深部复合顶板大采高工作面过断层技术研究

袁伟茗，毛德兵

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

开采技术与装备

深部复合顶板大采高工作面过断层技术研究

袁伟茗1,2，毛德兵1,2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

对深部复合顶板大采高工作面顶板及煤壁失稳特征进行分析，提出关键问题是复合顶板和煤壁的稳定性控制问题。对“破顶”和 “破底”2种方法进行了数值模拟分析，得出2种方法需要重点防护的区域和适用条件，并结合具体案例进行了验证。研究结果表明：“破顶”法重点防治区域为断层的上盘距离断层9～25m的位置，高度为煤层上方8.5m以下区域，适用于基本稳定的顶板。“破底”法重点防治区域为断层下盘距底板上方2.5m区域以及煤层和直接顶交界处，深度为8m左右，适用于基本稳定顶板及以上的顶板。

复合顶板；大采高；过断层技术；煤壁

随着我国浅部资源的逐渐枯竭，煤矿逐渐转入深部开采。但是随着采深和采高的增加，地质构造的数量和影响程度也随之增加。断层是矿井中最常见的地质构造之一[1-2]。断层带内主要是由破碎的岩石组成，其工程地质特征较完整岩石有较大的差异，表现为胶结差，黏聚力低，受采动影响明显等特点[3]。对于工作面过断层技术，许多学者和现场的工程技术人员进行了研究。目前主要有调整采高法、割底挑顶法、跳采法、综合法[4-5]等。复合顶板大采高综采工作面由于采高大，且具有软弱夹层的复合顶板较破碎，在采动影响下，断层异常区的冒顶引起煤壁失稳，煤壁失稳反作用于复合顶板，这种恶性循环使得工作面破坏区域不断向上部和向工作面深部传递，最后导致工作面瘫痪。因此有必要对深部复合顶板大采高工作面的过断层技术进行进一步研究。

1 顶板及煤壁失稳特征分析

大采高工作面的煤体硬度一般为中硬及以上。硬煤的泊松比较小、弹性模量较大，在外部载荷的作用下容易产生拉应力集中，未受采动影响时处于单向受拉状态。由于断层附近含有软弱夹层的复合顶板与煤层之间存在剪切错动，所以煤体的最终破坏形式为拉剪式破坏[6]。

断层附近煤壁破坏引起大范围的空顶，顶板失去煤体支撑，复合顶板受断层切割本身已经破碎加之采动高应力集中，工作面前方煤层卸压后产生大面积破碎，支架漏顶严重，工作面难以推进。随着冒顶区域的不断扩大又引起新一轮的煤壁失稳，如此反复，最终工作面停产。因此，复合顶板大采高工作面过断层技术需要解决的关键问题是复合顶板和煤壁的稳定性控制问题。

断层处片帮冒顶情况，如图1所示。

图1 断层处片帮冒顶素描

2 顶板及煤壁失稳机理分析

围绕深部复合顶板大采高工作面顶板和煤壁稳定性控制问题，对断层区域不同层位应力演化分布规律和顶板及煤壁重点防护区域进行研究。

2.1 计算模型

建立深部复合顶板的FLAC3D地质模型，模型尺寸为400m(长)×3m(宽)×130m(高)。模型共划分19800个单元，共27296个节点。

模型计算边界条件为模型x，y方向限制水平移动，z方向下表面限制垂直移动，z方向上表面为自由面，在上表面施加顶板等效力来模拟上覆岩层的重量。模拟的开采深度为610m，施加的垂直应力为15.25MPa，水平应力取值为垂直应力的0.9倍[7]。

断层面模拟采用FLAC3D中的interface命令实现，实质是在断层上下盘之间加了接触面，接触面的主要参数为法向刚度2GN/m，切向刚度2GN/m，摩擦角10°，黏聚力0.01MPa，断层倾角60°，断层落差5.5m。

模型以摩尔-库伦准则为屈服判据，并采用应变软化模型来模拟煤岩体峰后软化的特性。模型中各岩层的参数根据地质报告和煤岩体力学实验确定(表1)，考虑到尺寸效应，对参数进一步弱化，弱化因子遵循一致性的原则，取值为0.1。

表1 各岩层力学参数

2.2 模拟方案

结合以往的生产实践以及对比分析，初步确定2种方案(图2)。

α-断层倾角；β1-挑顶角度；b-下盘煤层厚度；β2-破底角度；L1-顶板挑顶距离；L2-底板起坡距离图2 方案示意

方案1 破顶板：逐步降低采高，至推进至断层线时，工作面顶板与下盘顶板对准，逐步割底煤提高采高至正常回采。爬坡过程中大部分割顶板。

方案2 破底板：利用顶板条件好的特点，不降低采高，推进至邻近断层区域时起坡，逐步降低采高，爬坡过程中也是大部分割煤层底板，避免碰到工作面坚硬顶板，在工作面推过后，逐步恢复正常开采。

