李村煤矿2303工作面过大断层支护技术研究.pdf

第46 卷第7 期2023年7 月采矿与井巷工程李村煤矿2 3 0 3 工作面过大断层支护技术研究煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.7Jul.2023王伟（山西潞安化工集团慈林山煤业有限公司李村煤矿，山西长治0 3 0 6 0 0）摘要：为解决工作面过断层结构区顶板冒落、片帮等问题，以李村煤矿2 3 0 3 工作面为工程背景，通过数值模拟研究了工作面过大断层应力演变规律，得出随着工作面距断层距离的减小，剪切应力逐渐增大，法向应力逐渐减小，同时注浆可降低应力集中的现象，控制工作面过断层围岩的变形破坏。基于数值模拟结果提出了“注浆+锚杆索+金属网”控制措施，并通过现场工业试验验证了该方案的可行性。关键词：大断层；数值模拟；应力演变；注浆；支护中图分类号：TD353文献标识码：B文章编号：2 0 9 5-59 7 9（2 0 2 3）0 7-0 0 3 4-0 4Research on support technology passing large fault in No.2303Face of Licun MineWangWei(Licun Mine of Shanxi Lu an Chemical Group Cilinshan Coal Industry Co.,Ltd.,Changzhi 030600,China)Abstract:In order to solve the problems of roof caving and spalling in the fault structure area of the working face,No.2303Face of Licun Mine was taken as the engineering background,the stress evolution law of the large fault in the working facewas studied by numerical simulation.It was concluded that with the decrease of the distance between the working face andthe fault,the shear stress increased gradually,and the normal stress decreased gradually.At the same time,groutingreduced the phenomenon of stress concentration and controlled the deformation and failure of the surrounding rock of theworking face.Based on the numerical simulation results,the control measures of grouting+anchor cable+metal mesh were proposed,and the feasibility of the scheme was verified by field industrial test.Key words:large fault;numerical simulation;stress evolution;grouting;supporting变规律，并提出了“注浆+锚杆索+金属网”的0 引言支护方案。现场工业试验验证了该支护方案的可行断层是煤矿中最常见的地质结构，由于断层性，研究结果可为工作面过断层的安全、可持续开的存在，岩层的连续性和完整性遭到破坏2-3 。当工采提供参考。作面向断层推进时，容易造成顶板掉落，片帮，甚1工程概况至支架破坏等事故，一直以来都是煤矿开采中需要解决的难题。为了保证断层区工作面的安全生产，提高工作面的生产速度，有必要对工作面过断层安全稳定技术进行系统的研究，并提出解决方案。本文结合李村煤矿2 3 0 3 工作面的煤层地质条件，通过数值模拟分析了工作面过断层时的应力演2303工作面按煤层走向布置，平均可采长度764m，切眼长2 7 8.7 m，可采面积2 1 2 9 2 6.8 m。煤层倾角-7 1 5，平均倾角7，煤层厚度4.15.8 m，平均4.5m。该工作面采用走向长壁一次采全高后退式全部落综合机械化采煤法，选用掩护式液压支架来支护工作面的顶板，工作面共责任编辑：高小青D0I:10.19286/ki.cci.2023.07.010作者简介：王伟（1 9 8 2 一），男，山西运城人，工程师。引用格式：王伟.李村煤矿2 3 0 3 工作面过大断层支护技术研究J.煤炭与化工，2 0 2 3，46（7）：3 4-3 7.34王伟：李村煤矿2 3 0 3 工作面过大断层支护技术研究有1 6 4组支架，其中中部正规架1 56 组，端头支架6组，过渡支架2 组。2303工作面发育断层DF22，其落差约1 3 m，顶底板名称岩石名称基本顶中粒砂岩直接顶砂质泥岩、粉砂直接底粉砂、砂质泥岩基本底细粒砂岩2数值模拟2.1工作面过断层扰动特征采用FLAC3D数值模拟软件建立长宽高=80m60m80m的三维数值模型，模型四周表面边界设置为水平约束力，模型的底面设置为固定约束边界，模型顶部设置为自由边界。