综放工作面过断层顶板活动规律研究与应用

张德峰 陈 勇，2

（1.兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿，山东省济宁市，272169；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116）

综放工作面过断层顶板活动规律研究与应用

张德峰1陈 勇1，2

（1.兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿，山东省济宁市，272169；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116）

为避免因工作面搬家所带来的工期延长及经济损失，并且考虑到煤层顶底板岩性较好，济宁三号煤矿53下07（北）综放工作面决定采用割顶留底的方法直接过断层。根据断层区域顶板活动数值模拟结果和工程地质情况，分析和设计了53下07（北）综放工作面直接过断层技术措施。实践证明该技术方法有效保证了工作面安全快速通过断层区域，相比重新开切眼工作面搬家方案，该方案少掘了一条巷道，同时减少了断层保护煤柱的留设，提高了煤炭资源的回收率。

综放工作面 过断层 数值模拟

随着煤炭资源的高强度开采导致不少矿区的煤炭资源日益枯竭，不得不设计开采一些地质构造复杂的工作面，其中影响最大的为断层结构。工作面在过断层过程中可能会出现顶板异常破碎、顶板局部冒落、煤壁片帮等矿压显现异常现象，另外有些煤矿过断层时可能会遇到煤与瓦斯突出、断层水大量涌入工作面和冲击矿压情况，给煤矿生产造成巨大损失。因而，在过断层之前，分析研究工作面过断层期间的顶板活动规律，并据此制定相应的工作面过断层技术措施显得尤为重要。

本文以济宁三号煤矿53下07（北）综放工作面过断层为例，利用数值模拟方法研究了工作面过断层顶板活动规律，并据此制定了一套科学有效的工作面过断层技术措施，以期为工作面安全过断层提供参考依据。

1 工作面概况及煤层顶底板情况

1.1 53下07 （北）工作面概况

济宁三号煤矿53下07（北）综放工作面位于五采区西北部、53下06（北）工作面采空区西侧、53下07（南）工作面北侧，北侧为西部辅运巷。工作面长203 m，总推进长度为1294.1 m。工作面采用走向长壁综采放顶煤采煤法，沿走向方向揭露了贯穿工作面倾向的断层 （SF431）1条。采用全部垮落法管理顶板。53下07（北）工作面巷道布置如图1所示。

1.2 煤层及顶底板情况

开采的3下煤层厚度1.1～6.5 m，平均厚度为4.07 m，煤层倾角0～12°，平均5°，平均埋深688 m。工作面回采期间最大涌水量为70 m3／h，正常涌水量约为40 m3／h，对回采影响不大。工作面顶底板情况见表1。

图1 工作面巷道布置

表1 工作面顶底板情况

2 断层情况及工作面过断层方式

2.1 SF431断层情况

该工作面掘进期间内只揭露1条SF431正断层，未出现涌水。断层落差10 m，与工作面夹角70°，在该工作面的中部发育并贯穿工作面，并随工作面推进逐渐向带式输送机巷延伸；断层面平滑，无破碎带。煤岩受断层影响裂隙发育，完整性差，对回采影响较大。

2.2 工作面过断层方式

虽然SF431断层与工作面夹角较大，但是煤层顶底板多为中细砂岩，岩性较好，便于顶板管理，工作面不需要另开切眼和缩短。另外工作面直接过断层不仅能避免工作面搬家所带来的工期延长和经济损失，而且延长了工作面走向长度，提高了回采效率，减少了巷道掘进量。综合考虑，决定采用直接过SF431断层的方案。

根据工作面顶底板岩性情况，采用割顶留底的方法通过工作面断层区域，选择岩性较软的底板割底通过，尽量减少割矸量。为了使工作面设备顺利从断层一盘过渡到另一盘，在距断层面15 m处开始过断层，选定推进仰角不大于15°，截深0.8 m。

3 工作面过断层区顶板活动数值模拟

3.1 数值模型的建立

53下07（北）综放工作面从正断层上盘向断层推进，为了研究清楚采掘期间断层区域顶底板活动规律及采场应力分布，采用UDEC4.0软件对正断层条件下工作面从断层上盘向断层推进过程中工作面应力场分布情况以及超前支承压力的变化情况进行研究。

