周 波，金志遠，尹 磊，李 鑫，張 旺

(1.貴州灣田煤業(yè)集團有限公司 湘橋煤礦，貴州 盤州 553503； 2.貴州理工學院 礦業(yè)工程學院，貴州 貴陽 550007；3.盤州市能源局，貴州 盤州 553503)

斷層是煤礦開采中常見的地質構造，斷層的存在常常導致工作面難以推進，而且加大了工作面的安全生產(chǎn)難度。目前在工作面過斷層的技術中有幾種較為常見的方法：①在工作面中挑頂或者臥底直接強行推過[1]，但常在斷層落差小于3 m時采用；②在斷層一邊重新開切眼，該方法常在斷層落差較大，開采影響范圍較大時進行采用；③在斷層之間預掘巷道過斷層技術[2-4]，該方法經(jīng)常在工作面頂?shù)装遢^為堅硬時采用。每種方法在特定地質環(huán)境下都有其優(yōu)劣性，選擇合適的方法過斷層可在安全生產(chǎn)的條件下大大加快礦井的生產(chǎn)，為礦井帶來經(jīng)濟效益。

1 采煤工作面概況

11001切眼布置在1號煤層中，煤層傾角為3°，煤層厚度平均2.4 m。切眼直接頂為頁巖，厚度為1.8 m；基本頂為細砂巖，厚度5.3 m。直接底為砂質泥巖，厚度為2.1 m；基本底為細砂巖，厚度4.3 m。切眼設計長度為120 m；斷面形狀為矩形，設計凈寬3.6 m，凈高2.4 m；原斷面支護形式為錨網(wǎng)索支護，錨桿間排距為800 mm×800 mm，錨索間排距為1 600 mm×3 200 mm。切眼掘進25 m處遇到F7斷層(圖1)。

圖1 沿切眼軸向的斷層剖面布置Fig.1 Layout of the fault section along the axis of the incisional eye

為探明斷層產(chǎn)狀，根據(jù)工程地質條件，布置了13個探孔，根據(jù)打鉆成果得出，F(xiàn)7斷層為正斷層，走向為北76°西，傾向為南西214°，傾角為35°(圖2)，斷層落差為0～8 m，工作面推進方向上距離切眼越遠，斷層落差越小，距離切眼16.7 m處，斷層落差降低至3 m，距離切眼29.3 m處尖滅。

2 過斷層技術方案分析

為了減少煤炭資源浪費，降低過斷層期間含矸率，提高過斷層效率，減少爆破對采煤機、液壓支架等設備的損害，根據(jù)11001切眼斷層發(fā)育情況，綜合考慮各種過斷層技術的優(yōu)缺點，首先排除重新開切眼法。因為該種方法一般在斷層落差較大的地質背景中使用，這種方法需要工作面搬家，通常搬家需要2～3個月，甚至更長時間，而在該工程背景下采用此方法可能將導致工作面圍巖弱化、資源浪費等結果；另外，如果強行直接推過，會對采煤機截齒造成巨大損害，導致采煤成本增加。

圖2 采煤工作面F7斷層產(chǎn)狀示意Fig.2 The occurrence of F7 fault in coal mining face

根據(jù)11001切眼斷層遇到的F7斷層產(chǎn)狀特點，礦領導組織相關技術人員進行了多次會診，最終提出2種可行的過斷層方法再進行對比分析。①預掘巷道法。在斷層影響范圍內沿工作面推進方向上布置預掘巷道，根據(jù)斷層產(chǎn)狀，設計2條預掘巷道，提前將工作面推采層位上的部分堅硬巖石提前掘出，留下巖柱支撐頂板，巖柱要基本完全壓塑，而且具有一定承載力，保證采煤機在預設推采層位上能夠正常安全推采，如圖3所示。②不規(guī)則切眼法。如圖4所示，根據(jù)揭露的F7斷層產(chǎn)狀特征，沿斷層影響邊界外的煤層內布置，且橫穿斷層區(qū)域的切眼軸向方向預斷層走向斜交，此區(qū)域斷層落差小于3.0 m。

