闫小军

(山西潞安环保能源开发股份有限公司 王庄煤矿，山西 长治 046000)

断层是煤层地系中广泛存在的构造形态。采动伴随着岩层应力场的重新分布，断层与采动相互作用将使岩层应力场异常复杂，因此对工作面回采过断层附近时矿压显现分布规律的研究是十分必要的[1]。

1 工程背景

王庄煤矿5113工作面主采3号煤层，煤厚6.4 m，平均埋深510 m，工作面采高为3 m，采用综放开采方式。5113综采工作面设计走向长度310 m，设计每日正规循环数为4个，推进长度3.2 m。工作面F315断层被揭露于切眼与运巷相交处，断层产状为走向82°、倾向172°、倾角80°、最大落差5.4 m。该断层在工作面延伸情况如图1所示。

图1 断层分布位置平面示意

2 工作面过断层数值模型推演

以王庄煤矿5113工作面F315断层产状特征为背景，运用FLAC3D建立数值计算模型，如图2所示。

图2 数值计算模型及边界条件

模型尺寸(长×宽×高)为200 m×60 m×106 m，断层带倾角为80°，两侧岩层落差5 m，为避免边界应力效应对模拟结果的影响，模型两侧各留50 m边界区域，对模型四周采用辊轴边界，考虑埋深效应，在模型顶部边界施加7.5 MPa均布载荷模拟上覆岩层重量，同时取侧压系数为1.2，对模型侧向施加水平应力，断层带采用接触面单元且设置为库伦剪切模型，符合浅层断裂构造性质。模拟分析上下盘工作面逐步向断层推进时断层附近围岩应力的演化过程。

计算模型参数均由现场钻取岩样，通过室内物理力学试验测得，各部分参数如表1所示，断层主要参数如表2所示。

表1 模型岩层力学参数

表2 断层带主要参数

3 工作面过断层矿压分布规律

3.1 工作面过断层矿压显现特征

煤层回采期间岩层内部应力进行重新分布，随着不断向前回采，采空区上覆岩层重量向四周围岩深部转移，形成超前支撑应力区，断层构造的存在一方面使地应力场存在构造应力，另一方面，断层的存在破坏了岩体的整体性和一致性，影响矿山压力场分布。

对所建立的模型从上盘向下盘逐步开挖。对于工作面距离F315断层在不同位置的应力分布情况进行统计，截取开挖面煤壁剖面做分析比较，应力分布云图如图3所示。

图3 开采过程中矿压应力分布趋势

当工作面回采距离该断层20 m时，最大压力达到11.24 MPa。当工作面距离该断层10 m时，最大压力增加至15.7 MPa，应力集中区域的覆盖范围有明显扩大趋势。当工作面到达断层时，其最大压力达到17.2 MPa，应力集中范围达到最大。当工作面回采不断靠近该断层时，上盘附近的岩层受到的回采动压增大且随着断层面与工作面前方煤壁之间的煤柱宽度变得越来越小，上覆岩层无法得到有效支撑，高度和宽度也随之变大。

工作面通过断层进入下盘后距离断层不同位置时的应力分布云图如图4所示。随着工作面由上盘推进至下盘，最大压力区域也从上盘区域转移至下盘区域，因此工作面通过该断层10 m后，超前支撑应力的最大值达到了16.5 MPa，该支撑应力值要明显低于过断层前靠近断层区域的最大压力值。当通过断层继续推进时，上盘岩层的影响程度也相应减小，工作面在通过该断层20 m、40 m时，超前应力最大值分别为15.34 MPa、12.45 MPa，工作面距离断层越远的区域压力越不明显。

图4 工作面过断层后应力分布云图

3.2 工作面过断层矿压动态演化

采煤机从工作面由上盘向正断层推进时，工作面顶板压力较小，工作面前方压力分布如图5所示。

图5 断层对工作面压力重新分布影响曲线

在距离该断层60 m 时，由于上覆岩层未受到回采动压的影响，超前动压相对较小，其最大值为5.8 MPa。在距离该断层50 m时，上覆岩层受回采动压影响，超前动压最大值增大为12.7 MPa。在距离该断层40 m时，超前动压最大值增大为15.2 MPa。随着工作面不断推进，断层面与煤壁间煤柱距离的变小，超前动压最大值增速加快，在距离该断层10 m时，超前动压最大值达到最大，其值为22.9 MPa，并且煤壁前10 m范围内的压力值基本都在18 MPa以上，煤柱受压现象较为严重。

