张洪锋,邓海富

(1.大同煤矿集团 安全管理监察局,山西 大同 037000;2.山西煤炭进出口集团 河曲旧县露天煤业有限公司,山西 河曲 036500)

断层构造严重影响巷道、工作面乃至整个矿井生产系统布置[1],回采过程中常需要延长或缩短工作面以适应地质条件变化,使得回采中出现不规则工作面。断层作为岩体介质中的弱面,回采中可能出现冒顶、突水和冲击地压等事故[2],在大落差断层附近实现工作面支架的安全撤除与安全通过,对工作面安全高效开采具有重要意义。

有关学者对断层特征、回采影响进行大量研究,但对大落差断层条件下不规则工作面的高效开采研究较少[3]。本文采用现场调研、数值模拟以及现场工业实验相结合的方法,分析了某煤矿4301综放工作面10 m落差断层附近工作面顶底板活动规律,提出了在工作面缩面过程中的支架撤除工艺及顶板控制技术,为类似条件工作面安全高效回采提供借鉴。

1 生产地质条件

某矿4301综放工作面为不规则的边角煤工作面,主采煤层厚度1.1 m ～6.5 m,平均厚度4.07 m,煤层上方为平均厚度14.68 m的细砂岩及中砂岩,采用走向长壁综采放顶煤开采,推进长度为1 294.1 m。4301综放工作面掘进期间在回采范围内共揭露21条正断层,最大落差10 m,其中贯穿工作面的三条断层分别为SF429、SF431、SF440,发育在该工作面的中部,落差分别为3.5 m、10.0 m、2.9 m,对回采影响较大。

工作面分为两个块段回采,第一块段推进长度为880 m,净面长203.70 m;第二块段推进长度为414.1 m,净面长120 m。

2 大落差断层区顶板活动规律

2.1 模型建立及方案

采用UDEC4.0软件对正断层情况下,工作面从断层上盘向断层推进过程中采场围岩应力场分布、塑性破坏及位移变化规律进行研究。

根据该矿4301综放工作面生产地质条件,建立数值计算模型,见图1。模型长200 m,高90 m,模拟的断层角度70°,断层落差10 m。分析工作面从断层上盘向断层推进时,距SF431断层40 m、30 m、20 m和10 m时采场应力变化规律;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SF431断层10 m、20 m、30 m和40 m时采场应力变化规律。

图1 工作面过断层区数值计算模型Fig.1 Numerical simulation of the working face crossing the fault

2.2 数值计算结果

2.2.1 断层对工作面支承压力分布特征的影响

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如表1所示,工作面向SF431断层推进时的应力场分布见图2。

由表1和图2可以看出,当工作面离SF431断层40 m时,超前支承压力最大值为23.04 MPa,距离工作面煤壁9.5 m,应力集中系数为1.75。随着工作面向SF431断层进一步推进,应力峰值逐步升高,断层对工作面超前支承压力的影响逐步增加,当工作面距离SF431断层20 m时,应力峰值上升到27.22 MPa,应力集中系数达到2.06,应力峰值位置距煤壁6.5 m。当工作面距离SF431断层10 m时,应力集应力峰值上升到29.18 MPa,应力集中系数达到2.28,应力峰值位置距煤壁4.0 m。

表1 工作面煤体超前支承压力峰值分布Table 1 Peak distribution of advance abutment pressure

图2 工作面向SF431断层推进时的应力场分布(距断层10 m)Fig.2 Stress field distribution when the working face advancing toward the SF431 fault (10 m from the fault)

可见断层不仅影响垂直应力峰值,还影响支承压力的分布形式和分布范围,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。

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。

2.2.2 工作面过断层期间采场围岩塑性区及位移场分布

当工作面以15°仰角从断层上盘过渡到下盘,通过断层时(见图3),围岩破坏严重,断层上、下盘之间由“黏接”状态转化为“断开”状态,断层上盘沿断层面拉伸下沉,两盘出现相对位移(见图4),工作面前方塑性区扩展到断层下盘煤层,此时需特别注意工作面顶板的维护。

图3 工作面通过断层时采场围岩塑性区分布Fig.3 Plastic zone distribution of stope surrounding rock when working face crossing the fault

图4 工作面过断层时围岩位移场分布Fig.4 Displacement distribution of surrounding rock when working face crossing the fault