方案1(預掘巷道法)是一種過斷層新方法，近些年才提出，在一些礦也有一定的應用，這種方法有幾個顯著優(yōu)點：在過斷層層位上設置若干預掘巷道，通過巷道掘進提前處理或部分處理斷層面附近影響回采的矸石，將巖石提前掏出，降低采煤工作面過斷層影響。

與方案2相比，預掘巷道法施工成本低，可借助綜掘機械掘進一個巷道即可，不需要來回搬運綜采機器，避免了設備損耗、成本較高以及煤體損失量較多等問題。因此對11001綜采工作面選用方案一(預掘巷道法)更為合理。

圖3 方案1：預掘巷道法Fig.3 Option 1：pre-dug roadway method

圖4 方案2：不規(guī)則切眼法Fig.4 Option 2：irregular notch method

合理的預掘巷斷面及巷間巖柱尺寸，既可以保證巖柱在工作面超前支承壓力作用下完全處于塑性變形區(qū)，實現(xiàn)采煤機直接、連續(xù)切割巖柱，減少對設備的損害；又能利用巖柱存在的殘余承載能力，結合各種支護方式，保證預掘巷道圍巖得到有效控制，滿足安全使用的要求，從而使工作面達到正常生產(chǎn)。因此，本文將從預掘巷道斷面參數(shù)、巷間巖柱尺寸以及支護方案入手進行優(yōu)化設計。

3 過斷層參數(shù)設計

3.1 預掘巷道參數(shù)確定

F7斷層上盤進行施工預掘巷道，巷道沿斷層傾角減小方向掘進，并與斷層間隔一定距離，一般為2 m，一邊掘進一邊對斷層進行探測，探測發(fā)現(xiàn)斷層方位發(fā)生變化時，第一時間對掘進方位做出調整，保持預掘巷道與斷層方向一致。當巷道掘進至斷層的上盤煤層頂板與斷層下盤煤層底板對接時，此時斷層落差為3 m，停止掘進。第一條掏矸巷道掘進完成后，在工作面的推進方向依次平行布置預掘巷道，布置至斷層不影響工作面正常生產(chǎn)的位置[5-7]。

(1)根據(jù)斷層產(chǎn)狀，預掘巷道1設計長度23 m，預掘巷道2設計長度為44 m。

(2)巷道設計坡度為8°。

(3)在現(xiàn)場對斷層的上下盤進行觀察、取樣分析，得出斷層上下兩盤的巖石性質、硬度、裂隙發(fā)育情況、破碎程度的實際情況[8-10]，通過鉆孔對該位置的偽頂、直接頂和基本頂?shù)暮穸忍綔y，結合該處相鄰工作面過斷層的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，通過理論分析與專家論證，確定預掘巷道的斷面為矩形，設計尺寸為：凈寬3 m，凈高2.6 m。

3.2 預掘巷道間巖柱尺寸設計

為了探究最合理的預掘巷道間巖柱尺寸，得出不同巖柱留設尺寸時的應力變化情況以及不同尺寸巖柱內塑性區(qū)的分布情況。本文在施工前采用UDEC數(shù)值模擬軟件，對上述問題進行研究。

(1)模型的建立。建立數(shù)值模擬的模型長300 m、高40 m，考慮到邊界效應的影響，兩端預留40 m的邊界煤柱寬度來抵消邊界效應。模型的下部為固定約束，兩端設定為輥支撐，上部設為自由邊界，數(shù)值模型整體服從摩爾—庫侖準則，該模型的監(jiān)測點設置在留設的巖柱中心位置，用來監(jiān)測不同尺寸巖柱的應力變化情況。