当工作面位于断层区域时，应力最大值在17.2 MPa处较低，这是由于预应力最大值位于下盘处，断层的存在削弱了上、下盘块力的传导,而工作面处于断层区域时，其值降低为17.2 MPa，这是因为超前压力最大值位于下盘处，断层的存在阻隔了两盘间的应力传递。

4 过断层方案优化

针对过断层时破岩量大、留煤量大、工作面推进速度缓慢、断层附近围岩支护困难、采煤机截齿磨损严重等问题，提出了“沿断层上盘煤层提前起坡—控制起坡倾角—注浆加固”过断层方案。

1) 起坡倾角与距离优化。如图6所示，现场采用的过断层具体方案为从工作面上盘距断层面11 m的位置以18°倾角进行随坡管理。根据工作面断层的倾角情况进行工作面坡度的调整，上盘留底煤并挑顶，下盘卧底破岩，并通过对断层区域及时调整采高，做到尽可能少破岩石，少留底煤。

图6 过断层方案示意

2) 支护方案设计参数优化。在进行工作面过断层注浆加固时，注浆的过程主要是在工作面推进至离断层10 m时，从工作面的方向对工作面断层区域煤体进行加固。根据5113工作面断层的赋存情况，选择在预掘巷的顶板向前倾斜20°角布置3组注浆孔，两边的注浆孔摆角设为20°向帮部倾斜，注浆孔间距为1.5 m。注浆孔参数孔径为D=42 mm，孔深为6 m，在距离注浆孔孔口1.5～2.0 m的位置进行封孔，注浆孔的倾角如图7所示。

为进一步研究工作面在回采期间矿压显现规律，分别对顶板下沉量、断层滑移量等进行观测。

图7 注浆孔布置方案

4.1 顶板下沉量

从图8中可以看出，当工作面回采至距离断层30 m时，由于靠近断层，顶板受压进一步增加，顶板下沉量达到30.6 mm；随着工作面的推进，顶板的下沉量逐渐增大，到达断层区域时，顶板受压最高，下沉量也达到最大值66.7 mm，相比距离断层40 m时的下沉量，超过一倍，增速较快。

图8 工作面顶板下沉量

当工作面进入断层下盘时，由于顶板受压变小，顶板下沉量呈减小趋势，通过断层5 m时，下沉量为26 mm左右。当工作面通过断层 30～40 m区域时恢复正常。

4.2 断层滑移量

回采对断层滑移量影响见图9。

图9 回采对断层滑移量影响

由图9可知，工作面在上盘开采距离该断层20～40 m范围内时，随着工作面的推进，断层滑移量(断层滑移量主要通过在回采过断层前40 m范围以每10 m为一个测量点安排专人进行现场测量，推进至距断层10 m时加大观测频率，以2 m为一个测量点共选取了8个点，以及通过断层后60 m范围根据现场断层倾角变化及断层落差变化具体得出每阶段断层滑移量)逐渐增加，当距离该断层40 m时，滑移量仅为2.88 mm，此时断层趋于稳定态势，工作面的正常推进对断层的滑移量几乎没有影响。在距该断层10 m时，滑移量达到了15.35 mm，相比与距离该断层40 m时的滑移量增加了5.31倍，之后断层滑移量增长速度变小，在断层区域时达到了58.98 mm，开采下盘煤层时，断层滑移量出现一定程度变大之后趋于稳定，最大滑移量为74 mm，工作面基本处于安全稳定状态。

5113综放工作面采用由F315断层上盘向断层推进的方法通过该断层，用105 d推过310 m断层影响区，平均每天推进2.95 m左右。共可多采煤炭18 600 m3，合计2.6万t，遗留煤炭资源总量仅为134.5 t。

5 结 语

1) 断层带的存在对上覆岩层的应力传播特性有明显削弱迹象，断层带两侧区域受采动应力影响明显。

2) 随着工作面向断层区域推进，应力显现区域明显增大。

3) “沿断层上盘煤层提前起坡—控制起坡倾角—注浆加固”过断层方案的应用保障了5113工作面安全高效开采，取得了良好的安全、经济、技术效益。