闫增浩

(大同煤矿集团 北辛窑煤业有限公司，山西 宁武 036700)

1 工程概况

大同煤矿集团北辛窑煤矿8103工作面位于一采区，开采2号煤层，煤层厚度4.3～7.0 m，平均5.6 m，视密度为1.48 t/m3，煤层倾角19～25°，平均22°。2103巷(胶带巷)走向长度2 063.2 m，5103巷(回风巷)走向长度1 865 m；工作面切眼长181.2 m。8103工作面为首采面，工作面总体呈南西高北东低，回采巷道掘进过程中共揭露8条断层(表1)，揭露断层位置基本全部位于停采线以外(除F7-13外)，对工作面回采影响较小。但F7-13正断层对工作面回采造成的影响较大，该断层落差大，并且贯穿整个工作面(如图1)，断层两侧煤岩层垂直与斜向裂隙发育，岩石破碎，煤层容易垮落。为保证回采工作顺利进行，在回采过程中需制定相应的过断层措施。

表1 8103工作面揭露断层特征

2 断层对工作面回采影响的数值模拟分析

8103工作面为一采区首采工作面，F7-13为该工作面落差最大的正断层，并且贯穿整个工作面，断层对于工作面回采的影响情况未知，为分析该断层附近的构造应力场分布情况，采用FLAC3D数值模拟软件[1]，通过其null空单元命令对8103工作面的回采进行模拟。模型尺寸为：长×宽×高=300 m×280 m×390 m，开挖范围长×宽=200 m×190 m，开挖高度为煤层厚度5.6 m。断层为正断层，落差9 m，破碎带厚度为5 m，断层倾角为72°。模型材料采用摩尔-库伦屈服准则。通过只施加应力边界条件进行模拟，自重应力根据8103工作上覆地层情况，采用弹性模型进行地应力场的初始化，然后位移归零。数值模型如图2所示。

图1 F7-13断层位置详情

图2 数值模拟模型

模拟计算步骤为：首先进行本构模型的初始求解，平衡后清零得到初始应力场，然后进行摩尔-库伦模型弹塑性求解，开挖范围为模型中部，为避免工作面开挖后顶板垮落计算无法平衡，在两侧分别留设50 m的煤柱，开挖工作面长度为200 m，共分四步进行开挖，首次开挖从断层上盘向下盘工作面推进至距离断层30 m，之后三步开挖后与断层距离分别为10 m、0 m、-20 m，由于篇幅所限，仅将模拟的最大主应力分布列出，如图3所示。

图3 工作面回采时断层附近最大主应力分布云图

由图3可以看出，工作面推进过程中，在工作面前方的煤岩体内会出现一定范围的应力集中区域，即工作面超前支撑压力影响区。工作面与断层之间有30 m的煤柱时，前方煤岩体内应力集中的最大值为-24.02 MPa(负值代表压应力)，断层端部最大应力为-28.89 MPa，工作面前方的超前支撑压力区域没有与断层贯通；当工作面与断层之间煤柱宽度为10 m时，超前支承压力最大值为-25.56 MPa，断层附近应力最大值为-30.58 MPa，此时工作面前方应力集中区和断层端部的应力集中区仍未贯通，之间存在2～3 m的原始应力带，但是考虑到模拟结果与实际情况的误差，工作面在此位置并不能排除突出的可能；当工作面推进至断层位置时，工作面超前支撑压力最大值为-27.87 MPa，断层尖角处应力值为-31.24 MPa，由于工作面回采的影响导致工作面前方断层尖灭处煤岩体活化，超前支承压力影响区域与断层尖灭处的应力集中区贯通，并且断层上下盘之间存在5 m的破碎带，此时很有可能出现煤岩涌入工作面的现象，导致事故的发生。综上可知，8103工作面推进至距F7-13正断层10 m范围内，需要采取适当的措施，避免煤岩体涌入工作面。

3 8103综放工作面过断层方案

3.1 工作面伪斜调整

根据以往的研究结果得知，回采工作面过断层时，工作面的伪斜角度与断层面的倾角相差越小采煤机的割矸量越少[2]，因此为了缩短断层在工作面推进时的暴露长度，将工作面的伪斜角调整约为18°，使断层面与工作面的交角约为45°。

3.2 强行割矸

8103工作面直接顶为砂质泥岩，厚度为3.2～4.5 m，直接底为砂岩，厚度4.3～5.8 m。断层断距为8.9 m，工作面前方对应区域上盘为泥岩，下盘为砂岩，总体来说，上盘岩层比下盘岩层松软破碎，因此在工作面过断层时尽量挑顶起底，切割质地较软的泥岩。断层上盘的破顶要适当提前，每刀破顶高度为90 mm，经35个循环综放面从上盘煤层推进到下盘煤层。在断层两盘之间的破碎区域，当割煤机破煤后应当尽快用木板梁进行刹顶[3]，提高支架的接顶程度，工作面推进至断层面时将采高调整为2.4 m。

3.3 放震动炮

工作面推进时遇到局部区域矸石硬度较大，采煤机难以破碎时采用放炮威震的措施。炮眼深度为1.5 m，炮眼的布置方式根据岩体的厚度进行调整，坚硬岩层揭露厚度为0.4～1.0 m时，布置一排孔间距为1m的单排眼；坚硬岩层揭露厚度为1.0～1.5 m时，炮眼采用三花布置，孔间距为1 m；坚硬岩层揭露厚度为1.5～4 m时，炮眼采用五花布置，顶底孔间距为1 m，炮孔水平倾角为70～80°，竖直方向上顶角炮眼向上倾约10°、底角炮眼下倾约为15°，中间的炮眼垂直钻进。每个炮眼装药量不大于两个药卷。

3.4 注浆加固技术

对断层破碎带采用瑞米注浆材料进行加固，该材料具有膨胀速度快、膨胀性强等特点[4]，注浆设备采用多功能注浆泵、注浆管、混合射枪等，树脂材料和催化剂体积比1：1，注浆最大压力为8～10 MPa。浅孔注浆孔深度为5.0～6.5 m，注浆孔位于支架顶梁下0.3～0.5 m，与水平方向夹角为5～15°，单孔注浆量控制在1.5 t以内。深孔注浆孔在断层20 m影响范围内，在工作面向煤岩体中注浆，注浆孔深度为30 m，孔间距为5 m，单孔注浆量小于1.5 t。

4 工作面回采巷道现场监测

断层影响范围内的回采巷道在工作面超前支撑压力的作用下将发生较大的变形，通过对回采巷道围岩位移的监测，据此判断工作面过断层开采的安全性。在距离8103工作面揭露断层位置10 m、15 m、20 m的回风巷分别设置测点1、2、3，观察巷道顶底板移进量和两帮移进量，监测结果如图4所示。

由监测结果可知，8103综放工作面超前支撑压力影响范围为0～32 m，影响最为显著的区域为7.8～18.9 m，随着工作面的推进，3个测点位置围岩位移规律基本一致，顶底板最大移进量为263.9 mm，两帮最大移进量为153.6 mm。由此可知，F7-13断层对工作面回采的影响很小，在断层附近区域采取的安全措施能够保证工作面顺利通过。

图4 回风巷围岩位移情况

5 结 语

运用FLAC3D数值模拟软件，结合北辛窑煤矿8103工作面具体的地质条件，研究分析了F7-13断层对工作面回采的影响，得出在工作面与断层间煤柱宽度为10 m时，存在煤岩体涌入回采工作面的危险。在8103工作面通过F7-13断层期间采取工作面伪斜调整、放震动炮和注浆加固等措施，使工作面安全通过了断层。