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摘要：断层破碎带是影响综采工作面快速、连续、安全推进的限制因素之一，通过数值模拟方法掌握过断层期间的顶板矿山压力规律及其围岩的位移、应力分布，提出了过断层期间加快推进速度、减少在断层破碎带区域的滞留时间、尤其是注意距离断层面70到80m范围以内时的顶板的管理与支护等安全技术措施。
关键词：综采面;过断层;FLAC3D;数值模拟
在我国，综合机械化采煤技术得到了空前的发展。随着采煤工艺的进步，我国的煤炭产量大幅度的增加[1]。由于煤层的赋存条件不同，可能在采煤的过程中遇到地质构造带，比如断层、褶曲、破碎带、矸子窝等[2]。国内综采工作面过断层的主要方法主要有调整割煤高度法、挑顶起底法、跳采法、强推硬过法以及由以上两种或者两种以上的综合方法等[3]。过断层的难易程度跟断层的落差、倾向、倾角和位置有着密不可分的关系，同时还与煤层自身的厚度、倾向、倾角、顶底板岩层性质、割煤的高度和推进的速度等诸多的因素有关[4]。以芦草井沟矿井工程地质为背景，运用FLAC3D对综采面通过断层破碎带过程进行了数值模拟，通过分析断层破碎带处的围岩应力和位移云图得到了顶板的矿山压力规律，从而为选择合理的综采面过断层方法以及提出必要的安全措施提供必要的理论支持和参考依据。
1 工程地质
芦草井沟井田东西长3.68km，南北宽1.97km，面积5.8752km2。矿区开采深度由1258～1075m标高，采用斜井开拓，现开采6-1煤。矿区以北北西向的马关河向斜为主体构造格架，逆断层断距25～57m，为北东向横贯矿区中南部的主要断层。矿区南界走向N80°E，以东折为N80°W，为南侧下降之正断层，落差57～462m左右。可采煤层为6-1、6-2、7、9、10、11号煤层，平均总厚度为63.28m。煤层顶板主要为砂质泥岩。煤层底板一般为砂质泥岩，属软弱岩层。泥岩遇水易软化，工程地质很差。
2 综采面过断层技术
2.1 过断层前期准备
从工作面初采开始，对工作面进行矿压观测，包括来压时支架阻力大小、来压范围、工作面及两顺槽煤壁片帮情况，安全阀的卸载压力值，在推进中统计出来压步距，为预防压死支架提供数据依据;综采工作面安装完毕后，综采队要积极组织设备完善及试运转工作。
2.2 过断层工艺
（1）工作面在推进过程中，断面上盘范围内，伪顶、直接顶泥岩易跨落，过断层期间加强此区域顶板管理。为减少断层在工作面的暴露面，此时采取加、甩刀的方式，按1°设计角度，调斜工作面。开采初期，使工作面中部断层区域超前2.4m，随着断层面逐渐过渡到机尾，使机尾断层区域超前2.4m。
（2）当顶板处于破碎环境或超前架提前撤出的的环境时，如果梁端距大于1m时，运用局部加刀单向割煤技术，利用千斤顶将煤机退到机尾，为了使工作面端面距得到缩小，牵引方向由原来的机尾调向机头，但进刀范围应大于30架。
（3）如果采煤工作面矿山压力较大，顶板下移现象比较严重，液压支架的工作阻力的增加速度比较快时，进刀方式变更为中部进刀，尽量减缓采煤工作面的矿山压力。
2.3 工作面过断层的工艺要求
（1）过断层时根据现场条件认真分析，并尽量搞清楚断层围岩的岩性、破碎程度、软硬程度，根据现场的实际情况调整断层上下盘的割岩量。
（2）在过断层时准确的找到起坡点，过渡斜长达到10架支架时，要对过渡区域的起点架和终点架进行标明，尽可能的实现1°坡调整。
（3）煤机经过断层影响带时，煤机的速度应当稳在2m/s附近，当煤机进行正常割煤时，煤机的运行速度要小于6m/min。
（4）工作面将逐步揭露断层的延伸走势，采高动态做出调整，对应在支架上将挂设牌板，标识断层影响范围。
（5）在煤机采煤过断层期间，采煤机要与支架自动喷雾系统同时启动，超前煤机前滚筒1～2架正常开启，持续时间5s。
