斷層條件下開采時礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的數(shù)值模擬

鐘 勇

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司；2.洛陽坤宇礦業(yè)有限公司)

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斷層條件下開采時礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的數(shù)值模擬

鐘 勇1,2

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司；2.洛陽坤宇礦業(yè)有限公司)

為了弄清朱集東礦1111(1)綜采作業(yè)面在斷層條件下推進(jìn)過程中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，采用RFPA2D-Strata軟件,對比模擬分析了工作面從斷層上盤、下盤向前推進(jìn)過程中斷層對工作面支承壓力的影響。結(jié)果表明：在斷層條件下，無論從上盤還是下盤開采，工作面離斷層較近時，工作面前方都會產(chǎn)生較高的應(yīng)力峰值，形成沖擊危險；相較于在上盤斷層開采，工作面位于下盤斷層時產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)更高，沖擊危險性也更高。

斷層 RFPA2D-strata 支承壓力 數(shù)值模擬

斷層是廣泛分布在地殼中的一種主要地質(zhì)構(gòu)造。在煤層開采過程中，斷層的存在易造成地下開采礦山中采場的回采工作面及巷道礦壓顯現(xiàn)異常，對井下的施工人員造成較大的安全隱患。由于采掘作業(yè)是在各種巖石組成的地質(zhì)體中進(jìn)行，當(dāng)在斷層條件下開采煤層時，煤層的整體性被切斷，正在推進(jìn)的綜采作業(yè)面附近的礦壓會受到影響，進(jìn)行重新分布。故研究分析礦壓再分布變化規(guī)律，有助于預(yù)測和防治煤層開采過程中斷層誘發(fā)的沖擊危險性。

1 工程概況

朱集東礦 1111(1) 工作面為首采工作面，分布在北回風(fēng)巷北側(cè)11～12勘察線，走向長度1 879 m，傾向長230 m。目前在11-2#煤層開采，煤層厚度0.95～1.6 m ，平均煤厚1.37 m， 煤層傾角0°～6°，平均傾角3.5° ，埋深約900 m。巖層相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。煤層開采工作面有一部分處于斷層Fx斷裂帶中，斷裂帶煤巖不穩(wěn)定，巷道頂板管理困難，斷裂帶為正斷層，傾角70°，平均落差1.5 m。

2 數(shù)值模型建立

1111(1)工作面由Fx正斷層上盤向前推進(jìn)，為了弄清采掘期間斷層對工作面支承壓力的影響程度，決定采用RFPA2D-Strata軟件進(jìn)行應(yīng)力分布的數(shù)值模擬，分析正斷層情況下工作面從斷層上盤向前推進(jìn)過程中斷層對工作面支承壓力的影響。為了優(yōu)化設(shè)計工作面布置，還需模擬在正斷層情況下，工作面從斷層下盤向前推進(jìn)過程中斷層對工作面支承壓力的影響，比較分析工作面如何推進(jìn)斷層周邊區(qū)域的沖擊危險性最低。

以采場縱剖面為計算區(qū)域，建立煤層開挖數(shù)值模型，分別記為SⅠ、SⅡ(圖1、圖2)。SⅠ、SⅡ模型高度和寬度均為55 m×200 m，由110×400個細(xì)觀單元組成，采用平面應(yīng)變模型。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

圖1 在斷層上盤開采的模型SⅠ

圖2 在斷層下盤開采的模型SⅡ

(1)斷層模擬方法。在模型中通過在斷層上下盤間添加弱結(jié)構(gòu)面來模擬，假設(shè)弱結(jié)構(gòu)面的均值度為1，取內(nèi)摩擦角20°，彈性模量取10 GPa。

(2)模型加載方式。模型的左右邊界和下部采用約束方式，采用先加載后分步開挖，每步開挖5 m，共8步。由于煤層埋藏較深(約900 m)，在模型上部施加22 MPa恒定應(yīng)力，另外巖層還受自重作用，在開挖煤層以上的每兩巖層間加不同強(qiáng)度的節(jié)理。模型最頂層采用彈模和強(qiáng)度均較大的材料，保證模型不被過高應(yīng)力壓壞。根據(jù)各巖層進(jìn)行賦值，巖層力學(xué)參數(shù)假設(shè)與韋伯分布相符，巖層破裂采取莫爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則判斷。