2.3 模拟结果分析

2.3.1 垂直应力

由工作面推进过程垂直应力演化可知，工作面推进至距离断层60m处，断层下盘应力重新分布，采动应力影响传递至断层下盘。随着工作面继续推进，工作面前方支撑压力不断增大，当工作面推进至距离断层10m处，断层影响区域最大，距离工作面远处的断层尖端最易发生断层活化。

当工作面推进至断层处，若采用方案1的方式过断层，垂直应力主要集中在断层上盘位置，对断层下盘区域影响较小。挑顶区域的顶板垂直应力集中，集中区域主要位于距离断层12～20m的位置，垂直应力达到40MPa以上，而且层位越靠近工作面的顶板应力越大(图3)。

图3 方案1断层处垂直应力分布

若采用方案2过断层，垂直应力主要集中在断层下盘煤层区域。距离工作面越近的煤层应力下降越大，最大降幅10MPa以上，下盘距离底板2.5m以下的煤层应力低于原岩应力值，煤壁由高应力状态卸载至低于原岩应力状态，煤体破坏严重，破坏区域为工作面上方3m左右，深度为工作面前方8m左右(图4)。

图4 方案2上盘顶板垂直应力分布

2.3.2 最大剪应力

最大剪应力τmax=(σ1-σ3)/2，反映了煤体失稳的难易程度，其中σ1和σ3分别为最大和最小主应力。最大剪应力越大，煤岩体越接近失稳状态，这就是最大剪应力破坏准则。此准则不仅可以解释塑性材料的流动破坏准则，还可以解释脆性材料的剪切破坏。断层区域围岩破碎，容易产生剪切破坏，符合最大剪应力破坏准则。

若采用方案1过断层，最大剪应力主要集中在断层上盘的挑顶区域，对断层下盘的影响较小。最大剪应力主要集中在上盘距离断层9～25m的位置，煤层上方8.5m处的顶板应力最大，见图5。

若采用方案2过断层，最大剪应力主要集中在下盘区域。下盘的煤层和直接顶处于高应力区。当工作面推进至断层处，在工作面前方0～8m，底板上方4.5～6.5m的范围内应力集中，也就是断层下盘直接顶和煤层的交界区域煤体处于高应力区，如图6所示。

3 顶板及煤壁的稳定性控制技术

采用挑顶法(方案1)，垂直应力和最大剪应力都集中于断层的上盘，对下盘影响较小。在挑顶过程中，应力集中程度大，需要对顶板加强支护。其中在挑顶开始时至挑顶到距离断层9m处期间，需要观察顶板破碎程度以及顶板压力情况，对于破碎严重及压力较大的区域可以提前注浆加固以及补打锚索，锚索长度高于煤层上方8.5m层位。也可以采用预掘巷的方法，在上盘距离断层9m的范围的低应力区内预先掘出一条巷道，对挑顶区域和断层破碎区域实施补强支护，也可以进一步了解断层的产状和距离工作面的位置。再配合提高支架的初撑力、加快工作面推进速度、降低采高等常规技术措施，实现断层的安全快速过渡。

图5 方案1断层处最大剪应力分布

破顶法对于顶板的要求比较高，顶板强度过大，采煤机割不动，采用爆破进度慢且危险性较大，顶板太软冒顶片帮又无法控制，所以此种方法适用于直接顶为基本稳定的顶板。

图6 方案2断层处上盘最大剪应力分布

采用破底法(方案2)，垂直应力和最大剪应力都集中于断层下盘的煤层和直接顶区域。在推进至断层位置时，下盘煤体和直接顶垂直应力产生较大程度卸载，且最大剪应力集中，工作面顶板和前方煤壁容易冒顶片帮。其中下盘煤层距底板2.5m以下及4.5～6.5m处，深度8m左右范围需要加强支护。对于破碎严重区域，特别是冒顶片帮恶化区域，可以采用“面中面”的方式清理出高2m左右，深度2m左右的“小面”，“小面”采用锚索、锚杆、钢带、金属网及单体柱进行传统的支护，“小面”作用是冒顶片帮区域支架的接顶处理和前方破碎区域的补强支护。

破底对于煤层要求较高，煤层为中硬煤及以上，顶板为基本稳定顶板及以上均可满足要求。

4 案例验证

西山煤电杜儿坪矿68302工作面直接顶为石灰岩，顶板基本稳定。根据现场情况，事先掘送探巷，对断层区域加强支护。采用破顶法实现了落差3m的正断层的安全快速过渡[8]，这说明破顶法适用于此种类型矿井。