根据济宁三号井53下07（北）综放工作面生产地质条件和生产技术条件，建立如图2所示的UDEC数值计算模型，模型长200 m，高90 m。模型中岩体、节理变形破坏模型均为摩尔-库仑模型。数值模拟中各煤岩层块力学参数为实验室实测所得。

图2 数值模拟模型

3.2 模拟方案的确定

建立初始模型，断层角度72°，断层落差为10 m，模拟工作面从断层上盘向断层推进时，距SF431断层40 m、30 m、20 m、10 m时采场应力变化规律；工作面通过断层时，工作面塑性区及位移场分布规律；通过断层后，距断层10 m、20 m、30 m、40 m时采场应力变化规律。

3.3 数值计算结果分析

3.3.1 断层对工作面支承压力分布特征的影响

（1）工作面位于断层上盘时断层对工作面支承压力的影响。工作面向SF431断层推进时工作面煤体超前支承压力峰值分布情况见表2。

表2 工作面煤体超前支承压力峰值分布

由表2可知，随着工作面到SF431断层方向推进，工作面超前最大垂直应力值和应力集中系数逐渐增大，并且最大垂直应力出现的位置到工作面距离逐渐减小。断层的存在不仅影响到垂直应力峰值，还影响到支承压力的分布形式和分布范围，使得应力峰值随工作面距断层距离的变小而增大并向煤壁转移，最小距离煤壁4.0 m，这使得断层区域煤壁片帮和发生冲击地压的可能性增大。因此，在工作面过断层中要采取相应的措施加以预防。

（2）工作面过断层期间采场围岩塑性区及位移场分布情况。当工作面推进到距断层面15 m时，工作面以15°仰角从断层上盘过渡到下盘，当工作面开始破底板通过断层时，顶底板状态比较稳定，但是工作面煤壁前方8 m范围内为塑性区并且贯穿到断层面，煤壁片帮严重。

工作面全部进入断层上盘岩层中时，工作面顶板较稳定，前方塑性区范围为1.6 m，下部煤体全部破坏并出现底臌，应特别注意预防。

工作面通过断层时，围岩破坏严重，断层上、下盘之间由粘接状态转化为断开状态，两盘出现相对位移，工作面前方塑性区扩展到断层下盘煤层，范围为4.4 m，此时需特别注意工作面顶板的维护。

（3）工作面位于断层下盘时断层对工作面支承压力的影响。模拟工作面通过断层后，距离SF431断层10 m、20 m、30 m、40 m等不同位置时，断层对工作面煤体垂直应力峰值及应力集中系数分布情况见表3。

表3 工作面煤体超前支承压力峰值分布

当工作面推过断层面完全进入断层上盘后，由于断层面进一步拉裂和滑动，不能完全把覆岩重量转移到回采工作面前面，使煤壁垂直应力减小，但之后不久，工作面面临着顶板大范围岩层悬臂回转变形破断的影响，将导致垂直应力变大，顶板出现强烈来压。

3.3.2 工作面断层不同区域覆岩移动及断层面活化特征

图3为工作面距断层面6 m时覆岩活化特征模拟。从图3中看出，当工作面向断层面推进时，煤层上方覆岩出现竖向裂缝，煤壁前方断层面裂隙张开，表现为明显的活化现象。

当工作面进入断层面时，见图4，下盘煤层上覆岩层35.14 m范围内的覆岩出现竖向裂缝，断层面处覆岩裂隙充分张开，断层上、下盘之间由粘接状态转化为断开状态，断层下盘沿断层面拉伸下沉，两盘出现相对位移，工作面容易发生顶板台阶下沉，因此在此区域工作面应加强支护。当工作面推过断层面，见图5，完全进入断层下盘时，由于断层面进一步拉裂和滑动，不能完全把覆岩重量转移到回采工作面前面，使煤壁前方及其顶板岩体中压力减小，顶板冒落高度减小。

