基于斷層影響下的覆巖應(yīng)力演化規(guī)律分析

李廣波，寧建國(guó)，肖志民，顧清恒，李建政，王　俊

(山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

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基于斷層影響下的覆巖應(yīng)力演化規(guī)律分析

李廣波，寧建國(guó)，肖志民，顧清恒，李建政，王俊

(山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

[摘要]在斷層影響下，覆巖的破斷形式以及應(yīng)力分布等都將發(fā)生變化。為分析斷層對(duì)覆巖應(yīng)力演化的影響，采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算方法，以某礦的斷層賦存特點(diǎn)為工程背景，模擬分析了下盤(pán)工作面向正斷層推進(jìn)過(guò)程中工作面超前支承壓力與彈性應(yīng)變能分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：由于斷層帶的存在，阻隔了覆巖的應(yīng)力傳播。隨著工作面逐漸接近斷層，工作面超前支承壓力與彈性應(yīng)變能顯著增高；斷層處的應(yīng)力與彈性應(yīng)變能大量積聚，極易誘發(fā)沖擊地壓。該研究對(duì)相似地質(zhì)條件下的煤層沖擊地壓的預(yù)測(cè)及防治起到指導(dǎo)作用。

[關(guān)鍵詞]斷層；沖擊地壓；超前支承壓力；彈性應(yīng)變能；數(shù)值模擬

[引用格式]李廣波，寧建國(guó)，肖志民，等.基于斷層影響下的覆巖應(yīng)力演化規(guī)律分析[J].煤礦開(kāi)采，2015，20(6)：15-18.

巖體中含有斷層、節(jié)理等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，其在外力作用下處于平衡狀態(tài)。在煤層開(kāi)采掘進(jìn)的過(guò)程中，破壞了原有的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致覆巖運(yùn)動(dòng)、應(yīng)力集中，進(jìn)而誘發(fā)沖擊地壓、煤與瓦斯突出等礦山動(dòng)力災(zāi)害[1-2]。斷層處存在很高的構(gòu)造應(yīng)力，當(dāng)工作面向斷層推進(jìn)時(shí)，斷層的構(gòu)造應(yīng)力與工作面超前支承壓力疊加，形成高應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中超過(guò)極限時(shí)，就可能引發(fā)斷層附近的沖擊地壓。斷層的存在嚴(yán)重影響了井下工作面的正常布置，可能導(dǎo)致斷層活化[3-4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)斷層失穩(wěn)以及致災(zāi)機(jī)理開(kāi)展了大量研究。潘一山[5]等將沖擊地壓的類型分為煤體壓縮型、頂板斷裂型和斷層錯(cuò)動(dòng)3種，并分別研究其發(fā)生機(jī)理，提出相應(yīng)的治理措施。姜耀東[6]等通過(guò)再現(xiàn)斷層活化和煤體失穩(wěn)的過(guò)程，研究了采動(dòng)影響下覆巖的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。賈艷武[7]等建立了逆斷層的數(shù)值模型，研究了不同斷層傾角條件下的工作面超前支承壓力與彈性能分布規(guī)律。以往的研究?jī)H是對(duì)理論或震后造成的災(zāi)害進(jìn)行分析，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)較多，但對(duì)于斷層處發(fā)生沖擊地壓的應(yīng)力與能量演化規(guī)律還不清楚。

本文將針對(duì)以上不足，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)正斷層下盤(pán)工作面向斷層推進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究斷層影響下工作面超前支承壓力與彈性能的演化規(guī)律。

1工作面概況

1310工作面位于3下煤層，煤層厚度約2.3~3.5m，賦存穩(wěn)定，傾角3~4°。該區(qū)域煤層賦存較為穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,在開(kāi)采范圍內(nèi)煤層平均厚度為3.2m；局部地段有偽頂，巖性為泥巖或泥質(zhì)粉砂巖，厚約0~2m，最大約10m；受沖刷影響，局部地段煤層變薄甚至缺失[8]。該面走向長(zhǎng)度730~750m，傾向長(zhǎng)度為170m左右，埋深800m。該工作面穿過(guò)落差為6m，傾角為60°的正斷層。

2模型的建立

在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合某礦的地質(zhì)賦存條件，建立了正斷層與工作面的數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為200m×300m×100m，如圖1所示。計(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。

圖1　斷層計(jì)算三維模型

邊界條件為：模型Z方向上部為自由面，施加19.6MPa的均布荷載模擬上覆巖層的自重荷載，模擬埋深800m，Z方向底面限制垂直方向位移，X，Y方向限制水平移動(dòng)。工作面布置在正斷層下盤(pán)中，沿X軸負(fù)方向推進(jìn)，分步開(kāi)挖10m，20m，30m，40m，50m，60m，70m和80m逐步向斷層推進(jìn)，考察工作面在推進(jìn)過(guò)程中對(duì)斷層活化的影響規(guī)律。模型中巖層采用的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　模型中巖層屬性參數(shù)取值

