袁宏树 闵伟森 杨 东
（内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司巴彦高勒煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017300）
矿井工程施工过程中，时常需要通过断层、褶皱等地质构造。由于地质构造导致煤层赋存不稳定、围岩应力分布不均匀等现象，严重影响矿井安全回采、巷道正常掘进工作。
我国专家学者之前的研究主要针对具体矿井工作面、巷道掘进工程进行的工程应用研究[1-6]，关于断层构造应力分布机理研究内容较少，且之前研究过程中使用的技术措施具有一定局限性。巴彦高勒311203 综采工作面过DF19 断层过程中存在支架推进困难、顶板破碎异常的问题，为解决该问题，对工作面区域地质情况进行了分析，对区域内围岩应力分布情况进行了模拟研究[7-10]，制定了安全技术措施并进行了效果考察。研究结果对其他矿井工作面通过断层构造措施的制定具有一定的指导意义和现实意义。
311203 综采工作面走向长度1290 m，切眼长度300 m，主采煤层3-1 煤层，平均煤层厚度4.6 m。煤层直接顶板为粉砂岩，平均厚度7 m，整体呈灰黑色，层理平整，夹杂砂岩薄层；
基本顶为细粒砂岩，平均厚度16 m；
直接底为砂岩，平均厚度3 m；
基本底为细粒砂岩，平均厚度15 m。工作面采用走向长壁综合机械化采煤法开采，采高3 m，放顶1 m，无卧底煤。
工作面范围内含断层构造5 个，目前工作面回采通过DF19 断层。DF19 断层为正断层，断层走向300°，倾向28°，倾角32°。DF19 断层情况如图1。
图1 DF19 断层概况图
311203 综采工作面正常回采过程中，顶板煤层赋存稳定，每割完一刀后液压支架可以正常挪动。采面经过DF19 断层过程中，由于断层构造上、下盘落差较大，导致断面应力分布不均匀，液压支架挪动过程中常出现移动困难、卡液压支架的问题。为分析断层构造区域应力分布情况，采用软件COMSOL Multiphysics 进行围岩应力分布研究，选用软件中固体应力模块。假设煤层顶板、底板以及煤层为均匀介质，模型不考虑渗流影响和温度影响，仅进行应力场分析。
现场采样到实验室进行煤样应力参数测试，测得顶板、煤层、底板基本应力参数见表1。
表1 围岩应力参数表
通过数值计算得到311203 综采工作面通过断层断面应力分布图如图2。
由图2可知，311203综采工作面过DF19断层时，出现下盘应力集中现象，上盘应力集中区域较小。由于下盘自由面比较大，整体呈现下落趋势，没有水平支撑介质，下盘同时承受上盘的地压和液压支架的支撑力，因此出现应力集中现象。同时上盘位置会出现整体水平位移，因此形成断层上盘一侧顶板出现局部应力轻度集中现象，最终形成裂隙、孔隙等。工作面回采过程中，支架出现移动困难的区域主要为断层构造下盘，即90#液压支架区域。因此，安全技术措施实施主要区域为90#液压支架区域。
图2 311203 综采工作面通过断层断面应力分布图
根据数值模拟结果分析，导致311203 综采工作面失稳主要原因为应力集中于断层构造区域，因此采用的技术措施必须可以消除应力集中。目前，松动爆破技术在矿井生产中得到广泛应用，采用松动爆破的方法对应力集中区进行爆破，爆破后可以将应力集中区的断层下盘、上盘整体破坏，消除应力集中。
3.1 松动爆破
进行松动爆破使用Φ35 mm×300 mm×300 g型号二级乳化炸药，雷管为毫秒延期电雷管，采用FD-200D 型发爆器起爆激发，母线为MBM-2×1.0 mm2型铜芯阻燃爆破线。爆破区域为断层构造与工作面接触区域，即应力集中区域。钻孔布置方式为三花孔，钻孔布置如图3，钻孔参数见表2。钻孔施工采用ZDL750 钻机，钻孔实施一组后整体安装炸药、封孔后进行爆破。
表2 钻孔参数表
图3 钻孔设计图
施工流程：打钻→装药→导通→封孔→爆破。装药量按照单孔20 m 的长度装药，实施过程中可根据实际情况调整装药量。
为保证松动爆破效果，封孔长度为10 m。炸药爆破过程中两个以上孔同时爆破会产生能量耦合作用，因此每次爆破为五个孔同时爆破。五个孔同时爆破后，断层下盘、上盘整体会被破坏，形成整体破碎带，保证应力分布均匀。
3.2 效果考察
为考察爆破效果，将工作面液压支架工作阻力观测数据进行对比分析，分析结果如图4。
图4 松动爆破实施前后液压支架应力监测图
由图4 可知，实施松动爆破前，90#支架区域出现应力波动比较大的情况，最大应力为55 MPa。根据地层分析，该区域位于DF19 断层下盘区域。实施完成松动爆破后，130 个液压支架整体应力比较平稳，均在25 MPa 值上下浮动，未出现异常波动。根据数据统计结果可知：松动爆破实施完成后，DF19 断层区域下盘应力集中点被破碎，应力分布均匀，为回采过程中支架平稳移动提供了安全条件。
综合分析，松动爆破的实施有效控制了断层构造对综采面回采过程中液压支架挪动不畅的现象。
为研究综采工作面过断层技术及安全措施，对工作面区域煤层概况、地质情况进行了综合分析，运用数值模拟研究方法分析了断层区域应力分布不均匀的情况，制定了控制措施并进行了效果考察，得到以下结论：
（1）数值模拟研究结果表明导致回采过程中液压支架移动困难原因为：DF19 断层下盘区域应力集中。
（2）针对DF19 断层下盘应力集中问题，采用松动爆破措施。
（3）DF19 断层区域实施完成松动爆破后，进行效果考察。考察结果显示，工作面液压支架工作阻力分布平稳，未出现异常波动。
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