4 工作面过断层技术措施

针对工作面过断层区顶板活动数值模拟中断层对工作面支承压力分布特征和工作面断层不同区域覆岩移动及断层面活化特征，制定了相应的工作面过断层技术措施。

（1）当工作面顶底板岩石岩性坚硬、采煤机截割困难、影响采煤机正常运转时，采用松动爆破法破岩。

（2）在顶板裂隙发育区段，应及时拉超前架护顶，并及时伸出伸缩前梁，升紧护帮板，防止因煤层破碎诱发冒顶事故。

（3）过断层时，应采取带压移架的方法，同时打开降柱及移架手把，当支架擦顶前移时停止降柱，使破碎矸石滑向采空区，移架到规定步距后停止移架，并立即升柱，采煤机通过后及时支护顶板，尽量缩小顶板暴露时间和面积。

（4）当煤壁片帮时，应先伸出伸缩梁并抵到煤壁，后操作护帮板，当片帮宽度超过0.7 m时，应超前架棚管理。架棚形式为一架两棚，梁用ø200 mm×2000 mm半圆木，支柱采用DZ28-25／100单体支柱，梁头一端与支架顶梁搭接不小于200 mm，另一端伸进煤壁梁窝并在刮板输送机前方不小于700 mm打贴帮柱。

（5）顶板破碎时，采用擦顶移架以防松动顶板，片帮严重时采取超前支护，减少空顶面积。

（6）工作面漏顶、漏矸时，应及时向下刹刀割底，并降低采高，留取一定的顶煤来控制顶板，必要时可在支架前梁上穿板梁或工字钢与铺设金属网配合的方法维护顶板。铺设金属网时，长边对接，短边搭接长度不小于300 mm；使用12＃铁丝隔扣相连；端头铺网时与巷道顶网搭接相联。

（7）工作面每推进5 m，采用钻屑法或电磁辐射法监测工作面前方煤壁是否有冲击矿压危险。当发现有冲击危险时，应及时进行解危处理。主要采取煤层卸压爆破和钻孔卸压。

5 工程应用效果

（1）工作面采用过断层技术措施后顶板控制效果较好，没有出现大面积冒顶、煤壁片帮事故和冲击矿压危险，工作面在短时间内安全通过了断层区域。

（2）工作面直接通过断层比重新开切眼少掘一条通道，节省通道掘进费72万元，同时减少了断层保护煤柱的留设，按断层上下盘各留15 m煤柱，计算得煤炭10.8万t，直接通过断层按30%回收率计算多回收煤炭5.4万t，原煤价格按1000元／t计算，创收324万元。

6 结语

本文根据数值模拟结果和 采矿实际条件，对济宁三号煤矿工作面过断层可能会遇到的问题进行了深入分析，并据此制定了相应的技术措施，既提高了资源回收率，又减少了综采设备搬家倒面次数和费用，同时还保证了工作面安全快速通过断层区域。该方法的成功实践为相似条件下工作面过断层提供重要的技术借鉴。

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Research and application of roof activity regulation when fully-mechanized caving face passing through fault

Zhang Defeng1，Chen Yong1，2
（1.Jining No.3 Mine，Yanzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Jining，Shangdong 272169，China；2.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

To avoid construction time extension and financial loss caused by face movement，and in view of good rock characters of seam roof and floor，the method of cutting roof and retaining floor was used in 53（lower）07（north）fully-mechanized caving face to pass through the fault directly in Jining No.3 Coal Mine.The paper analyzed and designed the technical measure based on the numerical simulation results of roof activities in fault area and the geological conditions.Practice shows that the technical scheme has ensured the working face passing through the fault area safely and quickly.Comparing the method of reopening a cut for face movement，this scheme avoids another drivage and reduces the fault protective pillar，which helps to improve the coal recovery rate.

fully-mechanized caving face，passing through fault，numerical simulation

TD823.99

A

张德峰 （1973-），男，山东邹城人，工程硕士、工程师，现从事煤矿现场生产技术管理工作。

（责任编辑 张毅玲）