現(xiàn)今斷層大多為非活動(dòng)斷裂，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代，由于松弛效應(yīng)，儲(chǔ)存在巖體內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力隨之減少。在數(shù)值模擬中未考慮斷層附近殘余構(gòu)造應(yīng)力的影響，數(shù)值模型圍巖應(yīng)力為靜水應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)在模型中添加斷層帶，模擬斷層活化對(duì)工作面前方以及斷層處的支承壓力、能量場(chǎng)變化規(guī)律，揭示正斷層下盤(pán)開(kāi)采對(duì)沖擊地壓的作用機(jī)制。

3工作面距斷層不同距離的應(yīng)力演化規(guī)律

3.1工作面前方應(yīng)力分布規(guī)律

下盤(pán)工作面推進(jìn)至斷層80m,40m,10m時(shí)，圍巖垂直應(yīng)力分布如圖2所示。斷層的切割使覆巖呈V形分布，工作面與斷層之間的垂直應(yīng)力低于工作面?zhèn)认虼怪睉?yīng)力。斷層處于張裂及剪切狀態(tài)，斷層帶附近垂直應(yīng)力低，兩側(cè)應(yīng)力存在明顯的差異，說(shuō)明斷層的存在阻隔了覆巖的應(yīng)力傳播[9]。

圖2　下盤(pán)工作面推進(jìn)至正斷層不同距離的垂直應(yīng)力分布

在工作面前方布置測(cè)點(diǎn)。隨工作面推進(jìn)，分析工作面距斷層不同位置時(shí)，斷層對(duì)工作面超前支承壓力峰值分布及應(yīng)力集中系數(shù)的影響，見(jiàn)圖3。

圖3　工作面前方支承壓力峰值分布曲線

隨著工作面不斷推進(jìn)，距斷層距離越近時(shí)，工作面前方支承壓力峰值將不斷增加，導(dǎo)致前方應(yīng)力集中系數(shù)也隨之增高；工作面推進(jìn)至距斷層80m時(shí)，其前方支承壓力峰值為55.54MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.80；當(dāng)工作面推進(jìn)至距斷層40m時(shí)，其前方支承壓力峰值為65.72MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.19；當(dāng)工作面距斷層10m時(shí)，此時(shí)相當(dāng)于在斷層前方留設(shè)10m的小煤柱，作用在煤壁前方支承應(yīng)力峰值為76.81MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.57。

通過(guò)擬合，可得工作面超前支承壓力峰值隨著工作面與斷層距離x的變化關(guān)系，如式(1)所示。由此可知，隨著工作面逐漸接近斷層，煤壁與斷層的煤柱將逐漸減少，致使煤柱內(nèi)形成了很高的應(yīng)力梯度，從而大大增加沖擊地壓的危險(xiǎn)程度。

σ=83.346-0.789x+0.0128x2-8.59×10-5x3

(1)

式中， σ為工作面前方支承應(yīng)力峰值，MPa；x為 工作面距斷層距離，m。

3.2斷層處應(yīng)力分布規(guī)律

隨著工作面距離斷層越近采動(dòng)對(duì)斷層活化的影響越明顯，當(dāng)工作面距斷層距離分別為50m，40m，30m，20m，10m時(shí)，斷層附近垂直應(yīng)力值依次分別為24.31MPa，26.22MPa，28.86MPa，34.48MPa，38.19MPa，如圖4所示。

圖4　斷層處垂直應(yīng)力分布曲線

從圖4可知，采動(dòng)對(duì)斷層的影響隨著回采工作面距斷層越近將越顯著，且工作面距離斷層越近斷層附近垂直應(yīng)力值將呈幾何式增加。當(dāng)回采工作面距斷層距離大于70m時(shí)，采動(dòng)引起的斷層附近垂直應(yīng)力增加的幅度較為平緩，此時(shí)是斷層緩慢變形階段，應(yīng)力的緩慢增加恰是彈性能逐漸積聚的過(guò)程[10]；回采工作面從距斷層70m處逐漸向斷層推進(jìn)時(shí)，斷層開(kāi)始活化，垂直應(yīng)力梯度隨著工作面距離斷層越近將急劇增大。當(dāng)推進(jìn)到10m處，斷層處垂直應(yīng)力達(dá)到極限，可能出現(xiàn)斷層滑移。

通過(guò)曲線擬合，可得斷層附近垂直應(yīng)力隨工作面與斷層距離x的變化關(guān)系，如式(2)所示。

(2)

式中，σ為斷層附近垂直應(yīng)力值，MPa；x為工作面距斷層距離，m。

4工作面距斷層不同距離的彈性應(yīng)變能演化規(guī)律

4.1工作面前方彈性應(yīng)變能分布規(guī)律

回采工作面距斷層不同距離時(shí)煤壁前方彈性應(yīng)變能密度峰值變化如圖5所示，從圖中可知煤壁前方的彈性應(yīng)變能密度峰值隨著工作面距斷層位置越近而增大，且應(yīng)變能密度梯度不斷增加。