(2)參數(shù)賦值。參數(shù)賦值見表1和表2。

表1 煤巖層參數(shù)Tab.1 Assignment of coal and rock parameters

(3)模擬方案。根據(jù)鄰近工作面遇到斷層的經(jīng)驗，分別模擬留設1、2、3 m巖柱時預掘巷道及巖柱的變化情況。

表2 節(jié)理面參數(shù)Tab.2 Assignment of joint surface parameters

通過對數(shù)值模擬結果的分析，當巖柱的留設寬度為1 m時，巖柱中心位置的應力監(jiān)測點顯示，應力的變化不明顯，變化值在3%～5%，這說明該尺寸大小的巖柱已處于破壞狀態(tài)，對頂板的支撐能力已完全喪失。留設寬度1 m的巖柱最大應力值為5 MPa，為原巖應力值的一半；當巖柱的留設寬度為2 m時，巖柱中心位置的處的應力值最大，垂直方向的應力由中心向周圍遞減，留設寬度2 m的巖柱最大應力值為8 MPa，是原巖應力值的80%，此尺寸的留設巖柱承載了上覆巖層的大部分壓力，巖柱被壓脆、壓酥，采煤機可輕松切割巖柱；當巖柱的留設寬度為3 m時，巖柱內的最大應力值為12 MPa，已大于原巖應力值，表明巷道開挖引起的側向應力在巖柱內集中，由于應力峰值區(qū)域位于巖柱中心，這表明巖柱可承載住上覆巖層的巨大壓力，但是尺寸的巖柱硬度過大，采煤機切割困難，造成設備磨碎，由此可得，此尺寸不合理[11-12]。

留設不同尺寸巖柱時的塑性區(qū)分布如圖5所示。由圖5不同尺寸的受力狀態(tài)可知，巖柱尺寸為2 m時，最為合理。為驗證這一結論，本文從塑性區(qū)分布范圍進行分析。當巖柱的留設寬度為1 m時，圖5(a)塑性區(qū)分布顯示，巖柱已全部處于塑性狀態(tài)，此尺寸的巖柱已被壓垮，上覆巖層的壓力直接傳導至采煤支架，造成支架壓死，工作面無法繼續(xù)推過斷層；當巖柱的留設寬度為2 m時，圖5(b)塑性區(qū)分布顯示，巖柱大部分處于塑形區(qū)范圍，小部分為彈性區(qū)范圍，此尺寸的留設巖柱仍可撐起上覆巖層的巨大壓力，但也出現(xiàn)了一定程度的破壞；當巖柱的留設寬度為3 m時，圖5(c)塑性區(qū)分布顯示，巖柱大部分處于彈性區(qū)范圍，小部分為塑性區(qū)范圍，說明此尺寸的巖柱結構穩(wěn)定。

圖5 留設不同尺寸巖柱時的塑性區(qū)分布Fig.5 Plastic zone distribution map when the size of the left rock pillar

(3)預掘巷道支護方案設計。首先對預掘巷道進行臨時支護，前探梁為3根φ76.2 mm鋼管，前探梁上方采用4塊長2 000 mm、寬120 mm、厚100 mm的小板梁接頂，并用木楔打牢，長度最少大于4 m，固定裝置為螺紋錨桿和吊環(huán)，為了能承受49 kN拉力，使用3 根吊環(huán)將前探梁固定起來，每根采用相同的固定方式，3根吊環(huán)用配套的錨桿螺母與φ150 mm鋼管焊接起來。最大控頂距離2.1 m，最小控頂距0.5 m。

當巷道掘進完成后，再采用多種支護方式混合支護，二次支護的方案如下：①在巷道頂板上方打設由礦用12號雙工字鋼焊接而成的錨索梁，橫向布置在巷道中，長度3.0 mm，每1.6 m打設1根，每根錨索梁打設錨索2根，其中錨索之間的距離為1.2 m，長度6.0 m。②再配合單體液壓支柱進行支護，單體液壓支柱沿巷道方向打設4排，其間排距為600 mm×700 mm，所有支柱“穿鞋戴帽”。