(3)模擬步驟。在正斷層的情況下，首先模擬工作面從斷層上盤向前推進(jìn)時，距斷層43，38，33，28，23，18，13 m時支承壓力的分布規(guī)律；模擬工作面從斷層下盤向斷層推進(jìn)時，距斷層43，38，33，28，23，18，13 m時支承壓力的分布規(guī)律。

3 斷層條件下開采時的動態(tài)規(guī)律

3.1 位于斷層上盤開采時的應(yīng)力動態(tài)規(guī)律

根據(jù)模型SⅠ，對1111(1)工作面及其上覆巖層內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)在距斷層不同距離的情況下進(jìn)行了模擬，其結(jié)果見圖3所示。

由圖3可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層43 m時，應(yīng)力峰值達(dá)到26.2 MPa；當(dāng)工作面逐漸推移至28 m時，應(yīng)力峰值到達(dá)47.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.01。故當(dāng)回采面在斷層上盤向斷層推移時，回采面支承壓力隨回采面的推進(jìn)而向煤壁前方移動，且煤壁前方支承力逐漸增加。當(dāng)回采面繼續(xù)向前推進(jìn)距離斷層18 m時，煤壁前方支撐壓力增強(qiáng)到53.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)一步提高，增大至2.26；當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層13 m時，由于在斷層與煤壁之間只有13 m的煤體，相當(dāng)于小煤柱，在煤柱中形成了很高的應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值達(dá)到62.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)增加到2.67，在斷層以外垂直應(yīng)力迅速減小到48.6 MPa，在工作面前方煤柱中不僅形成了很高的應(yīng)力集中，而且還形成了很高的應(yīng)力梯度，具有很高的沖擊危險性。

圖3 工作面在斷層上盤推進(jìn)時的支承壓力

3.2 位于斷層下盤開采時的應(yīng)力動態(tài)規(guī)律

根據(jù)模型SⅡ，對1111(1)工作面及其上覆巖層內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)在距斷層不同距離的情況下進(jìn)行了模擬，其結(jié)果見圖4所示。

圖4 工作面在斷層下盤推進(jìn)時的支承壓力

由圖4可以看出，當(dāng)工作面離斷層43和38 m時，工作面超前支承壓力曲線基本一致，當(dāng)工作面距離斷層43 m時，應(yīng)力峰值為33.5 MPa；當(dāng)工作面推移至與斷層相距38 m時，應(yīng)力峰值上升到38.9 MPa，證明此時斷層對工作面支承壓力的影響還很微弱。由于工作面頂板為較軟弱的泥巖，而工作面煤層厚度也較薄，所以在工作面前方實(shí)體煤中形成的應(yīng)力集中不高。

隨著工作面進(jìn)一步向斷層推進(jìn)，斷層對工作面支承壓力的影響程度逐步增加，應(yīng)力峰值逐步升高，當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層28 m時，應(yīng)力峰值達(dá)到56.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到了2.4；當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層18 m時，應(yīng)力峰值增加到64.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)也增大到2.74；而當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至斷層13 m時，由于在斷層與煤壁之間只有13 m的小煤柱，在煤柱中形成了很高的應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值高達(dá)68.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)一步增大到2.92，由于在煤壁與斷層之間的煤柱中產(chǎn)生了很高的應(yīng)力集中，故極易產(chǎn)生沖擊危險。而在斷層以外的煤體中，應(yīng)力峰值迅速降為36.8 MPa。

3.3 斷層條件下開采時的共性規(guī)律

3.3.1 覆巖垮落的共性規(guī)律

無論是在斷層上盤還是在斷層下盤開采，由于煤體上覆巖層中節(jié)理和層理的存在，煤體上覆巖層不會隨工作面的推進(jìn)形成結(jié)構(gòu)破壞，而是產(chǎn)生破裂，導(dǎo)致冒落。通過采動模擬圖5、圖6可以分析出：在垂直方向上，遵循自下而上的運(yùn)動順序，即在重力的作用下，巖梁彎曲沉降，一旦超過允許的沉降值限度即發(fā)生冒落；在水平方向上，當(dāng)下位頂板冒落且達(dá)到極限跨距時，上位頂板將會產(chǎn)生斷裂，隨之下沉回轉(zhuǎn)運(yùn)動、觸矸，最終形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

3.3.2 支承壓力變化的共性規(guī)律

(1)煤層開采破壞了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，使得應(yīng)力重新分布。因?yàn)楫?dāng)煤層被開采后，采空區(qū)上覆巖層重量將轉(zhuǎn)向采空區(qū)周圍新的支承點(diǎn)，從而在采空區(qū)周圍構(gòu)成支承壓力帶，工作面前方形成的超前支承壓力會隨著工作面推移而向前移動。

