合頂板和煤壁的穩(wěn)定性控制問題。

斷層處片幫冒頂情況，如圖1所示。

圖1 斷層處片幫冒頂素描

2 頂板及煤壁失穩(wěn)機理分析

圍繞深部復合頂板大采高工作面頂板和煤壁穩(wěn)定性控制問題，對斷層區(qū)域不同層位應力演化分布規(guī)律和頂板及煤壁重點防護區(qū)域進行研究。

2.1 計算模型

建立深部復合頂板的FLAC3D地質模型，模型尺寸為400m(長)×3m(寬)×130m(高)。模型共劃分19800個單元，共27296個節(jié)點。

模型計算邊界條件為模型x，y方向限制水平移動，z方向下表面限制垂直移動，z方向上表面為自由面，在上表面施加頂板等效力來模擬上覆巖層的重量。模擬的開采深度為610m，施加的垂直應力為15.25MPa，水平應力取值為垂直應力的0.9倍[7]。

斷層面模擬采用FLAC3D中的interface命令實現(xiàn)，實質是在斷層上下盤之間加了接觸面，接觸面的主要參數(shù)為法向剛度2GN/m，切向剛度2GN/m，摩擦角10°，黏聚力0.01MPa，斷層傾角60°，斷層落差5.5m。

模型以摩爾-庫倫準則為屈服判據(jù)，并采用應變軟化模型來模擬煤巖體峰后軟化的特性。模型中各巖層的參數(shù)根據(jù)地質報告和煤巖體力學實驗確定(表1)，考慮到尺寸效應，對參數(shù)進一步弱化，弱化因子遵循一致性的原則，取值為0.1。

表1 各巖層力學參數(shù)

2.2 模擬方案

結合以往的生產實踐以及對比分析，初步確定2種方案(圖2)。

α-斷層傾角；β1-挑頂角度；b-下盤煤層厚度；β2-破底角度；L1-頂板挑頂距離；L2-底板起坡距離圖2 方案示意

方案1 破頂板：逐步降低采高，至推進至斷層線時，工作面頂板與下盤頂板對準，逐步割底煤提高采高至正常回采。爬坡過程中大部分割頂板。

方案2 破底板：利用頂板條件好的特點，不降低采高，推進至鄰近斷層區(qū)域時起坡，逐步降低采高，爬坡過程中也是大部分割煤層底板，避免碰到工作面堅硬頂板，在工作面推過后，逐步恢復正常開采。

2.3 模擬結果分析

2.3.1 垂直應力

由工作面推進過程垂直應力演化可知，工作面推進至距離斷層60m處，斷層下盤應力重新分布，采動應力影響傳遞至斷層下盤。隨著工作面繼續(xù)推進，工作面前方支撐壓力不斷增大，當工作面推進至距離斷層10m處，斷層影響區(qū)域最大，距離工作面遠處的斷層尖端最易發(fā)生斷層活化。

當工作面推進至斷層處，若采用方案1的方式過斷層，垂直應力主要集中在斷層上盤位置，對斷層下盤區(qū)域影響較小。挑頂區(qū)域的頂板垂直應力集中，集中區(qū)域主要位于距離斷層12～20m的位置，垂直應力達到40MPa以上，而且層位越靠近工作面的頂板應力越大(圖3)。

圖3 方案1斷層處垂直應力分布

若采用方案2過斷層，垂直應力主要集中在斷層下盤煤層區(qū)域。距離工作面越近的煤層應力下降越大，最大降幅10MPa以上，下盤距離底板2.5m以下的煤層應力低于原巖應力值，煤壁由高應力狀態(tài)卸載至低于原巖應力狀態(tài)，煤體破壞嚴重，破壞區(qū)域為工作面上方3m左右，深度為工作面前方8m左右(圖4)。

圖4 方案2上盤頂板垂直應力分布

2.3.2 最大剪應力

最大剪應力τmax=(σ1-σ3)/2，反映了煤體失穩(wěn)的難易程度，其中σ1和σ3分別為最大和最小主應力。最大剪應力越大，煤巖體越接近失穩(wěn)狀態(tài)，這就是最大剪應力破壞準則。此準則不僅可以解釋塑性材料的流動破壞準則，還可以解釋脆性材料的剪切破壞。斷層區(qū)域圍巖破碎，容易產生剪切破壞，符合最大剪應力破壞準則。

若采用方案1過斷層，最大剪應力主要集中在斷層上盤的挑頂區(qū)域，對斷層下盤的影響較小。最大剪應力主要集中在上盤距離斷層9～25m的位置，煤層上方8.5m處的頂板應力最大，見圖5。

若采用方案2過斷層，最大剪應力主要集中在下盤區(qū)域。下盤的煤層和直接頂處于高應力區(qū)。當工作面推進至斷層處，在工作面前方0～8m，底板上方4.5～6.5m的范圍內應力集中，也就是斷層下盤直接頂和煤層的交界區(qū)域煤體處于高應力區(qū)，如圖6所示。

3 頂板及煤壁的穩(wěn)定性控制技術

采用挑頂法(方案1)，垂直應力和最大剪應力都集中于斷層的上盤，對下盤影響較小。在挑頂過程中，應力集中程度大，需要對頂板加強支護。其中在挑頂開始時至挑頂?shù)骄嚯x斷層9m處期間，需要觀察頂板破碎程度以及頂板壓力情況，對于破碎嚴重及壓力較大的區(qū)域可以提前注漿加固以及補打錨索，錨索長度高于煤層上方8.5m層位。也可以采用預掘巷的方法，在上盤距離斷層9m的范圍的低應力區(qū)內預先掘出一條巷道，對挑頂區(qū)域和斷層破碎區(qū)域實施補強支護，也可以進一步了解斷層的產狀和距離工作面的位置。再配合提高支架的初撐力、加快工作面推進速度、降低采高等常規(guī)技術措施，實現(xiàn)斷層的安全快速過渡。

