張洪鋒,鄧海富

(1.大同煤礦集團 安全管理監(jiān)察局,山西 大同 037000;2.山西煤炭進出口集團 河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司,山西 河曲 036500)

斷層構造嚴重影響巷道、工作面乃至整個礦井生產系統(tǒng)布置[1],回采過程中常需要延長或縮短工作面以適應地質條件變化,使得回采中出現(xiàn)不規(guī)則工作面。斷層作為巖體介質中的弱面,回采中可能出現(xiàn)冒頂、突水和沖擊地壓等事故[2],在大落差斷層附近實現(xiàn)工作面支架的安全撤除與安全通過,對工作面安全高效開采具有重要意義。

有關學者對斷層特征、回采影響進行大量研究,但對大落差斷層條件下不規(guī)則工作面的高效開采研究較少[3]。本文采用現(xiàn)場調研、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場工業(yè)實驗相結合的方法,分析了某煤礦4301綜放工作面10 m落差斷層附近工作面頂?shù)装寤顒右?guī)律,提出了在工作面縮面過程中的支架撤除工藝及頂板控制技術,為類似條件工作面安全高效回采提供借鑒。

1 生產地質條件

某礦4301綜放工作面為不規(guī)則的邊角煤工作面,主采煤層厚度1.1 m ～6.5 m,平均厚度4.07 m,煤層上方為平均厚度14.68 m的細砂巖及中砂巖,采用走向長壁綜采放頂煤開采,推進長度為1 294.1 m。4301綜放工作面掘進期間在回采范圍內共揭露21條正斷層,最大落差10 m,其中貫穿工作面的三條斷層分別為SF429、SF431、SF440,發(fā)育在該工作面的中部,落差分別為3.5 m、10.0 m、2.9 m,對回采影響較大。

工作面分為兩個塊段回采,第一塊段推進長度為880 m,凈面長203.70 m;第二塊段推進長度為414.1 m,凈面長120 m。

2 大落差斷層區(qū)頂板活動規(guī)律

2.1 模型建立及方案

采用UDEC4.0軟件對正斷層情況下,工作面從斷層上盤向斷層推進過程中采場圍巖應力場分布、塑性破壞及位移變化規(guī)律進行研究。

根據(jù)該礦4301綜放工作面生產地質條件,建立數(shù)值計算模型,見圖1。模型長200 m,高90 m,模擬的斷層角度70°,斷層落差10 m。分析工作面從斷層上盤向斷層推進時,距SF431斷層40 m、30 m、20 m和10 m時采場應力變化規(guī)律;通過斷層時,工作面塑性區(qū)及位移場分布規(guī)律;通過斷層后,距SF431斷層10 m、20 m、30 m和40 m時采場應力變化規(guī)律。

圖1 工作面過斷層區(qū)數(shù)值計算模型Fig.1 Numerical simulation of the working face crossing the fault

2.2 數(shù)值計算結果

2.2.1 斷層對工作面支承壓力分布特征的影響

工作面向SF431斷層推進時工作面煤體超前支承壓力峰值分布情況如表1所示,工作面向SF431斷層推進時的應力場分布見圖2。

由表1和圖2可以看出,當工作面離SF431斷層40 m時,超前支承壓力最大值為23.04 MPa,距離工作面煤壁9.5 m,應力集中系數(shù)為1.75。隨著工作面向SF431斷層進一步推進,應力峰值逐步升高,斷層對工作面超前支承壓力的影響逐步增加,當工作面距離SF431斷層20 m時,應力峰值上升到27.22 MPa,應力集中系數(shù)達到2.06,應力峰值位置距煤壁6.5 m。當工作面距離SF431斷層10 m時,應力集應力峰值上升到29.18 MPa,應力集中系數(shù)達到2.28,應力峰值位置距煤壁4.0 m。

表1 工作面煤體超前支承壓力峰值分布Table 1 Peak distribution of advance abutment pressure

圖2 工作面向SF431斷層推進時的應力場分布(距斷層10 m)Fig.2 Stress field distribution when the working face advancing toward the SF431 fault (10 m from the fault)

可見斷層不僅影響垂直應力峰值,還影響支承壓力的分布形式和分布范圍,應力峰值隨工作面距斷層距離的變小而增大并向煤壁轉移,最小距離煤壁4.0 m,這使得斷層區(qū)域煤壁片幫和發(fā)生沖擊地壓的可能性增大。因此,在工作面過斷層中要采取相應的措施加以預防。

當工作面推過斷層面完全進入斷層上盤后,由于斷層面進一步拉裂和滑動,不能完全把覆巖重量轉移到回采工作面前面,使煤壁垂直應力減小,但之后不久,工作面面臨著頂板大范圍巖層懸臂回轉變形破斷的影響,將導致垂直應力變大,頂板出現(xiàn)強烈來壓。

2.2.2 工作面過斷層期間采場圍巖塑性區(qū)及位移場分布

當工作面以15°仰角從斷層上盤過渡到下盤,通過斷層時(見圖3),圍巖破壞嚴重,斷層上、下盤之間由“黏接”狀態(tài)轉化為“斷開”狀態(tài),斷層上盤沿斷層面拉伸下沉,兩盤出現(xiàn)相對位移(見圖4),工作面前方塑性區(qū)擴展到斷層下盤煤層,此時需特別注意工作面頂板的維護。

圖3 工作面通過斷層時采場圍巖塑性區(qū)分布Fig.3 Plastic zone distribution of stope surrounding rock when working face crossing the fault

圖4 工作面過斷層時圍巖位移場分布Fig.4 Displacement distribution of surrounding rock when working face crossing the fault

