7103 工作面过断层安全开采技术研究

贾 祥

（沁和能源集团有限公司永安煤矿，山西 晋城 048205）

1 工程概况

沁和能源集团有限公司永安煤矿7103 工作面位于井田的东北区域，煤层厚度4.4～6.9m，平均厚度5.4m。工作面煤层倾角17°～28°，平均倾角24°。7103 工作面地质构造较复杂，巷道掘进过程中共揭露断层7 条，落差在0.4～9.1m 之间。F1、F2、F3、F4、F5、F6 断层对回采的影响较小。F8断层落差较大，落差达到9.1m，断层贯穿整个工作面，与工作面夹角约为 22°，影响工作面正常回采。F8 断层示意图如图1 所示。

为掌握F8 断层附近巷道顶板应力分布规律，在理论分析的基础上运用数值模拟软件FLAC3D对回采时的情况进行模拟分析。模型尺寸长×宽× 高=300m×280m×390m， 开 挖 范 围 长× 宽=200m×190m，开挖高度：煤层厚度5.4m，断层落差9.1m，破碎带宽度4.9m，断层倾角72°。采用理想弹塑性模型并满足摩尔库仑屈服准则。

图1 F8 断层示意图

2 FLAC3D 数值模拟分析研究

采用四步开挖法进行开挖作业。第一次开挖：从F8 断层上盘向正断层推进时，距离断层30m 处；第二次开挖：开挖后推进至与断层距离为10m 处；第三次开挖：开挖后推进至与断层距离为0m 处；第四次开挖：开挖后推进至与断层距离-20m 处。通过软件模拟得到F8 断层附近巷道顶板最大主应力分布云图，如图2 所示。

图2 F8 断层附近最大应力分布云图

从F8 断层附近巷道顶板最大主应力分布云图可知，在7103 工作面向前推进过程中，前方煤岩体中会出现工作面超前支撑压力影响区，并可以得到支承压力与工作面超前煤岩体破坏之间的关系。设定工作面与断层之间存在30m 的煤柱时，煤岩体应力集中的峰值为-25.13MPa，断层端部最大应力为-27. 91MPa；设定煤柱宽度为10m 时，煤岩体应力集中的峰值为-26.17MPa，断层附近应力最大值为-31.69MPa；推进断层位置，工作面超前支撑压力峰值为-28.98MPa，断层尖角处应力值为-32.35MPa，该区域存在着5m 厚的破碎带，容易出现安全事故。因此在工作面推进至F8 断层10m 区域内，必须制定相应的过断层安全技术措施，保障过断层的安全顺利进行。

3 7103 综放工作面过断层方案

3.1 工作面伪斜调整

从永安煤矿其他工作面的开采实践可知，需要调整工作面的伪斜角，使得其与断层面的倾角数值越小，此时采煤机的割矸量是最少的。通过实践调整伪斜角为20°，F8 断层面与工作面的交角确定为45°，该措施可以有效地减少断层在工作面煤壁暴露的长度，提高过断层的安全性。

3.2 强行割矸作业

从7103 工作面的直接顶、直接底、断层断距分析来看，工作面前方区域的上盘岩层比下盘岩层松软破碎，决定采用挑顶起底法来进行强行割矸作业。

断层上盘提前适当破顶上飘，控制面溜上飘幅度。遇全岩时，在保证煤机顺利通过的前题下，采高要控制在1.5m 以下，以确保尽量少破矸石，不影响生产。

遇断层后工作面从上盘煤层进入下盘煤层。采煤机在破顶、拉钩后必须采用木板梁及时刹顶，保证支架的接顶。

3.3 放震动炮

在工作面推进时矸石硬度大时，必须采用放震动炮的措施。震动炮采用锚索机打眼、人工爆破作业的方式进行，在检修班实施。

（1）震动炮沿巷道横断面布置四个深层炮眼，炮眼深度根据顶煤厚度而定，要求深入煤层顶板以上2m 但不得少于5m，炮眼封泥长度不得小于2.5m。

（2）震动炮沿巷道纵向布置三个普通炮眼，炮眼深度打至煤层顶板，炮眼深度根据顶煤厚度而定但不得少于4m，封泥长度不得小于2m。

（3）震动炮在回顺超前支架外向外布置，炮眼横向纵向各布置一排，共7 个炮眼,纵向的炮眼沿巷道上帮布置，且保证与上隅角瓦斯抽放管的距离保持在1m 以上。炮眼间距纵向1.6m，横向1.5m。

3.4 注浆加固

在7103 工作面过F8 断层带时，当出现工作面巷道围岩破碎无法进行锚杆和锚索安装的情况时，可以在断层带进一步采用深孔注化学浆的办法，胶结破碎岩体进行加固处理后，再进行巷道锚杆和锚索的作业施工。在对断层带进行注浆加固处理当中，注浆材料选用瑞琪米诺华公司生产的瑞米加固 I 号。钻孔注浆方案：钻孔位置迎头顶部，孔间距1.2～1.5m，钻孔角度20°～30°，钻孔深度3～4m，钻孔数量3 个。

4 工作面回采巷道的监测分析

通过103 工作面过F8 断层带时回采巷道围岩变形数据的收集和处理，可掌握断层影响下巷道的变形情况。在工作面回风巷揭露F8 断层位置的10m、15m、20m 三处分别设置巷道变形观测点，主观测巷道顶底板和两帮移近量。对监测所得数据进行综合处理，得图3。

图3 7103 回风巷道三处观测点的围岩变形结果图

从图3 可知，7103 综放工作面超前支撑压力影响范围主要集中在前方33m 左右，应力峰值位置超前工作面8.1～18.7m。三处观测点的观测数据表明，随工作面推进，巷道围岩变形移动变化规律基本上一致，两帮最大移近量和顶底板最大移近量分别为144.7mm、165.1mm。从现场监测数据可知，F8 断层对7103 工作面回采的影响在可控范围，过F8 断层安全技术措施是合理的，有效地保障了过断层的安全顺利。

5 结语

在理论分析的基础上运用数值模拟软件FLAC3D对回采时过断层的情况进行数值模拟分析可知，F8断层在工作面与断层间煤柱宽度为10m 时会发生煤岩体不稳定的安全隐患。针对将会出现的安全隐患，制定了过F8 断层的安全技术方案，主要是采用通过工作面伪斜调整、强行割矸、放震动炮、注浆加固四大技术措施，实践应用效果理想，有效保障了工作面安全顺利通过F8 断层。