（6）调整底板过程中过渡平缓，不得出现较大低凹、凸起现象，不得出现连续3处溜子扭曲问题。
3 综采面过断层的FLAC3D数值模拟
2014年6月～9月，对芦草井沟煤矿矿山现场进行踏勘与取样，根据钻孔柱状图中岩层的分布，主要对分层明显范围广的地表第四系、煤层顶底板的岩层进行了取样（取样主要从钻孔提取出的岩芯中选取）并运送到研究实验室进行岩石力学物理力学性质试验研究。通过岩石与岩体物理力学参数的转换，最终可以得到相关煤与岩体的力学参数见表1。
表1 煤与岩体的力学参数汇总表
名称 E（GPa） G（GPa） C（MPa） R（Mp） （°）
第四系 2500 3.49 1.80 8.00 4.30 30.01
泥质砂岩 2530 2.13 1.10 3.54 2.04 31.23
煤 1450 0.83 0.43 2.48 0.80 28.12
砂质泥岩 2486 3.16 1.40 4.88 2.09 32.14
注：表中依次為密度、体积模量、剪切模量、内聚力、抗拉强度和内摩擦角等。
由芦草井沟矿井地质资料，对地层划分成第四系松散层、泥质砂岩、煤层、砂质泥岩共四层，建模型范围为长度：0～1000m，宽度：0～800m，高度;0～600m。地质模型见图1所示。
图1 地质模型
结合表1中岩体和煤的力学参数，对芦草井沟矿井综采工作面进行FLAC3D数值建模分析。经过数值模拟的后处理可以得到煤层顶板和围岩的竖直方向的应力云图、铅直方向的位移云图（见图2～3）。
图2 煤层顶板和围岩的竖直方向应力云图
从应力云图上，可以看出应力值在工作面上隅角最大为-2.2177×108到-2.00×108N范围内，形成应力集中区。在上盘，应力的分布不是均匀的，也体现不出其规律性，这是因为在工作面的推进过程中，煤层顶板的矿山压力显现规律是不断随着工作面的推进而不断发生变化的，在初次来压和周期来压的时候顶板的矿压规律变化尤其明显[5]。
图3 煤层顶板和围岩的铅直方向位移云图
通过模拟从工作面开切眼位置到停采线的工作面推进全过程，其中推进过程中要通过一断层破碎带，在铅直方向的位移云图中我们可以看到：在整个过断层期间的顶板位移量明显的分布不均匀，这是由于断层破碎带处的围岩不稳定造成的。在离断层面70到80m的位置顶板的位移量最大达到-0.85042到-0.80m，在从整个过程中初次来压期间的顶板位移量很大，而在以后的周期来压期间位移量要有明显的改观，在断层破碎带，岩体的整体性是很差的，位移等值线的分布是分散的，所以这个地方更容易产生顶板的冒落事故。
4 结论
（1）芦草井沟煤矿综采面过断层采用挑顶起底结合强推硬过相结合的综合过断层方法可以有效的提高过断层效率及保证回采安全。
（2）要尽可能的加快推进速度，减少在断层破碎带区域的滞留时间;如断层上盘出现局部漏顶现象，要及时采取二次移架或刹顶等处理措施，严禁出现局部冒顶。
（3）在接近落差超过25m的大断层时，要注意顶板的管理，尤其是距离断层面70到80m范围以内时要加强注意顶板的管理与支护。
参考文献：
[1] 郭浩森，李华敏，李东印，等.重型综放工作面快速回撤与末采期顶板控制技术[J]. 煤炭科学技术，2012，40（10）：34-36.
[2] 谢文斌，陈晓翔，郑百生.采矿工程问题数值模拟研究与分析[M] .徐州：中国矿业大学出版社.2005.
[3] 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2008.
[4] Manual of FLAC3D. Itasca Consulting Grouup，Inc，1997.
[5]李建民，耿清友，周志坡.我国煤矿综采技术应用现状与发展[J].煤炭科学技术，2012，40（10）：55-58.
