辛置煤矿2-208工作面断层破碎带区域围岩控制技术研究.pdf

292020 年第 4 期 辛置煤矿 2-208 工作面 断层破碎带区域围岩控制技术研究 伊军荣 （霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412） 摘 要 为保障 2-208 工作面安全通过断层破碎带，采用数值模拟的方式对工作面过断层破碎带区域时围岩的应力及塑 性区特征进行分析，确定过断层区域采用注浆加固 调整采煤工艺的方案，并对方案的各项参数进行设计。结果表明工 作面采用上述方案推进通过断层区域时，液压支架无超限及压架，基本无煤壁片帮和顶板冒顶的现象出现。 关键词 综采 断层 注浆 模拟 中图分类号 TD353 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.04.011 Study on the Control Technology of Surrounding Rock in the Fault Fracture Zone of 2-208 Working Face in Xinzhi Coal Mine Yi Jun-rong （Xinzhi Coal Mine, Huozhou Coal Power Group, Shanxi Huozhou 031412） Abstract In order to ensure the 2-208 working face to pass through the fault fracture zone safely, the stress and plastic zone characteristics of surrounding rock when the working face passes through the fault fracture zone are analyzed by numerical simulation, the scheme of grouting reinforcement adjustment of mining technology is determined, and the parameters of the scheme are designed. The results show that when the working face adopts the above scheme to push through the fault area, the hydraulic support has no over limit and press frame, and there is basically no phenomenon of coal wall and roof falling. Key words fully mechanized mining fault grouting simulation 收稿日期 2019-11-03 作者简介 伊军荣（1984-），男，山西运城人，2010 年毕业于 太原理工大学采矿工程专业，助理工程师。 1 工程概况 山西霍州煤电集团辛置煤矿 2-208 综采工作面 位于 2煤层二采区，所采 2煤层厚度 3.84.3m， 均厚 4.1m，平均倾角为 4。煤层稳定可采，含两 层夹矸，第二层夹矸层厚度稍大。煤层直接顶为泥 岩，均厚 3.0m，基本顶为 K8 中细砂岩，均厚 7.2m， 直接底为泥岩，均厚 4.5m，基本底为中砂岩，均厚 6.5m。 2-208 工作面北面紧邻二采区轨道巷、皮带巷， 南面距离二采区右翼皮带巷 110m，西面距离二采 区回风巷 25m，东面距离 2-202 工作面采空区最小 间距为 63m。根据相邻的 2-202 工作面回采期间构 造揭露情况分析，预计工作面范围内 NE-SW 走向 断层延伸距离较长，2-208 工作面范围内 F1162 断 层与 F1164 断层走向基本一致，预计为 1 条断层 延伸所致，横穿工作面，预计在工作面内延伸约 320m，对回采影响较大，所以需对工作面过断层区 域的围岩控制技术进行研究。 2 断层破碎带围岩变形分析 由于断层破碎带区域煤岩体的结构力学特征较 为复杂，为全面了解断层区域的变形破坏及动力失 稳机理，采用数值模拟的方式，具体研究工作面推 过断层破碎带区域的结构力学演化规律和围岩失稳 过程。采用 FLAC3D建立数值模拟模型长 宽 高 473m5m154.5m，根据 2-208 工作面的埋深， 在上覆岩层施加 3.5MPa 的垂直载荷，约束模型两 侧及底板的位移。 在数值模拟模型中断层破碎带区域布置 3 个测 点，分别为 A、B、C，三个测点分别位于断层区域 工作面上方 65m、8m 和工作面下方 8m。在工作面 推过断层区域时，通过监测该三点的位移及应力状 302020 年第 4 期 态进行覆岩运动规律的研究。具体测点布置方式如 图 1 所示。 图 1 数值模拟模型中测点布置示意图 （1）剪切应力分布 根据数值模拟结果，能够得出工作面推过断层 区域时剪切应力的分布情况，如图 2 所示。 （a） 回采上盘区域 （b） 回采下盘区域 图 2 工作面推过断层区域时剪切应力曲线图 分析图 2 可知，三个测点的剪切应力在距离工 作面断层 90m 后出现逐渐增大的现象，A、B、C 测点的剪切应力的峰值分别为 3.0MPa、2.04MPa 和 2.18MPa，B 测点的剪切峰值在工作面距断层中心 线 10m 处取得，C 测点的剪切峰值在工作面距离断 层 20m 的位置处取得。