为研究2 3 0 3 工作面从上盘推进过程中对断层的扰动特征，在断层的中心线位置布设1 号监测点、2 号监测点、3 号监测点，其中1 号监测点位于工作面的上方6 0 m、2 号监测点位于工作面的上方1 0 m、3 号监测点位于工作面的下方1 0 m。工作面推进过程中应力的动态变化曲线如图1 所示。3.5-1号监测点：2 号蓝测点3.0一3 号蓝测点2.52.01.51.00.50工作面距断层中线的距离/m(a)剪切应力-1-235-6-70工作面距断层中线的距离/m(b)法向应力图1 回采过程中断层区应力动态曲线Fig.1 The stress dynamic curve of fault zonein the process of mining2023年第7 期位于回采里程46 5 59 2 m处，距离进风巷西帮约50m。过断层DF22回采时沿上盘顶板平推，破顶留底，围岩特征见表1。表1 围岩及其特征Table 1 Surrounding rock and its characteristic厚度/m5.89.653.77.420402040岩性特征深灰色，中厚层状，有白云母碎屑及煤屑，局部为细砂岩，充填方解石脉黄色，中厚层状，泥质松散，吸水性强灰黑色，中厚层状，平坦状断口，偶见星散状黄铁矿灰深灰色，中厚层状，矿物成分以石英为主，下部具薄层煤线，钙质胶结，裂隙发育由图1（a）可知，随着工作面距断层的距离的减小，1 号监测点剪切应力逐渐增大，2 号监测点、3 号监测点的剪切应力先增大后减小；当工作面距断层中线的距离为1 0 m时，2 号监测点剪切应力值最大，为2.3 MPa；当工作面距断层中线的距离为2 0 m时，3 号监测点剪切向应力值最大，为2.5MPa；各监测点在工作面距断层中线9 0 100m，剪切应力基本处于稳定状态，在工作面距断层中线2 0 9 0 m，剪切应力随距离的减小逐渐增大，可以得出该断层对剪切应力的影响范围为工作面距断层中线 2 0 9 0 m。由图1（b）可知，随着工作面距断层的距离减小，1 号监测点法向应力逐渐增大，2 号监测点、3号监测点的法向应力先增大后减小；当工作面距断层中线的距离为1 0 m时，2 号监测点法向应力值最大，为5.4MPa；当工作面距断层中线的距离为2 0 m时，3 号监测点法向应力值最大，为4.4MPa；各监测点在工作面距断层中线6 0 1 0 0 m，法向应力基本处于稳定状态，在工作面距断层中线06 0 m，法向应力随距离的减小逐渐增大，可以得出该断层对法向应力的影响范围为工作面距断层60801001号监测点二3 蓝测黛6080100中线 1 0 6 0 m。2.2支承应力工作面推进过程中未采用注浆和采用注浆前后支承应力变化曲线，如图2 所示。16r141210864050100150200250300350工作面距断层中线的距离/m图2 工作面垂直应力变化曲线Fig.2 Vertical stress change curve of working face+注浆前注浆后352023年第7 期由图2 可知，在未采用注浆时，随着工作面距断层距离的逐渐减小，垂直应力逐渐减小，到达断层的内部时垂直应力最小，为5.8 MPa；过断层以后垂直应力又开始逐渐增大，表明未注浆时，工作面在过断层会出现应力集中现象；采用注浆后，当工作面过断层时，垂直应力出现了缓慢减小的现象，这主要是注浆提高了断层内煤岩体的物理力学参数，应力略有减小，降低了应力集中现象。2.3断层位移变化工作面推进过程中未采用注浆和采用注浆前后断层中线1 号监测点、2 号监测点位移变化曲线如图3 所示。120#1008060402000280,240200160120804000图3 1 号、2 号监测点位移变化Fig.3 Displacement change of No.1 and No.2 monitoring points由图3 可知，1 号监测点和2 号监测点在未采用注浆条件下，随着工作面距离断层中线的距离的减小，沉降量逐渐增大，1 号监测点和2 号监测点的最大沉降量分别为1 1 7 mm、2 6 8 m m；采用注浆后，1 号监测点和2 号监测点的最大沉降量分别为19.5mm、3.2 m m，沉降量分别较未注浆条件下减少了8 3%、9 5%，表明采用注浆可有效控制工作面过断层围岩的变形破坏。36煤炭与化工3工作面过断层围岩控制技术3.1注浆加固为保证工作面的正常回采，降低工作面顶板破碎对回采的影响，对两巷地质构造影响区、应力集中区域进行超前预注浆加固管理；受断层、地质构造、应力集中影响造成局部工作面片帮、顶板破碎区域进行注浆管理。注浆加固方案如图4所示。松散煤岩体范围基本顶直接顶煤帮Fig.4 Grouting reinforcement scheme士未注浆注浆2040工作面距断层中线的距离/m(a）1 号监测点2040工作面距断层中线的距离/m(b）2 号监测点第46 卷金属网注浆锚杆图4注浆加固方案3.1.1注注浆材料性能参数采用晋安加固注浆材料（双组份A料、B料）。6080未注浆一注浆6080100100材料及浆液无毒、无味，不会被点燃，浆液凝胶时间可以根据现场的工程与水文地质情况进行调整；固结体有膨胀性，在注浆过程中反应温度低于40。（1）凝胶时间：3 0 min（2）主要性能：产品凝结时间3 2 0 min，2 4 h 强度能达到 8 1 2 MPa。