3 断层区不规则工作面支架撤除方案

分析10 m落差断层区域特征,结合现场实际,分别制定工作面过断层以及工作面支架撤除方案[4]。

SF431断层特征:1)断层在胶带顺槽揭露,落差10.0 m,属于落差较大的断层;2)断层与工作面夹角70°,随工作面向前推进逐渐向胶带顺槽延伸;3)断层面平滑,无破碎带;4)断层影响贯通整个工作面。图5为SF431断层的剖面图。

图5 SF431断层剖面图Fig.5 Profile of the SF431 fault

3.1 工作面过断层技术方案分析

过SF431断层有两种方案可供选择:

1)进行系统改造,沿断层走向重开新切眼。优点是减少断层对工作面的影响,保护综采设备。缺点是影响工作面的接续,需开一条切眼,搬家、撤面和重新安装工作面成本较高;降低了资源回收率。

2)采用爆破法直接通过断层。优点是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,比第一种方案可缩短工期。缺点是过断层时由于断层交接面处顶板岩石破碎,很容易造成工作面冒顶,而且爆破时很容易损坏采煤机、运输机等机电设备。

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长度。另外,可以制定相关措施加强对机电设备的保护。综合分析,决定采用直接通过的方法过SF431断层。

3.2 支架撤除工艺

4301综放工作面推进至810 m时,辅顺机尾揭露SF431断层,137#-97#架全岩放松动炮通过。SF431断层随工作面推进逐渐向胶带顺槽机头方向延伸,当工作面推进至830 m时，工作面煤壁距胶顺二段35.9 m。当工作面推进至880 m时,为躲避SF431断层且自胶带顺槽向辅助顺槽84 m为无煤区,需撤除53组中间架、3组端头架和前部运输机中间槽、后部运输机中间槽各56节。在10 m落差断层附近工作面缩面施工顺序如下:

拆开前部运输机刮板链→撤除前部运输机多余刮板链及溜槽→撤除55#、56#中间液压支架→拆开后部运输机刮板链→撤除后部运输机多余刮板链及溜槽→前、后部运输机偏线槽、抬高槽、过渡槽和机头部东移后进行合茬→迁移转载机和超前掩护支架至胶顺→撤除1#-54#液压支架→撤除和回收工作面缩面所使用的绞车、临时泵站和其它设备→延长2#胶带输送机至胶顺尾转载机头处→拖运并连接前后部运输机机头部、转载机、破碎机和采煤机动力电缆→工作面试运转。

工作面缩面工作量如表2所示。

表2 工作面缩面工作量Table 2 Shrinking workload of working face

4 工业性试验

2017年6月10日至6月27日共17 d的现场工业性试验,4301综放工作面在10 m落差断层附近实现安全快速缩面撤架,克服了不规则工作面开采中地质及生产技术条件复杂多变的不利影响。

工作面过10 m落差断层带来的经济效益。工作面直接通过断层开采与重新开切眼开采相比较:

1)少掘一条通道,节省通道掘进费:120 m×0.6万元/m=72万元。

2)节省了断层保护煤柱,按断层上下盘各留15 m煤柱计算，可得煤炭资源108 000 t,直接通过断层按30%回收率计算，可多回收煤炭资源54 000 t。按原煤价格500元/t计算,创收162万元。

同时,17 d内安全高效地完成了4301综放工作面的缩面工作,比要求提前了3 d,按每天生产原煤7 000 t计算,当月提高21 000 t原煤产量,按原煤价格500元/t计算,共创收105万元。

5 结论

1)断层影响垂直应力峰值、分布形式和分布范围,应力峰值增大并向煤壁转移。当工作面距离SF431断层10 m时,应力峰值上升到29.18 MPa,应力集中系数达到2.28,应力峰值位置距煤壁4.0 m。

2)工作面通过断层时,围岩破坏严重,断层上、下盘之间由“黏接”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)当工作面推过断层面,完全进入断层上盘时,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,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,将导致顶板压力变大,顶板出现强烈来压。

4)综合分析,决定采用“割顶留底”的方法通过工作面断层区域。工作面推进至880 m时,为躲避SF431断层且自胶带顺槽向辅助顺槽84 m为无煤区,需撤除53组中间架、3组端头架、前部运输机中间槽和后部运输机中间槽各56节。