3 斷層區(qū)不規(guī)則工作面支架撤除方案

分析10 m落差斷層區(qū)域特征,結合現(xiàn)場實際,分別制定工作面過斷層以及工作面支架撤除方案[4]。

SF431斷層特征:1)斷層在膠帶順槽揭露,落差10.0 m,屬于落差較大的斷層;2)斷層與工作面夾角70°,隨工作面向前推進逐漸向膠帶順槽延伸;3)斷層面平滑,無破碎帶;4)斷層影響貫通整個工作面。圖5為SF431斷層的剖面圖。

圖5 SF431斷層剖面圖Fig.5 Profile of the SF431 fault

3.1 工作面過斷層技術方案分析

過SF431斷層有兩種方案可供選擇:

1)進行系統(tǒng)改造,沿斷層走向重開新切眼。優(yōu)點是減少斷層對工作面的影響,保護綜采設備。缺點是影響工作面的接續(xù),需開一條切眼,搬家、撤面和重新安裝工作面成本較高;降低了資源回收率。

2)采用爆破法直接通過斷層。優(yōu)點是不僅能避免工作面搬家所帶來的工期延長和經濟損失,而且延長了工作面走向長度,提高了回采效率,減少了巷道掘進量,比第一種方案可縮短工期。缺點是過斷層時由于斷層交接面處頂板巖石破碎,很容易造成工作面冒頂,而且爆破時很容易損壞采煤機、運輸機等機電設備。

雖然SF431斷層與工作面夾角較大,但是煤層頂?shù)装宥酁橹屑毶皫r,巖性較好,便于頂板管理,工作面不需要另開切眼和縮短長度。另外,可以制定相關措施加強對機電設備的保護。綜合分析,決定采用直接通過的方法過SF431斷層。

3.2 支架撤除工藝

4301綜放工作面推進至810 m時,輔順機尾揭露SF431斷層,137#-97#架全巖放松動炮通過。SF431斷層隨工作面推進逐漸向膠帶順槽機頭方向延伸,當工作面推進至830 m時，工作面煤壁距膠順二段35.9 m。當工作面推進至880 m時,為躲避SF431斷層且自膠帶順槽向輔助順槽84 m為無煤區(qū),需撤除53組中間架、3組端頭架和前部運輸機中間槽、后部運輸機中間槽各56節(jié)。在10 m落差斷層附近工作面縮面施工順序如下:

拆開前部運輸機刮板鏈→撤除前部運輸機多余刮板鏈及溜槽→撤除55#、56#中間液壓支架→拆開后部運輸機刮板鏈→撤除后部運輸機多余刮板鏈及溜槽→前、后部運輸機偏線槽、抬高槽、過渡槽和機頭部東移后進行合茬→遷移轉載機和超前掩護支架至膠順→撤除1#-54#液壓支架→撤除和回收工作面縮面所使用的絞車、臨時泵站和其它設備→延長2#膠帶輸送機至膠順尾轉載機頭處→拖運并連接前后部運輸機機頭部、轉載機、破碎機和采煤機動力電纜→工作面試運轉。

工作面縮面工作量如表2所示。

表2 工作面縮面工作量Table 2 Shrinking workload of working face

4 工業(yè)性試驗

2017年6月10日至6月27日共17 d的現(xiàn)場工業(yè)性試驗,4301綜放工作面在10 m落差斷層附近實現(xiàn)安全快速縮面撤架,克服了不規(guī)則工作面開采中地質及生產技術條件復雜多變的不利影響。

工作面過10 m落差斷層帶來的經濟效益。工作面直接通過斷層開采與重新開切眼開采相比較:

1)少掘一條通道,節(jié)省通道掘進費:120 m×0.6萬元/m=72萬元。

2)節(jié)省了斷層保護煤柱,按斷層上下盤各留15 m煤柱計算，可得煤炭資源108 000 t,直接通過斷層按30%回收率計算，可多回收煤炭資源54 000 t。按原煤價格500元/t計算,創(chuàng)收162萬元。

同時,17 d內安全高效地完成了4301綜放工作面的縮面工作,比要求提前了3 d,按每天生產原煤7 000 t計算,當月提高21 000 t原煤產量,按原煤價格500元/t計算,共創(chuàng)收105萬元。

5 結論

1)斷層影響垂直應力峰值、分布形式和分布范圍,應力峰值增大并向煤壁轉移。當工作面距離SF431斷層10 m時,應力峰值上升到29.18 MPa,應力集中系數(shù)達到2.28,應力峰值位置距煤壁4.0 m。

2)工作面通過斷層時,圍巖破壞嚴重,斷層上、下盤之間由“黏接”狀態(tài)轉化為“斷開”狀態(tài),斷層下盤沿斷層面拉伸下沉,兩盤出現(xiàn)相對位移,工作面前方塑性區(qū)擴展到斷層下盤煤層,范圍為4.4 m,此時需特別注意工作面頂板的維護。

3)當工作面推過斷層面,完全進入斷層上盤時,由于斷層面進一步拉裂和滑動,不能完全把覆巖重量轉移到回采工作面前面,使煤壁前方及其頂板巖體中壓力減小,頂板冒落高度減小,但之后不久,工作面面臨著頂板大范圍巖層懸臂回轉變形破斷的影響,將導致頂板壓力變大,頂板出現(xiàn)強烈來壓。

4)綜合分析,決定采用“割頂留底”的方法通過工作面斷層區(qū)域。工作面推進至880 m時,為躲避SF431斷層且自膠帶順槽向輔助順槽84 m為無煤區(qū),需撤除53組中間架、3組端頭架、前部運輸機中間槽和后部運輸機中間槽各56節(jié)。