作者简介：
郝重阳（1985-），男，内蒙古五原人，本科，通信工程专业，现任中国节能减排有限公司乌海办事处主任，长期从事煤矿安全技术研究工作。
关键词：综采面;过断层;FLAC3D;数值模拟
在我国，综合机械化采煤技术得到了空前的发展。随着采煤工艺的进步，我国的煤炭产量大幅度的增加[1]。由于煤层的赋存条件不同，可能在采煤的过程中遇到地质构造带，比如断层、褶曲、破碎带、矸子窝等[2]。国内综采工作面过断层的主要方法主要有调整割煤高度法、挑顶起底法、跳采法、强推硬过法以及由以上两种或者两种以上的综合方法等[3]。过断层的难易程度跟断层的落差、倾向、倾角和位置有着密不可分的关系，同时还与煤层自身的厚度、倾向、倾角、顶底板岩层性质、割煤的高度和推进的速度等诸多的因素有关[4]。以芦草井沟矿井工程地质为背景，运用FLAC3D对综采面通过断层破碎带过程进行了数值模拟，通过分析断层破碎带处的围岩应力和位移云图得到了顶板的矿山压力规律，从而为选择合理的综采面过断层方法以及提出必要的安全措施提供必要的理论支持和参考依据。
1 工程地质
芦草井沟井田东西长3.68km，南北宽1.97km，面积5.8752km2。矿区开采深度由1258～1075m标高，采用斜井开拓，现开采6-1煤。矿区以北北西向的马关河向斜为主体构造格架，逆断层断距25～57m，为北东向横贯矿区中南部的主要断层。矿区南界走向N80°E，以东折为N80°W，为南侧下降之正断层，落差57～462m左右。可采煤层为6-1、6-2、7、9、10、11号煤层，平均总厚度为63.28m。煤层顶板主要为砂质泥岩。煤层底板一般为砂质泥岩，属软弱岩层。泥岩遇水易软化，工程地质很差。
2 综采面过断层技术
2.1 过断层前期准备
从工作面初采开始，对工作面进行矿压观测，包括来压时支架阻力大小、来压范围、工作面及两顺槽煤壁片帮情况，安全阀的卸载压力值，在推进中统计出来压步距，为预防压死支架提供数据依据;综采工作面安装完毕后，综采队要积极组织设备完善及试运转工作。
2.2 过断层工艺
（1）工作面在推进过程中，断面上盘范围内，伪顶、直接顶泥岩易跨落，过断层期间加强此区域顶板管理。为减少断层在工作面的暴露面，此时采取加、甩刀的方式，按1°设计角度，调斜工作面。开采初期，使工作面中部断层区域超前2.4m，随着断层面逐渐过渡到机尾，使机尾断层区域超前2.4m。
（2）当顶板处于破碎环境或超前架提前撤出的的环境时，如果梁端距大于1m时，运用局部加刀单向割煤技术，利用千斤顶将煤机退到机尾，为了使工作面端面距得到缩小，牵引方向由原来的机尾调向机头，但进刀范围应大于30架。
（3）如果采煤工作面矿山压力较大，顶板下移现象比较严重，液压支架的工作阻力的增加速度比较快时，进刀方式变更为中部进刀，尽量减缓采煤工作面的矿山压力。
2.3 工作面过断层的工艺要求
（1）过断层时根据现场条件认真分析，并尽量搞清楚断层围岩的岩性、破碎程度、软硬程度，根据现场的实际情况调整断层上下盘的割岩量。
（2）在过断层时准确的找到起坡点，过渡斜长达到10架支架时，要对过渡区域的起点架和终点架进行标明，尽可能的实现1°坡调整。
（3）煤机经过断层影响带时，煤机的速度应当稳在2m/s附近，当煤机进行正常割煤时，煤机的运行速度要小于6m/min。
（4）工作面将逐步揭露断层的延伸走势，采高动态做出调整，对应在支架上将挂设牌板，标识断层影响范围。
（5）在煤机采煤过断层期间，采煤机要与支架自动喷雾系统同时启动，超前煤机前滚筒1～2架正常开启，持续时间5s。
（6）调整底板过程中过渡平缓，不得出现较大低凹、凸起现象，不得出现连续3处溜子扭曲问题。
3 综采面过断层的FLAC3D数值模拟