圖5 工作面在斷層上盤開采模擬

圖6 工作面在斷層下盤開采模擬

(2)隨著工作面不斷向前推移，原本較穩(wěn)定的老頂巖梁傳遞給煤層上的壓力逐漸增大。但是因?yàn)楦鼽c(diǎn)的應(yīng)力沒有達(dá)到煤體的極限強(qiáng)度，故而包括煤壁在內(nèi)的所有煤層都處于彈性壓縮階段，此時支承壓力峰值在煤壁處出現(xiàn)下降的趨勢。

(3)在離斷層較遠(yuǎn)處，工作面向斷層推進(jìn)時，斷層對工作面超前支承壓力的影響不大；在離斷層較近時，斷層的存在誘使超前支承壓力應(yīng)力峰值急劇增加。

(4)當(dāng)工作面臨近斷裂破裂帶時，因頂板被割斷，導(dǎo)致應(yīng)力無法被傳遞，而位于工作面前方的頂板巖層將在工作面和斷層間的煤柱形成加壓現(xiàn)象，進(jìn)而積聚較高的應(yīng)力，并誘發(fā)大范圍的頂板運(yùn)動，以至于常常會釋放較大的能量，引起沖擊危險。

4 結(jié) 論

(1)在斷層條件下時，無論在上盤還是在下盤開采，隨著綜采作業(yè)面的推進(jìn)，工作面前方均會逐步形成較高的應(yīng)力集中，最后都會產(chǎn)生沖擊危險，造成較大的安全隱患。

(2)在遠(yuǎn)離斷層一定距離的情況下開采，工作面前方的應(yīng)力相對較小，產(chǎn)生沖擊危險的可能性很??；離斷層越近，工作面前方的應(yīng)力越大，產(chǎn)生沖擊危險的可能性越大。

(3)相較于工作面在斷層上盤向前逐漸推動時，工作面在斷層下盤向前推動，工作面支承壓力增加的幅度更大，更易于造成應(yīng)力集中，發(fā)生沖擊危險的可能性更大。

(4)根據(jù)支承壓力的變化，可以判斷沖擊危險性的強(qiáng)弱，從而對斷層條件下開采時由礦壓變化造成的危險進(jìn)行預(yù)測和防治。

[1] 張文錫，魏燕龍，潘 凡,等.綜采工作面過正斷層期間的礦壓規(guī)律[J].煤礦安全，2016，47(3)：205-208.

[2] 鐘 勇.朱集東礦1111工作面沖擊地壓孕育機(jī)理的數(shù)值模擬研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2013.

[3] 孫喜貴，劉洪濤，王志強(qiáng).頂板破壞過程的數(shù)值模擬[J].煤礦開采，2006，11(4)：79-82.

[4] 徐 濤，唐春安，楊天鴻.采場覆巖關(guān)鍵層破斷規(guī)律的數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21(S)：2129-2133.

[5] 唐春安，于廣明，劉紅元，等.采動巖體破裂與巖層移動數(shù)值試驗(yàn)[M].長春：吉林大學(xué)出版社，2002.

[6] 陳 峰，潘一山，鐘 勇.采動影響下覆巖應(yīng)力變化規(guī)律的數(shù)值模擬分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2014，25(3)：74-78.

Numerical Simulation of the Law of Underground Pressure Induced by Coal Extraction Under Fault

Zhong Yong1,2

(1.Zijin Mining Group Co., Ltd.;2.Luoyang Kunyu Mining Co., Ltd.)

In order to analyze the underground pressure law induced by coal extraction under fault of 1111(1)fully-mechanized working face in Zhuji east mine,based on the RFPA2D-strata software,the influence of abutment pressure originated by the working face advanced on hanging wall and foot wall of fault are conducted camparative simulation analysis.The results show that under the fault condition,no matter from the top or from the footwall,the peak value of stress in front of the working face is produced,so,the impact hazard is appeared when the working face is close to the fault;the stress concentration factor and impact hazard when the working face advanced on foot wall of fault are higher than the ones induced by the working face advanced on hanging wall of fault.

Fault,RFPA2D-Strata,Abutment pressure,Numerical simulation

2016-07-10)

鐘 勇(1989—)，男，碩士，471700 河南省洛陽市洛寧縣北鳳翼路147號。