3.1.2加固区域及钻孔布置（1）在工作面顶板破碎或煤墙片帮，液压支架不能有效支护情况下，对破碎区域煤墙进行注浆管理。具体布置为若工作面煤墙上半部片帮宽、下半部煤墙正常情况下，注浆孔呈单排眼布置（42 mm），眼位距顶板1 1.5m呈1 5倾角向上倾斜打设，眼深6 8 m，排距5.2 m，封孔深度34m。每孔注浆40 6 0 桶；若煤墙上部、下部整体片帮情况下，注浆孔呈三花眼布置（42mm），上排眼位距顶板1 1.5m呈仰角1 5倾角向上倾斜打设，下排眼距底板1.5m垂直煤墙打设，眼深6 8 m，排距3.5m，封孔深度3 4m。每孔注浆40 6 0 桶。以上注浆参数可根据现场情况进行调整。（2）在进风巷、回风巷两巷煤墙破碎区域、地质构造影响区、应力集中区，进行预注浆管理。具体布置为，在加固进巷道破碎区域里帮钻孔呈单排眼布置（42mm），眼位距顶板1.5 2.0 m呈王伟：李村煤矿2 3 0 3 工作面过大断层支护技术研究15倾角向上倾斜打设，眼深6 8 m，排距3 5m，封孔深度3 4m，每孔注浆40 6 0 桶。3.2“锚杆索+金属网”加强支护工作面过断层开采扰动区“锚杆索+金属网”联合支护方式如图5所示。锚索基本顶直接顶煤帮图5“锚杆索+金属网”加强支护方案Fig.5 Strengthening support scheme ofanchor cable+metal mesh 支架顶梁上部采用“锚杆索+金属网”支护，锚索采用17.8mm7300mm钢绞线锚索，锚索间排距为1 8 0 0 mm3000mm，锚杆采用20mm2500mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间排距为1 8 0 0 mm3000mm，锚杆索采用间隔进行布置；工作面煤帮采用18mm2100mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间排距为8 0 0mm800mm。金属网采用8mm钢筋制作的经纬网，规格为2 0 0 0 mm1 400mm。4工业性试验采用数字化围岩松动范围测试技术对工作面过断层采用“注浆+锚杆索+金属网”控制措施效果进行验证，验证结果如图6 所示。由图6 可知，采用“注浆+锚杆索+金属网”控制措施后，工作面围岩松动范围在不同钻孔部位相对为采取控制措施较小，这说明煤岩体较完整，同时可以看出在0 1.2 m波速发生显著降低，得出松动范围小于1.2 m，松动范围较小，煤岩体的变形破坏趋势得到有效控制。5 结 论（1）根据数值模拟揭示了工作面过大断层过程中应力演变过程，得出该断层对剪切应力的影响范围为工作面距断层中线2 0 9 0 m，对法向应力的影响范围为工作面距断层中线1 0 6 0 m，同时2023年第7 期得出注浆加固可有效提高断层内煤岩体的物理力学参数以及控制工作面过断层围岩的变形破坏。2.800未采取控制措施+“注浆+锚杆索+金属网”支护方案(t-s.u)2.4002.000F16001200F800F金属网4000.4 0.81.21.6 2.0 2.42.8 3.2364.0工作面距断层中线的距离/m锚杆图6 孔深一波速关系曲线Fig.6 Relationship curve of hole depth and wave velocity（2）现场试验分析了注浆对断层位移的影响，并根据声波传导表明“注浆+锚杆索+金属网”控制措施可有效控制大断层的变形破坏。参考文献：1 马建文.特厚煤层破碎围岩巷道注浆加固技术应用研究J.煤，2 0 2 0,2 9（1)：3 4-3 6.2褚福桥，郝喜庆，桑远虎.断层破碎带煤巷围岩变形控制技术研究应用J.山东煤炭科技，2 0 2 2，40（1 2）：7 2-7 4.3王福海，杨永刚，杨张杰，等.工作面超前预掘巷注浆加固过断层组技术J.煤炭工程，2 0 2 2，54（1 0）：3 8-42.4徐留军.1 53 0 1 回风顺槽过断层破碎带支护设计及应用J煤炭与化工，2 0 2 2，45（8）：1 51 7，2 2.5卜庆为.新桥矿厚泥岩顶板回采巷道锚杆支护技术研究D包头：内蒙古利技大学，2 0 1 4.6冯飞，张海领.大采高综采工作面过落差1 2 m大断层技术研究与应用J.山东煤炭科技，2 0 1 7（2）：1 8-2 0.7刘玉涛，胡全宏.1 2 1 0 6 大倾角工作面过断层群的技术研究与应用J黑龙江科技信息，2 0 1 2（1 9）：51，1 6 8.8杨磷，黄正平.大倾角综采工作面过斜交断层技术J.煤炭工程，2 0 1 7，49（5）：51-54.9曹建波，张宁波.综采工作面过大断层技术的研究与探讨【CJ/煤炭开采新理论与新技术中国煤炭学会开采专业委员会2 0 1 0 年学术年会论文集，2 0 1 0.10席敦刚，贾秀春，闫春来.掘进工作面过老巷及断层期间安全技术研究J.煤矿现代化，2 0 2 2（5）：9 6-9 9.11 陈慧明，王玉新，杨月飞.大埋深孤岛工作面过断层带回采技术研究J.中州煤炭，2 0 1 8，40（1）：1 7 7-1 8 2.12王建跃.综采工作面过断层支护技术应用研究J.能源与节能，2 0 2 1(2)：2 0 4-2 0 5.13江杰，霍晓林.综掘工作面过断层强化支护技术研究J.内蒙古煤炭经济，2 0 1 9（6）：7 0-7 1.14 李超.断层对大采高综采工作面矿压及顶板运移规律影响研究D.太原：太原理工大学，2 0 1 6.37