吉繼瑜

(山西汾西正善煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300)

引 言

頂板管理是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要內(nèi)容，復(fù)雜地質(zhì)條件如何進(jìn)行有效安全的頂板管理更是擺在煤礦技術(shù)人員面前的挑戰(zhàn)。要制定有效的支護(hù)就要掌握頂板破壞規(guī)律及相應(yīng)的支護(hù)方法，因此，在工作面推進(jìn)過程中過斷層的頂板破壞規(guī)律研究不可或缺。眾多專家對(duì)頂板破壞所涉及的圍巖控制理論做了非常詳盡的研究，主要包括“壓力拱假說”、“砌體梁和關(guān)鍵層理論”、“傳遞梁理論”、“巖石工程破壞準(zhǔn)則”、“松動(dòng)圈理論”等，這些理論研究對(duì)礦壓特征、圍巖破壞規(guī)律、支護(hù)作用規(guī)律進(jìn)行了有效的探索，起到了理論奠基作用[1-3]。斷層作為存在于巖體中的非均勻介質(zhì)，是影響采礦的重要因素，同樣得到了眾多學(xué)者的關(guān)注和研究。孟昭平等研究了正斷層對(duì)煤力學(xué)性質(zhì)和礦壓分布的影響：煤巖體的強(qiáng)度會(huì)隨靠近斷層的距離而降低；力學(xué)性質(zhì)會(huì)由張性向張扭、壓扭轉(zhuǎn)變[4]。晁建偉研究了回采巷道過斷層頂板破壞規(guī)律：斷層會(huì)阻斷塑性區(qū)的擴(kuò)展和位移、應(yīng)力的傳遞；證實(shí)了在斷層前后存在最大應(yīng)力點(diǎn)；得到了斷層頂板超前應(yīng)力峰值分布規(guī)律[5]。本文在理論研究的基礎(chǔ)上，通過力學(xué)試驗(yàn)、模擬仿真等科學(xué)方法，針對(duì)正善2201工作面過斷層的實(shí)際情況進(jìn)行了研究。

1 工作面概況

正善2201工作面位于正善煤業(yè)工業(yè)廣場(chǎng)南部，窊野村以西，宣化原村以東。井下位置位于正善煤業(yè)井田中南部，礦井井底車場(chǎng)南部。西鄰一采區(qū)，東鄰2203工作面，均未掘進(jìn)；北至2#煤膠帶運(yùn)輸下山；南至井田邊界保安煤柱。工作面開采二疊系山西組2#煤層，屬1/3焦煤、肥煤平均煤層，厚度1.09 m。偽頂為0.05 m～0.30 m泥巖；直接頂為1.0 m～2.8 m細(xì)粒砂巖；老頂為1.5 m～3.0 m砂質(zhì)泥巖。2201工作面斷層平面示意圖見圖1。

圖1 斷層平面示意圖

2 試驗(yàn)研究

力學(xué)試驗(yàn)煤巖試件均采自該煤組煤巖，為后續(xù)的研究提供理論數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由于過斷層會(huì)造成煤巖抗壓強(qiáng)度降低，剪切破壞塑性區(qū)增加，力學(xué)試驗(yàn)包括煤巖的抗壓、抗拉和剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、表2及第160頁表3所示。

表1 抗壓試驗(yàn)結(jié)果

表2 抗拉試驗(yàn)結(jié)果

表3 剪切試驗(yàn)結(jié)果

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該工作面煤巖平均抗壓強(qiáng)度為5.7 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.49 MPa，剪切強(qiáng)度為7.6 MPa。這為研究其頂板破壞規(guī)律提供了數(shù)據(jù)支持。

3 數(shù)值模擬研究

通過FLAC3d軟件建立模型，對(duì)巷道過斷層進(jìn)行模擬，由結(jié)果可知，在過斷層過程中應(yīng)力分布具有明顯的轉(zhuǎn)移變化，塑性區(qū)有較大擴(kuò)展，這為支護(hù)方案的缺點(diǎn)提供了依據(jù)。塑性區(qū)和應(yīng)力分布對(duì)比如圖2。

圖2 塑性區(qū)和應(yīng)力分布對(duì)比圖

4 支護(hù)方案的制定

4.1 工作面支護(hù)方式的確定

工作面兩巷超前支護(hù)距離不小于30 m，支護(hù)距離從工作面煤壁算起。但兩巷受采動(dòng)影響，礦壓顯現(xiàn)明顯時(shí)超前支護(hù)長(zhǎng)度必須隨之加長(zhǎng)。兩巷超前支護(hù)采用DW-28型單體支柱配用3.2 m π型梁支護(hù)，具體形式為：3.2 m π型梁平行于巷道分兩排布置，π梁梁頭對(duì)接，π型梁距兩幫均為300 mm～400 mm，長(zhǎng)度不小于30 m，每根梁要保證一梁三柱，第一根與第二根柱距為800 mm，第二根與第三根為1 600 mm。超前支護(hù)距工作面15 m范圍支設(shè)雙排，距離工作面15 m～30 m支設(shè)單排，超前支護(hù)支設(shè)轉(zhuǎn)載機(jī)兩側(cè)遇斷層區(qū)域或巷道超高段時(shí)要另行編制專項(xiàng)支護(hù)措施。端頭支護(hù)與超前支護(hù)必須保持聯(lián)鎖，正常接替。隨著工作面推進(jìn)，當(dāng)走向雙排聯(lián)鎖抬棚到工作面煤壁線小于6 m時(shí)，要及時(shí)支設(shè)雙排走向聯(lián)鎖抬棚，保證超前支護(hù)的距離不小于30 m。

4.2 工作面支架選型

工作面選用ZY3200/12/29L型液壓支架，經(jīng)頂板壓力和支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算可知：

頂板平均容重計(jì)算見式(1)：

D=∑HD巖/H總=(2.4×2.07+17.6×2.28)/2.63×8=2.14 t/m3

(1)

其中：D為頂板平均容重，t/m3；H為巖層厚度，m，取8倍采高；D巖為巖層容重，t/m3；H總為巖層總厚度，m。

8倍采高頂板所造成的壓強(qiáng)P壓=8MD=8×2.63×2.17×9.8×10-3=0.447 MPa；支架工作阻力計(jì)算工作面支護(hù)強(qiáng)度p=F/S=3 200/(3.53×1.5)-6=0.604 MPa。支架支護(hù)強(qiáng)度大于8倍采高的頂板巖層造成的壓力，支架符合條件。

5 結(jié)語

正善礦2201回采工作面過斷層期間，頂板破碎，難以管理，基于此，采用力學(xué)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等技術(shù)手段對(duì)工作面過斷層期間的頂板破壞特性進(jìn)行研究，并具體確定了工作面過斷層期間的支護(hù)方式和支架型號(hào)，保證了工作面過斷層期間頂板的安全，為礦井安全生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件。