大采高工作面过断层破碎带围岩控制技术研究

李 磊

（山西西山煤电股份有限公司马兰矿，山西 古交 030205）

随着矿井开回采中揭露断层的数量多、落差大，回采后煤层顶底板及两巷围岩破碎，造成工作面支护困难[1-3]。尤其是大采高工作面推采至断层区域时，超前支承压力峰值及影响区域更大，煤层顶板破碎更为严重，进一步加剧了工作面的支护难度。马兰矿18506工作面断层发育明显且落差较大，造成回采后围岩破碎，单一的支护措施难以保证围岩的稳定性，影响了工作面的回采速率。本文通过分析断层对工作面回采影响范围，采取合理的支架类型及移架方式等措施，减小顶板的破碎程度，保证工作面的安全回采[4-6]。

1 概况

马兰矿18506工作面位于南五采区左翼，西北侧18504工作面已回采完毕，东北侧间距92.5m为南八南九胶带机运输大巷。地面标高+1238～1359m，工作面标高 +831.7～890.1m，走向长1302m，倾斜长251m。工作面主采8号煤层，平均厚度4.43m，平均倾角4°。直接顶为厚2.32m的L1泥灰岩，基本顶为厚2.33m的粉砂岩；直接底为厚0.97m的L1粉砂质泥岩，基本底为厚3.60m的粉砂岩。工作面共发育31条断层，其中落差0.6～3.4m（F18506-1）、1.3～2.8m（F18506-2）、1.5～3.0m（F18506-4）断层对回采影响极大。

2 工作面过断层数值模拟

2.1 模拟方案

采用UDEC数值模拟软件模拟工作面过断层应力变化规律，选择最合理的过断层方案。根据18506工作面建立250m×90m模型，分别分析工作面揭露断层前后60m、45m、30m和15m处围岩应力变化规律，巷道揭露断层时围岩变形量。

2.2 模拟结果分析

（1）揭露断层前

采用UDEC模拟得到工作面揭露断层前60m、45m、30m和15m处应力变化规律，如表1所示。

表1 工作面揭露断层前不同距离支承压力

由表1可知，工作面至揭露断层位置越近时，应力集中系数和垂直应力峰值不断增大，而应力峰值距煤壁位置不断减小。根据模拟数据可知，断层导致工作面围岩的应力值急剧增加，同时，影响工作面支承压力的范围和变化规律。断层附近应力呈现“几”字型分布，工作面回采至该区域时易形成高集中应力，若不采取合理的过断层措施和合理的支护技术，可能会造成安全事故。

（2）揭露断层

工作面回采至断层区域时，受高集中应力的影响，工作面围岩变形量大。当工作面回采至断层前9m时，工作面围岩开始出现较大范围的变形破坏，工作面回采至断层上盘后，煤层底板出现较大的变形破坏，有些区域出现底鼓。工作面继续向前回采至断层上下盘交界位置时，由于断层上下盘不连续，工作面在该区域处围岩破碎，塑性区范围大，变形量达到最大值。此时，煤层顶板塑性区范围增大，应当加强顶板支护强度，避免出现冒顶事故。工作面掘进至断层前9m和上下盘交接处，如图1所示。

图1 工作面揭露断层覆岩运动特征

（3）揭露断层后

工作面揭露断层后，继续向前推进，此时，切眼与断层间距逐渐增大。采用UDEC模拟得到工作面揭露断层后15m、30m、45m和60m处应力变化规律，如表2所示。

由表2可知，工作面掘进过断层后，由于断层与煤壁间为非连续接触，导致上覆岩层作用在巷道顶板位置发生前移。切眼继续向前推进，应力集中系数、垂直应力呈现先增加后减小的趋势，在45m达到垂直应力峰值。主要原因是工作面顶板在垂直应力的作用下发生回转失稳，形成顶板的周期来压。揭露断层45m后，断层不再对工作面回采产生影响。

表2 工作面揭露断层后不同距离支承压力

3 断层破碎带控制技术

3.1 锚网索支护

18506工作面回采至断层区域时，由于顶板为复合结构，还受风化作用，因此需要采用锚网索支护，提高支护所形成承载结构的稳定性。每排布置2根锚索，顶板每排打5根锚杆，侧帮每排打3根锚杆，采空区侧帮每排打4根锚杆。锚杆、锚索参数如表3所示，支护示意图如图2所示。

表3 锚杆、锚索支护参数

金属网全断面挂网，网间搭接100mm，用14#铁丝联网，间距为每隔一孔联一扣。

图2 18506锚网索支护示意图

3.2 单体液压支柱挑棚

18506工作面回采至断层区域时采用单体液压支柱挑棚的支护形式保证煤层顶板的稳定性。工作面采用DW40-250/110X单体液压支柱和11#矿用工字钢联合组成，其中工字钢的长度为4m，单体液压支柱之间的间距为1m。采用一梁四柱的布置形式，共布置4排单体液压支柱挑棚进行切眼支护，前后分别各布置两排。其中，第一排距工作面采空区侧帮处1m，第二排、第三排分别距离第一排2.5m、4m，第四排距离第一排6.5m，同时距离工作面非采空区侧帮1m。

4 支护效果检验

18506工作面采用锚索和单体液压支柱挑棚联合支护后，提高了煤层顶底板承载能力。通过监测断层区域切眼顶底板移近量及采空区侧巷帮位移量检验支护效果，监测结果如图3所示。

图3 18506工作面切眼位移量

由图3可知，顶底板移近量和采空区侧帮位移量都随着时间逐渐增大，在60d时，18506工作面切眼顶底板移近量为145mm，采空区侧帮位移量为85mm。工作面在过断层时，顶底板移近量分别为82mm、84mm，采空区侧帮位移量分别为45mm、40mm。由此可知，18506工作面过断层时，顶底板移近量及采空区侧帮位移量没有出现明显的增大。由此可知，联合支护取得了良好的效果，有效地减小了煤层顶底板的破坏程度。

5 结论

（1）以18506工作面为研究对象，采用UDEC分别模拟工作面揭露断层前后60m、45m、30m和15m处围岩应力变化规律，揭露断层时覆岩运移规律。根据模拟结果可知，断层导致工作面支承压力峰值、影响范围、集中系数急剧增加，呈现“几”字型分布。工作面回采至上下盘交界处煤壁及顶底板变形量最大。

（2）在断层影响区域采用锚网索、单体液压支柱挑棚联合支护，通过增加锚索数量提高支护强度，采用一梁四柱共布置4排单体液压支柱挑棚提高顶板承载能力。通过在切眼设置监测点监测围岩变形量，根据监测结果可知，工作面过断层时围岩没有出现明显增大，支护取得了良好的效果。