圖5 方案1斷層處最大剪應力分布

破頂法對于頂板的要求比較高，頂板強度過大，采煤機割不動，采用爆破進度慢且危險性較大，頂板太軟冒頂片幫又無法控制，所以此種方法適用于直接頂為基本穩(wěn)定的頂板。

圖6 方案2斷層處上盤最大剪應力分布

采用破底法(方案2)，垂直應力和最大剪應力都集中于斷層下盤的煤層和直接頂區(qū)域。在推進至斷層位置時，下盤煤體和直接頂垂直應力產生較大程度卸載，且最大剪應力集中，工作面頂板和前方煤壁容易冒頂片幫。其中下盤煤層距底板2.5m以下及4.5～6.5m處，深度8m左右范圍需要加強支護。對于破碎嚴重區(qū)域，特別是冒頂片幫惡化區(qū)域，可以采用“面中面”的方式清理出高2m左右，深度2m左右的“小面”，“小面”采用錨索、錨桿、鋼帶、金屬網(wǎng)及單體柱進行傳統(tǒng)的支護，“小面”作用是冒頂片幫區(qū)域支架的接頂處理和前方破碎區(qū)域的補強支護。

破底對于煤層要求較高，煤層為中硬煤及以上，頂板為基本穩(wěn)定頂板及以上均可滿足要求。

4 案例驗證

西山煤電杜兒坪礦68302工作面直接頂為石灰?guī)r，頂板基本穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)場情況，事先掘送探巷，對斷層區(qū)域加強支護。采用破頂法實現(xiàn)了落差3m的正斷層的安全快速過渡[8]，這說明破頂法適用于此種類型礦井。

國投新集劉莊煤礦171301工作面由于頂板為較堅硬的砂巖，采煤機割不動，采用臥底的方法，在斷層下盤及時調整坡度留頂煤破煤層底板，實現(xiàn)4～6m正斷層的快速平穩(wěn)過渡[9]，這說明破底法適用此種類型的礦井。

淮南謝橋礦1242(3)工作面頂板有軟弱夾層，煤體較破碎，推進至斷層處冒頂片幫區(qū)域的半徑達3m左右，工作面停產?，F(xiàn)場采用“面中面”方式在冒落區(qū)域前方人工開挖小面，清理破碎煤巖，利用金屬網(wǎng)，錨桿和鋼帶對小面及時支護，并且對“小面”煤壁前方用化學漿液進行注漿加固。斷層區(qū)域頂板和煤壁得到有效控制，大采高工作面順利通過高差5.5m的正斷層。

因此不管是破頂還是破底，都需要結合現(xiàn)場的具體情況進行論證后選擇適合的方案，再通過對重點區(qū)域加強支護結合傳統(tǒng)過斷層措施，能夠實現(xiàn)復合頂板大采高工作面安全高效度過斷層。

5 結 論

(1)采用破頂法，垂直應力和最大剪應力主要在斷層上盤集中，重點防治區(qū)域為斷層上盤距離斷層9～25m的位置，高度為煤層上方8.5m以下區(qū)域；采用破底法，垂直應力和最大剪應力主要在斷層下盤煤層和直接頂區(qū)域，重點防治區(qū)域為斷層下盤距底板2.5m以下煤層(垂直應力卸壓破壞)以及煤層和直接頂交界處(最大剪應力剪切破壞)，深度為8m左右。

(2)對于重點防治區(qū)域，破頂法可以采用預掘巷法進行加強支護；破底法可以采用“面中面”的方式加強支護。

(3)破頂法適用于直接頂為基本穩(wěn)定的頂板；破底法適用于中硬及以上煤層且基本穩(wěn)定頂板及以上頂板。

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[責任編輯：于健浩]

Over Fault Technique of High Mining Height Working Face with Composite Roof in Deep

YUAN Wei-ming1,2，MAO De-bing1,2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

The instability characters of roof and coal wall of high mining height working face with composite roof in deep were analyzed，the key problems that stability control problem of composite roof and coal wall were put forward.Then two method of ‘ roof broken’ and ‘floor broken’ were analyzed by numerical simulation，the main protective zone and adaption situation of two method were obtained，and then verified by practical.The studying results showed that the important prevention and cure zone of ‘ roof broken’ way was the position 9～25m in upper section that to fault，the height was the below zone of the height 8.5m of coal seam upper，and it is appropriate for essential stability roof.The important prevention and cure zone of ‘ floor broken’ way was the position that bottom section of fault to upper of floor about 2.5m，and intersection position between coal seam and immediate roof，the depth about 8m，and it is appropriate for essential stability roof and above.

composite roof；high mining height；over fault technique；coal wall

2016-06-12

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.006

國家自然科學基金項目(51304115，51474128)；天地科技股份有限公司基金項目(KJ-2015-TDKC-02)

袁偉茗(1991-)，男，江蘇南通人，碩士研究生，主要從事礦山壓力巖層控制方面的研究。

袁偉茗，毛德兵.深部復合頂板大采高工作面過斷層技術研究[J].煤礦開采，2017，22(1)：22-26.

TD823.2

A

1006-6225(2017)01-0022-05