断层影响下大采高伪斜综采面初次来压规律研究

曲 滨

(汾西矿业集团水峪煤业，山西 孝义 032300)

引 言

采煤工作面向前推进过程中，老顶不断发生破断、失稳和来压现象，尤其是初次来压时强度往往最大，矿压显现最为剧烈。4101综采面为矿井首采面，且由于采高较大，煤层倾角较大，加之伪斜开采及断层影响，应力环境及矿压显现存在较大特殊性，导致现场生产中难以弄清其初次来压规律并采取及时有效的控顶措施，采场端面煤岩体的控制难度较大，支架-围岩关系恶化，易出现端面煤岩体冒顶片帮，对安全生产造成重大威胁。本文即针对断层影响下大采高伪斜综采面初次来压规律展开研究，分析来压特征及机理，并制定控制措施。

1 工程概况

本工作面所采4号煤层厚度3.35 m～6.29 m，平均4.70 m，煤层倾角15°～23°，平均18°，属全区稳定可采煤层。煤层一般含夹矸0层～2层，夹矸厚度0.05 m～1.10 m，煤质软但较为完整。顶底板状况如表1所示，其中，顶板为厚11.7 m的K3中粗砂岩，较坚硬，无直接顶，老顶分级属于Ⅲ级顶板，来压显现强烈。工作面采用走向长壁后退式全部垮落采煤法，一次采全高伪斜回采，采高2.3 m～4.5 m，工作面机头推进度超前机尾推进度约25 m，工作面中部采用139架ZY9200/22/46型支撑掩护式液压支架，两端过渡支架采用ZYG9200/22/46型支撑掩护式液压支架。

表1 4号煤4101工作面及邻近区域综合柱状情况

2 “支架-围岩”关系控制难点分析

4101综采面是该矿井首采面，其矿压显现规律研究尚处于空白状态，且本工作面由于采高较大，煤层倾角较大，加之伪斜开采及断层影响，应力环境及矿压显现存在较大特殊性，因此工作面回采过程中“支架-围岩”系统稳定性将是制约工作面安全高效回采的重大技术难题。通过现场调研4101综采面地质生产条件，检索分析相关文献资料，分析得出4101综采面“支架-围岩”系统稳定性控制存在以下技术难点：

首先，采高增大使上覆岩层断裂步距变大，其运动扰动范围也逐渐增大，矿压显现更为明显，老顶来压强度可增大1个～2个级别，表现为来压期间支架载荷和老顶动载系数的增大；同时，采高增大使煤壁临空面的面积增大，煤壁稳定性差，易片帮，进而导致端面冒顶、支架受力不均、构件损坏等，进一步引发严重顶板事故[1-3]。

其次，由于煤层倾角较大，采用伪斜回采工艺，这样随着工作面的推进，往往形成梯形工作面。何富连等运用相似材料模拟实验方法研究得出梯形工作面使老顶呈反“D”形分区域断裂，从而导致工作面初次来压呈现出多次性，且来压强度相对减小等[4-5]；同时，大倾角伪斜综采面还面临着支架歪斜及架间挤、咬等难题。

第三，4101工作面初次来压前被两条正断层切割成三大板块，其中，F1断层落差为1.1 m，倾角为50°，F2断层落差为0.5 m，倾角为40°。煤层被断层切割时，采场老顶被分成2个或多个板块，不同板块老顶板结构的破断垮落和来压过程也不同。在断层附近区域易出现应力集中，当工作面接近断层带时，发生冲击矿压的危险比其他区域高得多[6-7]。

3 初次来压规律模拟及实测研究

4101综采面是本矿井首采面，其初次来压显现规律尚无经验可循，因此，可借助UDEC离散元数值软件提前进行模拟回采，以期得到4101工作面初次来压的宏观垮冒、位移变化以及应力分布等矿压显现特征。建模以4101工作面实际地质生产条件为基础，仅考虑落差较大的F1断层，沿工作面倾向方向的计算模型岩层分布图，如图1所示。

图1 计算模型岩层分布图

模型建立后，首先进行初始平衡计算，达到初始平衡后，进行工作面回采开挖。模型运算6 000步时，显示工作面下端头及断层上部首先来压并垮落；模型继续计算达到8 000步时，工作面上端头及中下部区域顶板也逐渐垮落；进而模型计算达到10 000步时，工作面中部区域顶板也最终垮落，此时，整个工作面顶板来压并垮落完毕。模拟结果表明，老顶初次来压表现为分段来压，即，工作面下端头及断层上盘附近老顶先发生破断来压，紧接着工作面上端头及中下部老顶破断垮落，最终整个工作面完成顶板来压及垮落。

项目组在现场进行了为期2个月的矿压显现观测，随着工作面不断推进，本工作面老顶的破断垮落和来压显现存在着自身的特殊性。跟数值模拟结果相吻合，观测结果表明，老顶初次来压确实表现出明显的分段来压特征。现场观测4101综采面老顶初次来压顺序为：工作面下部1#～32#支架、断层上盘上部87#～101#支架首先来压，然后，101#～144#支架、33#～47#支架、48#～58#支架、59#～74#支架接续来压；75#～87#支架最后来压。具体老顶来压破断过程如图2所示。

从4101工作面老顶初次来压过程看，工作面下部及断层上部首先出现裂缝，然后分别向上扩展，形成老顶岩块的分段塌落，造成工作面初次来压的多次性，当工作面推进到一定距离后，工作面才完成全部来压现象。

图2 现场观测初次来压步距图

4 结语

本文进行现场调研并通过文献检索分析了4101综采面在大采高、大倾角伪斜及断层等不利回采条件下的“支架-围岩”稳定性控制难点，对其初次来压规律研究提供指导。现场实践表明，工作面顶板的分段来压现象避免了整个工作面顶板的同时破断、垮落产生的大范围来压现象，使工作面的矿山压力显现强度减弱，对工作面的安全生产也有较为有利的影响。