在工作面回采通过断层下盘 时，剪切应力的变化与工作面推进通过上盘时的变 化存在明显的差异性 [1-2]，A 测点在工作面距离断 层 70m 的位置处开始出现变化，剪切应力的峰值为 1.31MPa，B 测点剪切应力的峰值为 0.8MPa。测点 在距离断层中线 10030m 的区域，剪切应力均为正 值，当工作面进入断层时剪切应力出现先增大后迅 速减小的趋势，C 测点剪切应力变化不大，剪切应 力值在 -0.50.5MPa 的范围内，在工作面推到断层 中线时应力会逐渐释放为零。 （2）工作面推进不同长度时围岩塑性区 根据数值模拟结果，能够得出工作面在由上盘 推进至断层边缘、推进至断层内部、工作面推进出 断层、工作面推进出断层下盘塑性区的分布规律， 如图 3 所示。 图 3 工作面推进通过断层区域时塑性区发育图 分析图 3 可知，随着工作面回采作业的进行， 围岩塑性区的发育范围在逐渐增大，在工作面推进 到断层区域时，断层区域顶板塑性区的发育范围明 显大于非断层区域时顶板塑性区的发育范围，在工 作面回采通过下部断层区域时，整个工作面已经达 到充分采动的状态，此时工作面顶板塑性的发育呈 现出明显的马鞍形分布，顶板塑性区发育的最小高 度为 64m，最大高度为 89m。 3 围岩控制技术 3.1 方案设计 根据 2-208 工作面断层区域的具体特征，结合 数值模拟结果，确定工作面过断层区域时采用注浆 加固 采煤工艺参数调整相结合的方式，技术措施 如下 （1）注浆加固设计 当工作面推进到断层区域时，需提前对工作面 失稳的区域进行充填绞顶作业，绞顶采用的材料主 要为钢管和铁网。在进行绞顶作业时，设置假顶嵌 312020 年第 4 期 入到顶板坚硬的中细砂岩中 [3-4]，钢管嵌入的角度为 20，钢管间的中心距为 200mm，钢管的架设长度 为 21m。在断层的上盘空间区域，钢管绞顶延伸到 冒顶区域下方边缘水平距离 5m 的位置处。具体充 填空洞的方式如图 4 所示。 图 4 充填空洞区域绞顶示意图 本次注浆加固作业，在工作面区域设置注浆钻 孔的间排距均为 1m，注浆材料采用水泥水玻璃 双液浆，水泥浆的水灰比为 0.5，水玻璃采用模数 为 3.5，注浆的压力控制在 12MPa，钻孔直径为 42mm，长度为 4.0m，注浆钻孔封孔长度为 0.5m， 封孔材料采用简易的麻绳 锚固剂进行封孔作业。 具体注浆钻孔的布置方式如图 5 所示。 在工作面断层区域进行注浆作业时，单孔注浆 施工的具体步骤如下 ① 使 用 锚 杆 钻 机 在 设 计 位 置 打 设 Ф42mm5000mm 的注浆钻孔，钻孔与煤壁成 45打设； ② 钻孔打设完毕后， 将注浆花管安装在钻孔内， 采用麻绳或棉纱与锚固剂搅拌到一起对钻孔进行封 孔作业，设置封孔长度为 0.5m； ③ 待注浆钻孔孔口封孔强度达到要求时，安装 管路，将注浆枪与注浆花管连接到一起，即可进行 开泵注浆作业； ④ 单孔注浆量达到要求时，后续进行停泵、卸 压作业，随后拆除管路，安装到下一个注浆孔上， 依次进行下一钻孔注浆作业。 图 5 工作面断层区域注浆钻孔布置示意图 （2）采煤工艺调整 为保障工作面顺利推进断层区域，尽量在工作 面推进断层区域时减小回采对断层区域煤岩体的扰 动影响，针对采煤工艺方面做出的调整主要为降低 割煤速度、提高支架初撑力、工作面伪斜调整。 ① 2-208 工作面正常的割煤速度为 1215m/ min，现降低工作面回采推进通过断层区域的割煤 速度，设置割煤速度为 68m/min； ② 为有效降低煤壁局部的应力集中系数，有效 控制顶板区域的变形，工作面正常区域支架的初撑 力为 6412kN，现将工作面通过断层支架的初撑力 提升为 7800kN，另外在工作面回采期间，保障液 压支架的供液压力达到 35MPa； ③ 由于断层区域的围岩条件复杂多变，现为保 障工作面过断层区域煤壁的稳定，在断层区域设置 工作面伪顶的倾斜角度为 46，有效避免工作面 与断层的滑落面间平行揭露，防止大范围冒顶及片 帮的现象出现。 3.2 效果分析 2-208 工作面过断层破碎带区域，采用注浆加 固 调整采煤工艺的方法后，有效地提高了煤岩体 的自身强度，提高了其抵抗变形的能力。现场观测， 工作面液压支架的最大载荷为 35MPa，过断层期间， 没有出现支架超出最大载荷及支架压死现象，煤壁 无大范围的片帮现象，工作顶板岩层无冒顶现象出 现，保障工作面安全通过断层区域。 4 结论 根据 2-208 工作面的断层破碎带区域的地质条 件，采用数值模拟的方式对工作面推进通过断层区 域时围岩的应力及塑性区发育特征进行分析，基于 数值模拟结果和断层区域地质条件，确定采用注浆 加固 调整采煤工艺的方式通过断层区域。方案实 施后，工作面通过断层区域时无液压支架的超限及 压架现象，回采过程中基本无煤壁片帮及顶板冒顶 现象出现，保障了工作面顺利推进通过 F1162 断层 破碎带区域。 【参考文献】 ［1］ 孙洪超 . 采动断层活化应力演化与煤柱留设研究 [D]. 中国矿业大学，2019. ［2］ 胡国栋 . 断层附近巷道围岩稳定性影响及控制技 术研究 [D]. 中国矿业大学，2019. ［3］ 齐高臣，李鹏，王彦敏 . 综采工作面初采过断层 顶板控制技术[J].煤炭科学技术， 2014， 42 （S1） 47-49. ［4］ 冯德才，庄小伟.大倾角薄煤层综采工作面过断层破 碎带技术实践[J].科技创新导报，2013（32）77.