正善2201回采过断层顶板破坏特征研究

吉继瑜

(山西汾西正善煤业有限责任公司，山西 孝义 032300)

引 言

顶板管理是保证煤矿安全生产的重要内容，复杂地质条件如何进行有效安全的顶板管理更是摆在煤矿技术人员面前的挑战。要制定有效的支护就要掌握顶板破坏规律及相应的支护方法，因此，在工作面推进过程中过断层的顶板破坏规律研究不可或缺。众多专家对顶板破坏所涉及的围岩控制理论做了非常详尽的研究，主要包括“压力拱假说”、“砌体梁和关键层理论”、“传递梁理论”、“岩石工程破坏准则”、“松动圈理论”等，这些理论研究对矿压特征、围岩破坏规律、支护作用规律进行了有效的探索，起到了理论奠基作用[1-3]。断层作为存在于岩体中的非均匀介质，是影响采矿的重要因素，同样得到了众多学者的关注和研究。孟昭平等研究了正断层对煤力学性质和矿压分布的影响：煤岩体的强度会随靠近断层的距离而降低；力学性质会由张性向张扭、压扭转变[4]。晁建伟研究了回采巷道过断层顶板破坏规律：断层会阻断塑性区的扩展和位移、应力的传递；证实了在断层前后存在最大应力点；得到了断层顶板超前应力峰值分布规律[5]。本文在理论研究的基础上，通过力学试验、模拟仿真等科学方法，针对正善2201工作面过断层的实际情况进行了研究。

1 工作面概况

正善2201工作面位于正善煤业工业广场南部，窊野村以西，宣化原村以东。井下位置位于正善煤业井田中南部，矿井井底车场南部。西邻一采区，东邻2203工作面，均未掘进；北至2#煤胶带运输下山；南至井田边界保安煤柱。工作面开采二叠系山西组2#煤层，属1/3焦煤、肥煤平均煤层，厚度1.09 m。伪顶为0.05 m～0.30 m泥岩；直接顶为1.0 m～2.8 m细粒砂岩；老顶为1.5 m～3.0 m砂质泥岩。2201工作面断层平面示意图见图1。

图1 断层平面示意图

2 试验研究

力学试验煤岩试件均采自该煤组煤岩，为后续的研究提供理论数据基础。由于过断层会造成煤岩抗压强度降低，剪切破坏塑性区增加，力学试验包括煤岩的抗压、抗拉和剪切试验。试验数据如表1、表2及第160页表3所示。

表1 抗压试验结果

表2 抗拉试验结果

表3 剪切试验结果

由上述试验数据可知，该工作面煤岩平均抗压强度为5.7 MPa，抗拉强度为0.49 MPa，剪切强度为7.6 MPa。这为研究其顶板破坏规律提供了数据支持。

3 数值模拟研究

通过FLAC3d软件建立模型，对巷道过断层进行模拟，由结果可知，在过断层过程中应力分布具有明显的转移变化，塑性区有较大扩展，这为支护方案的缺点提供了依据。塑性区和应力分布对比如图2。

图2 塑性区和应力分布对比图

4 支护方案的制定

4.1 工作面支护方式的确定

工作面两巷超前支护距离不小于30 m，支护距离从工作面煤壁算起。但两巷受采动影响，矿压显现明显时超前支护长度必须随之加长。两巷超前支护采用DW-28型单体支柱配用3.2 m π型梁支护，具体形式为：3.2 m π型梁平行于巷道分两排布置，π梁梁头对接，π型梁距两帮均为300 mm～400 mm，长度不小于30 m，每根梁要保证一梁三柱，第一根与第二根柱距为800 mm，第二根与第三根为1 600 mm。超前支护距工作面15 m范围支设双排，距离工作面15 m～30 m支设单排，超前支护支设转载机两侧遇断层区域或巷道超高段时要另行编制专项支护措施。端头支护与超前支护必须保持联锁，正常接替。随着工作面推进，当走向双排联锁抬棚到工作面煤壁线小于6 m时，要及时支设双排走向联锁抬棚，保证超前支护的距离不小于30 m。

4.2 工作面支架选型

工作面选用ZY3200/12/29L型液压支架，经顶板压力和支护强度计算可知：

顶板平均容重计算见式(1)：

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

(1)

其中：D为顶板平均容重，t/m3；H为岩层厚度，m，取8倍采高；D岩为岩层容重，t/m3；H总为岩层总厚度，m。

8倍采高顶板所造成的压强P压=8MD=8×2.63×2.17×9.8×10-3=0.447 MPa；支架工作阻力计算工作面支护强度p=F/S=3 200/(3.53×1.5)-6=0.604 MPa。支架支护强度大于8倍采高的顶板岩层造成的压力，支架符合条件。

5 结语

正善矿2201回采工作面过断层期间，顶板破碎，难以管理，基于此，采用力学试验、数值模拟等技术手段对工作面过断层期间的顶板破坏特性进行研究，并具体确定了工作面过断层期间的支护方式和支架型号，保证了工作面过断层期间顶板的安全，为矿井安全生产创造了良好的条件。