袁宏樹 閔偉森 楊 東

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

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

我國專家學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用研究[1-6]，關于斷層構造應力分布機理研究內容較少，且之前研究過程中使用的技術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)域地質情況進行了分析，對區(qū)域內圍巖應力分布情況進行了模擬研究[7-10]，制定了安全技術措施并進行了效果考察。研究結果對其他礦井工作面通過斷層構造措施的制定具有一定的指導意義和現實意義。

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。

工作面范圍內含斷層構造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。采面經過DF19 斷層過程中，由于斷層構造上、下盤落差較大，導致斷面應力分布不均勻，液壓支架挪動過程中常出現移動困難、卡液壓支架的問題。為分析斷層構造區(qū)域應力分布情況，采用軟件COMSOL Multiphysics 進行圍巖應力分布研究，選用軟件中固體應力模塊。假設煤層頂板、底板以及煤層為均勻介質，模型不考慮滲流影響和溫度影響，僅進行應力場分析。

現場采樣到實驗室進行煤樣應力參數測試，測得頂板、煤層、底板基本應力參數見表1。

表1 圍巖應力參數表

通過數值計算得到311203 綜采工作面通過斷層斷面應力分布圖如圖2。

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

3 安全技術措施及效果考察

根據數值模擬結果分析，導致311203 綜采工作面失穩(wěn)主要原因為應力集中于斷層構造區(qū)域，因此采用的技術措施必須可以消除應力集中。目前，松動爆破技術在礦井生產中得到廣泛應用，采用松動爆破的方法對應力集中區(qū)進行爆破，爆破后可以將應力集中區(qū)的斷層下盤、上盤整體破壞，消除應力集中。

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)域為斷層構造與工作面接觸區(qū)域，即應力集中區(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 鉆孔參數表

圖3 鉆孔設計圖

施工流程：打鉆→裝藥→導通→封孔→爆破。裝藥量按照單孔20 m 的長度裝藥，實施過程中可根據實際情況調整裝藥量。

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據進行對比分析，分析結果如圖4。

圖4 松動爆破實施前后液壓支架應力監(jiān)測圖

由圖4 可知，實施松動爆破前，90#支架區(qū)域出現應力波動比較大的情況，最大應力為55 MPa。根據地層分析，該區(qū)域位于DF19 斷層下盤區(qū)域。實施完成松動爆破后，130 個液壓支架整體應力比較平穩(wěn)，均在25 MPa 值上下浮動，未出現異常波動。根據數據統(tǒng)計結果可知：松動爆破實施完成后，DF19 斷層區(qū)域下盤應力集中點被破碎，應力分布均勻，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造對綜采面回采過程中液壓支架挪動不暢的現象。

4 結論

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

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

（2）針對DF19 斷層下盤應力集中問題，采用松動爆破措施。

（3）DF19 斷層區(qū)域實施完成松動爆破后，進行效果考察?？疾旖Y果顯示，工作面液壓支架工作阻力分布平穩(wěn)，未出現異常波動。