3113综采工作面过断层数值模拟研究

张锁纪

(霍州煤电集团吕临能化有限公司， 山西 临县 033200)

1 前言

现今，煤炭资源日益短缺，复杂地质条件下煤炭的开采成为了主导趋势。尤其是在开采断层区域的煤层时，巷道的支护情况变得复杂，顶底板的运移情况更是难以预测，常常会伴随着突水、冒顶、片帮以及煤与瓦斯突出等灾害发生[1]。因此，在研究这种复杂地质条件下煤层开采时，通常会采用数值模拟的方式对复杂地质条件下煤层开采方案进行分析，通过观测顶底板塑性区的范围、变化情况以及顶底板围岩运移情况，分析相邻煤层的应力作用范围，为近距离煤层的开采提供开采依据[2-4]。

2 工作面概况

某矿3113工作面位于井田一盘区，南侧为一盘区回风大巷，北侧为实体煤，开采煤层为6#煤层，整层煤厚度变化较小，倾角为2°～60°，平均倾角为49°，平均煤厚约为6.19m，煤层埋深约为395m。煤层顶底板岩性参数见表1。

3 地质条件及过断层方式

1)地质条件

通过矿井地质资料来看，当工作面回采至240m时，揭露断层F1，断层落差11m，倾角71°。根据断层所揭露的部分以及探测情况可知，整条断层贯穿工作面，且在工作面前方煤壁中较为发育，断层结构面中未发现较大的破碎带，但严重影响了工作面的正常回采。

2)过断层方式

由于F1断层为大倾角断层，其中主要成分为中砂岩，结构性质较为稳定。因此，在过断层的同时，不需要缩短工作面回采长度，也不需要掘进额外的开切眼。由于在回采时参考工作面推进速度、回采效率以及搬家开采的经济损失，结合表1中所示的煤层围岩赋存状况，根据底板较软的特征，最终决定采用沿底掘进的方式直接过断层。采用此方法推进，可以大幅度减小采煤机割矸量，缩短工作面过断层的时间，确保员工的人身安全[5]。

表1 3113工作面顶底板岩性参数表

4 过断层巷道支护数值模拟

1)模型建立与分析方案

本次模拟采用UDEC分析软件进行数值分析，模型模拟断层倾角α=71°，H=11m，模型总长为250m，高90m，根据摩尔—库伦分析准则对围岩进行受力分析。分别对工作面与F1断层相距60m、45m、30m、15m四种情形时，围岩的塑性区变化范围以及顶板运移情况进行时分析，模拟图如图1所示。待工作面通过F1断层时，进一步分析受断层影响范围内工作面的矿压分布规律以及超前支护应力集中区域的变化状况；并且对工作面过断层后，回采工作面距断层15m、30m、45m、60m时围岩应力场分布状况以及变化规律进行分析，判断回采方案是否可行性、有效。

2)方案模拟结果分析

(1)通过UDEC数值分析可知，当工作面进入断层影响区域时，4组不同观测点的超前支承压力峰值变化状况见表2。从表中可以看出，当回采工作面与断层距离不断缩小时，应力集中系数不断增大，同时作用在工作面前方的最大垂直应力也不断增大，并且最大垂直应力的发生位置与煤壁的相对距离也不断减小。由此可知，由于工作面前方断层的存在，直接影响了工作面围岩的最大应力值，并且还使得支承压力的作用范围与变化形式受到直接影响，应力集中区域大致可表现为“几”字型分布[6]，大大增加了煤壁片帮以及冲击地压等矿压显现的可能。因此，在工作面过断层时，为确保足够的人身安全，应当采用必要的支护手段，尽可能避免不必要的灾害事故发生。

图1 UDEC数值模拟计算模型图

距离/m应力集中系数最大垂直应力/MPa最大垂直应力距煤壁距离601.7324.119.7452.1226.568.4302.1528.456.9152.3731.184.2

(2)工作面通过断层过程中，当工作面与断层相距15m时，底板较为完整，在工作面前方9m的煤壁中产生大范围塑性区，表现出严重的煤壁片帮现象，但未发生其他较为明显的矿压显现特征。当整个工作面全部推进至断层上盘之后，塑性区为煤壁前方1.7m，此时底板处煤体破碎状况较为严重，且有底鼓现象发生，因此应当对工作面底板加强支护。当工作面继续推进时，围岩破碎加剧，断层上下盘非连续状态继续发展，并且两盘发生了明显的相对位移，塑性区范围由煤壁前方4.5m处延伸至断层下盘煤体处，此时煤层顶板塑性区范围增大，此时应当加强工作面顶板支护，防止工作面发生大面积冒顶事故。

(3)当工作面通过断层之后，继续推进工作面，此时工作面与断层间距离继续增大，断层构造带作用在煤壁前方的最大垂直应力与应力集中系数变化状况重新分布，具体情况见表3。由表中数据可以看出，当工作面通过断层之后，断层与煤体之间主要表现为非连续应力接触，这就使得上覆岩层作用在工作面顶板处的位置发生前移。继续推进工作面，顶板会在垂直应力的作用下发生回转失稳，即形成了基本顶的周期来压现象，回采工作面也就完成了整个过断层阶段。

表3 断层作用于煤体处的最大垂直应力与应力集中系数状况

5 3113综采工作面过断层技术措施

(1)当工作面顶板形成大面积破碎区时，应当及时采用超前支架对顶板进行超前支护，充分发挥支架前梁与护帮板的作用，尽可能减小顶板冒落与工作面煤壁片帮的危险。

(2)在工作面过断层的整个过程中，应当采取带压移架的方式通过，并且要观测支架立柱的受力状况。支架擦顶前移时不应当进行降柱操作，并且当支架移至煤壁处后，立即升柱使支架具备足够的初撑力；工作面通过断层之后，由于顶板会发生周期来压，会对支架造成较大的压力，应当对工作面上方顶板进行有效支护，避免长时间空顶而产生压架现象。

(3)在过断层过程中，工作面前方煤壁会产生大范围的塑性区，导致煤壁发生大面积片帮，当片帮深度超过0.6m时，应当对前方煤壁采用“一架两棚”的超前架棚支护形式，架棚顶梁为截面φ200mm×2 100 mm的矩形道木，立柱选取DZ28- 25/100单体支柱与道木进行搭接，且搭接过程应当严格按照《煤矿安全规程》操作。

(4)为更好地避免矿井冲击地压的威胁，可以通过电磁辐射法或钻削法对工作面进行超前监测。如果发现工作面前方煤壁存在冲击地压隐患，应当及时采取相应的消危措施，通常可采用钻孔卸压与卸压爆破两种方式进行冲击地压的隐患消除。进行消危之后，会释放煤壁前方的垂直应力，进而再次形成工作面基本顶的周期来压。

6 结论

(1)通过对3113工作面过断层采用合理的措施，可以有效改善顶底板塑性区的变化状况，避免了顶板冒落、煤壁片帮以及冲击地压等矿压显现带来的威胁，能够达到预期的效果，实现了工作面过断层时的安全高效回采。

(2)通过采用直接过断层的方法，大大提高了煤炭的回采效率，降低了工作面搬家带来的经济损失，并且进一步探明了断层的影响效果，为相邻煤层安全过断层提供了足够的科学依据。