圖5　工作面前方彈性應(yīng)變能密度峰值分布曲線

通過(guò)曲線擬合，可得工作面走向彈性應(yīng)變能密度峰值隨工作面與斷層距離x的變化關(guān)系，如式(3)所示。由此可知，工作面距斷層距離的縮小致使煤壁與斷層之間的煤柱積聚大量的彈性能，從而使其附近成為沖擊地壓發(fā)生的重點(diǎn)區(qū)域。

E=569098.48-8836.61x+124.52x2-0.75x3

(3)

式中，E為彈性應(yīng)變能密度，kJ/m3；x為回采工作面距斷層的距離，m。

4.2斷層處彈性應(yīng)變能分布規(guī)律

工作面采動(dòng)對(duì)斷層活化的影響和斷層活化對(duì)工作面應(yīng)力及彈性能的影響是相互制約、相互依存的?；夭晒ぷ髅嫦驍鄬油七M(jìn)致使斷層應(yīng)力及彈性應(yīng)變能開(kāi)始增加，斷層逐漸活化，如圖6所示。

通過(guò)曲線擬合，可得斷層附近彈性應(yīng)變能密度隨回采工作面距斷層距離x的關(guān)系式，如式(4)所示。工作面距斷層70m處繼續(xù)向斷層推進(jìn)將使斷層附近的彈性應(yīng)變能急劇增加，從而使發(fā)生沖擊地壓的可能性大大增加。

E=8.05×105x-0.66703

(4)

式中，E為彈性應(yīng)變能密度，kJ/m3；x為回采工作面距斷層的距離，m。

5沖擊地壓的防治

5.1加強(qiáng)沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是沖擊地壓防治工作的重要組成部分，采取的方法主要包括鉆屑法、微震法、聲發(fā)射法以及電磁輻射法[11]。針對(duì)具體的礦井地質(zhì)情況，可以多種方法綜合使用，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)沖擊地壓可能發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)以及大小。

5.2優(yōu)化開(kāi)采方案

合理的開(kāi)采方案可以避免應(yīng)力集中和疊加。在布置工作面時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)斷層，可以留保護(hù)煤柱以確保斷層不會(huì)活化[12]。可以開(kāi)采解放層，釋放煤體中積聚的彈性能，消除應(yīng)力集中區(qū)。

5.3卸壓開(kāi)采

加強(qiáng)對(duì)于沖擊地壓發(fā)生特征的觀察，提前做好預(yù)防措施，對(duì)斷層周邊煤體和斷層進(jìn)行注水軟化，鉆孔卸壓等。

6結(jié)論

(1)斷層兩側(cè)應(yīng)力存在明顯的差異，說(shuō)明斷層的存在顯著阻隔了覆巖的應(yīng)力傳播。

(2)下盤(pán)工作面向正斷層推進(jìn)時(shí)，由于斷層的存在，在工作面與斷層之間，采動(dòng)應(yīng)力逐漸增加，工作面前方垂直應(yīng)力集中十分突出；進(jìn)入小煤柱狀態(tài)，采動(dòng)應(yīng)力顯著增加，沖擊危險(xiǎn)性較大，是沖擊地壓、煤與瓦斯突出、巷道破壞的重點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與防治，提高巷道支護(hù)強(qiáng)度。

(3)以上研究只涉及到下盤(pán)工作面向正斷層推進(jìn)，當(dāng)上盤(pán)工作面向正斷層推進(jìn)時(shí)，斷層兩側(cè)采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律可能不同，應(yīng)科學(xué)劃分沖擊危險(xiǎn)區(qū)與危險(xiǎn)程度。

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[責(zé)任編輯：于健浩]

Analysis of Stress Evolution Law of Overburden Strata Based on the Influence of Fault

LI Guang-bo，NING Jian-guo，XIAO Zhi-min，GU Qing-heng，LI Jian-zheng，WANG Jun

(College of Mining and Safety Engineering,Shandong Univrsity of Science and technology, Qingdao 266590, China )

Abstract：Under the influence of fault，forms and the stress distribution of the overburden rock will change.To analyze the effect of fault on the stress evolution law of coal face with FLAC3Dnumerical calculation method，the fault occurrence characteristics of a mine as engineering background，the simulation analysis of the footwall face normal fault efforts to promote the advance abutment pressure and the elastic strain energy in the process of distribution.The results show that the fault block of strata stress significantly. As working face close to the fault，advance abutment pressure and the elastic strain energy increased significantly;vertical stress and elastic strain energy accumulation near the fault，easy to induce impact ground pressure.The study of similar geological conditions of the prediction and prevention of percussive ground pressure of coal seam play a guiding role.

Key words：fault; rock burst; lead abutment pressure; elastic energy; numerical simulation

[作者簡(jiǎn)介]李廣波(1989-)，男，山東煙臺(tái)人，在讀碩士研究生，從事采礦及礦山壓力與巖層控制研究。

通訊作者：寧建國(guó)(1975-)，男，山東寧陽(yáng)人，副教授，博士。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274133)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20123718110013)；山東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(ZR2012EEZ002)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.004

[收稿日期]2015-5-11

[中圖分類號(hào)]TD322

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)06-0015-04