国投新集刘庄煤矿171301工作面由于顶板为较坚硬的砂岩，采煤机割不动，采用卧底的方法，在断层下盘及时调整坡度留顶煤破煤层底板，实现4～6m正断层的快速平稳过渡[9]，这说明破底法适用此种类型的矿井。

淮南谢桥矿1242(3)工作面顶板有软弱夹层，煤体较破碎，推进至断层处冒顶片帮区域的半径达3m左右，工作面停产。现场采用“面中面”方式在冒落区域前方人工开挖小面，清理破碎煤岩，利用金属网，锚杆和钢带对小面及时支护，并且对“小面”煤壁前方用化学浆液进行注浆加固。断层区域顶板和煤壁得到有效控制，大采高工作面顺利通过高差5.5m的正断层。

因此不管是破顶还是破底，都需要结合现场的具体情况进行论证后选择适合的方案，再通过对重点区域加强支护结合传统过断层措施，能够实现复合顶板大采高工作面安全高效度过断层。

5 结 论

(1)采用破顶法，垂直应力和最大剪应力主要在断层上盘集中，重点防治区域为断层上盘距离断层9～25m的位置，高度为煤层上方8.5m以下区域；采用破底法，垂直应力和最大剪应力主要在断层下盘煤层和直接顶区域，重点防治区域为断层下盘距底板2.5m以下煤层(垂直应力卸压破坏)以及煤层和直接顶交界处(最大剪应力剪切破坏)，深度为8m左右。

(2)对于重点防治区域，破顶法可以采用预掘巷法进行加强支护；破底法可以采用“面中面”的方式加强支护。

(3)破顶法适用于直接顶为基本稳定的顶板；破底法适用于中硬及以上煤层且基本稳定顶板及以上顶板。

[1]吴基文，童宏树，童世杰，等.断层带岩体采动效应的相似材料模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26 (S2)：4171-4175.

[2]吴基文.煤层底板采动效应与阻水性能的岩体结构控制作用研究[D].徐州：中国矿业大学，2002.

[3]吴基文，蔡东红，张文永，等.断层带岩体工程地质特征与断层防水煤 (岩) 柱留设[M].北京：中国科学技术出版社，2009.

[4]杨文斌.大采高工作面过断层技术 [J].煤炭工程，2010，42(8)：53-55.

[5]刘志刚，张华清.综采工作面过断层技术与实践[J].煤矿开采，2010，15(5)：30-31.

[6]王家臣.硬煤工作面煤壁破坏与防治机理[J].煤炭学报，2015，40(10)：2243-2250.

[7]刘泉声.淮南矿区深部地应力场特征研究[J].岩土力学，2012，33(7)：2089-2096.

[8]周祖舜，王 涛.综采工作面过大断层实践探讨[J].中国煤炭，2011，37(5)：61-63.

[9]华心祝，李志华，杨 科，等.超长大采高综采面安全推过大断层合理方法研究[J].煤矿开采，2013，18(2)：18-31.

[责任编辑：于健浩]

Over Fault Technique of High Mining Height Working Face with Composite Roof in Deep

YUAN Wei-ming1,2，MAO De-bing1,2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

The instability characters of roof and coal wall of high mining height working face with composite roof in deep were analyzed，the key problems that stability control problem of composite roof and coal wall were put forward.Then two method of ‘ roof broken’ and ‘floor broken’ were analyzed by numerical simulation，the main protective zone and adaption situation of two method were obtained，and then verified by practical.The studying results showed that the important prevention and cure zone of ‘ roof broken’ way was the position 9～25m in upper section that to fault，the height was the below zone of the height 8.5m of coal seam upper，and it is appropriate for essential stability roof.The important prevention and cure zone of ‘ floor broken’ way was the position that bottom section of fault to upper of floor about 2.5m，and intersection position between coal seam and immediate roof，the depth about 8m，and it is appropriate for essential stability roof and above.

composite roof；high mining height；over fault technique；coal wall

2016-06-12

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.006

国家自然科学基金项目(51304115，51474128)；天地科技股份有限公司基金项目(KJ-2015-TDKC-02)

袁伟茗(1991-)，男，江苏南通人，硕士研究生，主要从事矿山压力岩层控制方面的研究。

袁伟茗，毛德兵.深部复合顶板大采高工作面过断层技术研究[J].煤矿开采，2017，22(1)：22-26.

TD823.2

A

1006-6225(2017)01-0022-05