4 應用效果分析

4.1 預掘巷道圍巖變形規(guī)律

為了驗證預掘巷道支護方案的合理性，在預掘巷道1和預掘巷道2內，分別布置2個測站，觀測頂?shù)装逡平?，以確保預掘巷道頂?shù)装逡平靠刂圃谝欢ǚ秶鷥?，保障采煤機過斷層期間能夠正常推過。預掘巷道觀測結果如圖6所示。

圖6 預掘巷道圍巖變形規(guī)律Fig.6 Deformation law of surrounding rock of pre-dug roadway

觀測結果表明，過F7斷層期間預掘巷道1累計頂?shù)装逡平繛?03 mm，預掘巷道2累計頂?shù)装逡平繛?8 mm，頂?shù)装逡平靠刂圃诤侠矸秶鷥?，說明提出的支護方案是合理的，采煤機過斷層期間能夠正常通過預掘巷道。

4.2 過斷層應用效果分析

預掘巷過斷層技術在工作面應用實施后，當工作面通過F7斷層時，預掘巷道間2 m的巖柱被直接壓脆，采煤機輕松切割巖柱，設備基本無損耗，加之有效的支護手段以及合理的巷道參數(shù)設計，有效提高了預掘巷道頂板的穩(wěn)定性，大大減小了頂板的破碎程度，節(jié)約了工作面的回采時間，很大程度上增加了工作面的產(chǎn)量。同時，減少了破矸石量，保證了工作面煤質，提前處理了斷層區(qū)域矸石，有效減少了對工作面機械設備的消耗。與方案2(不規(guī)則切眼法)比較，節(jié)約了搬運采煤設備以及設備磨損所造成的費用，同時縮短了處理不規(guī)則區(qū)域的時間。

5 結論

(1)在借鑒現(xiàn)有采煤工作面過斷層技術的基礎上，分析了各種過斷層技術的優(yōu)缺點，結合工程遇到的F7斷層特點，經(jīng)過礦技術人員多次會診討論，最終確定采用預掘巷道法過斷層。

(2)根據(jù)揭露的F7斷層產(chǎn)狀特點，確定預掘巷道1設計長度23 m，預掘巷道2設計長度為44 m；巷道設計坡度為8°；設計凈寬3.0 m、凈高2.6 m。采用數(shù)值模擬方法，制定預掘巷道間柱分別為1、2、3 m，通過預掘巷道間柱塑性區(qū)分布特點分析，考慮預掘巷道間柱的穩(wěn)定性，確定合理的間柱寬度為2 m。預掘巷道支護方式采用雙工字鋼+錨索梁+單體支護方式，現(xiàn)場礦壓觀測站測試結果表明，預掘巷道最大累計頂?shù)装逡平繛?03 mm，預掘巷道斷面能夠滿足采煤機對預掘巷道的要求。

(3)確定預掘采用預掘巷道法過斷層，避免了工作面諸多設備的搬運、撤出以及設備上井檢修費用，有效解決了遇到斷層時接續(xù)緊張局面。與此同時，過斷層期間未對原煤回收率和煤質產(chǎn)生負面影響。通過對預掘巷道過斷層時巷道參數(shù)、留設巖柱尺寸以及支護方式的研究，積累了過斷層的經(jīng)驗，對今后綜采工作面過斷層具有很好的借鑒作用。

參考文獻(References)：

[1] 李凱，萬振華，李小昌，等.復雜條件下綜掘面過斷層技術[J].煤礦安全，2011，42(3)：50-52.

Li Kai，Wan Zhenhua，Li Xiaochang，et al.Techniques of passing through fault in fully-mechanized roadway excavation face under complex geological conditions[J].Safety in Coal Mines，2011，42(3)：50-52.

[2] 金志遠，崔波，許猛堂.采煤工作面過斷層預掘巷道間巖柱尺寸研究[J].煤礦安全，2018，49(3)：202-204.