2014年6月～9月，对芦草井沟煤矿矿山现场进行踏勘与取样，根据钻孔柱状图中岩层的分布，主要对分层明显范围广的地表第四系、煤层顶底板的岩层进行了取样（取样主要从钻孔提取出的岩芯中选取）并运送到研究实验室进行岩石力学物理力学性质试验研究。通过岩石与岩体物理力学参数的转换，最终可以得到相关煤与岩体的力学参数见表1。
表1 煤与岩体的力学参数汇总表
名称 E（GPa） G（GPa） C（MPa） R（Mp） （°）
第四系 2500 3.49 1.80 8.00 4.30 30.01
泥质砂岩 2530 2.13 1.10 3.54 2.04 31.23
煤 1450 0.83 0.43 2.48 0.80 28.12
砂质泥岩 2486 3.16 1.40 4.88 2.09 32.14
注：表中依次為密度、体积模量、剪切模量、内聚力、抗拉强度和内摩擦角等。
由芦草井沟矿井地质资料，对地层划分成第四系松散层、泥质砂岩、煤层、砂质泥岩共四层，建模型范围为长度：0～1000m，宽度：0～800m，高度;0～600m。地质模型见图1所示。
图1 地质模型
结合表1中岩体和煤的力学参数，对芦草井沟矿井综采工作面进行FLAC3D数值建模分析。经过数值模拟的后处理可以得到煤层顶板和围岩的竖直方向的应力云图、铅直方向的位移云图（见图2～3）。
图2 煤层顶板和围岩的竖直方向应力云图
从应力云图上，可以看出应力值在工作面上隅角最大为-2.2177×108到-2.00×108N范围内，形成应力集中区。在上盘，应力的分布不是均匀的，也体现不出其规律性，这是因为在工作面的推进过程中，煤层顶板的矿山压力显现规律是不断随着工作面的推进而不断发生变化的，在初次来压和周期来压的时候顶板的矿压规律变化尤其明显[5]。
图3 煤层顶板和围岩的铅直方向位移云图
通过模拟从工作面开切眼位置到停采线的工作面推进全过程，其中推进过程中要通过一断层破碎带，在铅直方向的位移云图中我们可以看到：在整个过断层期间的顶板位移量明显的分布不均匀，这是由于断层破碎带处的围岩不稳定造成的。在离断层面70到80m的位置顶板的位移量最大达到-0.85042到-0.80m，在从整个过程中初次来压期间的顶板位移量很大，而在以后的周期来压期间位移量要有明显的改观，在断层破碎带，岩体的整体性是很差的，位移等值线的分布是分散的，所以这个地方更容易产生顶板的冒落事故。
4 结论
（1）芦草井沟煤矿综采面过断层采用挑顶起底结合强推硬过相结合的综合过断层方法可以有效的提高过断层效率及保证回采安全。
（2）要尽可能的加快推进速度，减少在断层破碎带区域的滞留时间;如断层上盘出现局部漏顶现象，要及时采取二次移架或刹顶等处理措施，严禁出现局部冒顶。
（3）在接近落差超过25m的大断层时，要注意顶板的管理，尤其是距离断层面70到80m范围以内时要加强注意顶板的管理与支护。
参考文献：
[1] 郭浩森，李华敏，李东印，等.重型综放工作面快速回撤与末采期顶板控制技术[J]. 煤炭科学技术，2012，40（10）：34-36.
[2] 谢文斌，陈晓翔，郑百生.采矿工程问题数值模拟研究与分析[M] .徐州：中国矿业大学出版社.2005.
[3] 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2008.
[4] Manual of FLAC3D. Itasca Consulting Grouup，Inc，1997.
[5]李建民，耿清友，周志坡.我国煤矿综采技术应用现状与发展[J].煤炭科学技术，2012，40（10）：55-58.
作者简介：
郝重阳（1985-），男，内蒙古五原人，本科，通信工程专业，现任中国节能减排有限公司乌海办事处主任，长期从事煤矿安全技术研究工作。