Jin Zhiyuan，Cui Bo，Xu Mengtang.Research on rock pillar dimension between two pre-driven roadways in passing through fault of coal mining face[J].Safety in Coal Mines，2018，49(3)：202-204.

[3] 馬立強，余伊河，金志遠，等.大傾角綜放面預掘巷道群快速過斷層技術[J].采礦與安全工程學報，2015，32(1)：84-89.

Ma Liqiang，Yu Yihe，Jin Zhiyuan，et al.Fast pushing through fault of the pre-driven roadway groups in fully-mechanized top-coal caving face with big dip angle[J].Journal of Mining and Safety Engineering，2015，32(1)：84-89.

[4] 王東林.超前預掘巷道爆破過斷層技術[J].煤炭科技，2019，40(6)：91-94.

Wang Donglin.Technology of blasting through fault in advanced pre-excavation roadway[J].Coal Science & Technology Magazine，2019，40(6)：91-94.

[5] 劉成虎，張明玉，曾現(xiàn)策.綜放工作面過斷層預掘巷道掏矸助采技術的實踐應用[J].山東煤炭科技，2014(7)：60-62.

Liu Chenghu，Zhang Mingyu，Zeng Xiance.Application of technology excavating waste to help mining by pre-driven roadway during fully-mechanized top coal caving working face crossing fault[J].Shandong Coal Science and Technology，2014(7)：60-62.

[6] 侯曉松，魏明華.高莊煤礦沿斷層預掘巷道掏矸助采技術的研究與應用[J].山東煤炭科技，2011(5)：118-119.

Hou Xiaosong，Wei Minghua.Research and application of gangue cutting and mining assistance technology in pre excavated roadway along fault in Gaozhuang Coal Mine[J].Shandong Coal Science and Technology，2011(5)：118-119.

[7] 鄧濤，姬生華，姜繼巧.綜放工作面沿斷層預掘巷道掏矸助采技術的研究應用[J].水力采煤與管道運輸，2011(3)：21-24.

Deng Tao，Ji Shenghua，Jiang Jiqiao.Research and application of gangue cutting and mining aid technology in pre excavating roadway along fault in fully-mechanized top coal caving face[J].Hydraulic Coal Mining & Pipeline Transportation，2011(3)：21-24.

[8] 馬震.斷層構造影響帶巷道全錨索支護技術[J].能源與環(huán)保，2020，42(9)：244-249.

Ma Zhen.Full anchor cable supporting technology for roadway in the zone affected by fault structure[J].China Energy and Environmental Protection，2020，42(9)：244-249.

[9] 岳擁軍.工作面注漿加固技術在快速過斷層中的應用[J].能源與環(huán)保，2020，42(7)：70-73.

Yue Yongjun.Application of grouting reinforcement for fast passing through fault in working face[J].China Energy and Environmental Protection，2020，42(7)：70-73.

[10] 李懿.韓家戶溝—馬家臺勘查區(qū)Fh-4斷層特征及其對煤層賦存的影響[J].能源與環(huán)保，2020，42(1)：71-74，80.

Li Yi.Characteristics of Fh-4fault in Hanjiahugou—Majiatai exploration area and its influence on coal seam occurrence[J].China Energy and Environmental Protection，2020，42(1)：71-74，80.

[11] 李玉輝.淺層地震勘探在城市活斷層探測中的應用[J].能源與環(huán)保，2018，40(12)：93-97.

Li Yuhui.Application of shallow seismic exploration in urban active fault detection[J].China Energy and Environmental Protection，2018，40(12)：93-97.

[12] 朱江波.回采工作面過斷層預掘巷道間巖柱尺寸留設模擬分析[J].當代化工研究，2018(12)：82-83.

Zhu Jiangbo.Simulation analysis of rock pillar size in mining roadway through fault pre excavation[J].Modern Chemical Research，2018(12)：82-83.