松散層下開采次生小斷層影響工作面突砂機制
——以山東省橫河煤礦1931W工作面突砂事故為例

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(1. 山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2. 山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；3.山東能源集團，山東 濟南 250000)

松散層下開采次生小斷層影響工作面突砂機制
——以山東省橫河煤礦1931W工作面突砂事故為例

張文泉1,2，王長浩1，陳曉青1,3

(1. 山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2. 山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；3.山東能源集團，山東 濟南 250000)

為研究松散層下開采次生小斷層對工作面涌砂的影響，以山東省橫河煤礦1931W工作面突砂事故為例，采用ANSYS有限元數(shù)值模擬方法，分析次生小斷層對采動裂隙帶高度發(fā)育的影響，根據(jù)模擬結(jié)果及流砂突出事故，對頂板流砂突出的機制和條件進行研究，得出在煤層開采過程中導(dǎo)水裂隙帶受斷層影響的一般規(guī)律，認為工作面推進過程中存在斷層情況下，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度和破壞程度會受到影響，導(dǎo)致其發(fā)育高度增大，引發(fā)涌水突砂事故。

斷層；流砂；突出；數(shù)值模擬

Abstract: In order to study the influence of secondary faults on working face sand inrush under alluvium, this paper, taking the 1931W working face sand inrush accident of Henghe Coal Mine in Shandong Province as an example, discussed the effect of secondary faults on the development of fractured zone in roof by ANSYS finite element numerical simulation. Based on the simulation results and the occurrence of sand inrush accident, the roof quicksand inrush mechanism and conditions were studied and the general influencing law of fault on the water flowing fractured zone in the process of mining was obtained. It is concluded that the maximum development height and damage degree of the water flowing fractured zone will be affected when there are faults in working face advance, which will lead to the great increase of development height, resulting in water and sand inrush accidents.

Keywords: fault; quicksand; inrush; numerical simulation

我國華東、華北和西北礦區(qū)松散層厚度較大，部分礦區(qū)松散層厚度甚至達到900 m，由于部分礦區(qū)松散層過厚且基巖較薄，致使提高礦井開采上限時面臨的復(fù)雜水文地質(zhì)問題在國內(nèi)外采礦界都極其罕見。許多受此威脅的煤礦存在水砂突涌的可能，嚴重威脅礦工生命安全和煤礦安全生產(chǎn)。特別是在厚松散層薄基巖條件下，次生小斷層的存在影響了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況，可能導(dǎo)致工作面水砂突涌而嚴重威脅礦井的安全生產(chǎn)，因此，分析次生小斷層對導(dǎo)水裂隙帶高度的影響情況對礦井安全回采具有重要意義。國內(nèi)外一些專家學(xué)者[1-2]對該問題進行了研究，獲得一些成功經(jīng)驗，但也有個別失利的教訓(xùn)。許多學(xué)者[3-5]針對斷層活化特征，以及對采動影響研究不同地質(zhì)條件下斷層受采動影響活化的特征和一般規(guī)律。卜萬奎等[6]對不同傾角的斷層活化規(guī)律和對底板突水的影響進行了研究，得出斷層傾角越大，斷層越容易活化與突水的結(jié)論。張文泉等[7]對次生斷層進行探討，研究不同傾角次生斷層對斷層保護煤柱留設(shè)的影響。但針對次生斷層對兩帶高度發(fā)育的影響以及對工作面水砂突涌的威脅等領(lǐng)域研究相對較少。

本文以山東省橫河煤礦2002年10月31日發(fā)生的工作面頂板突砂導(dǎo)致二人被困9天13小時的事故為例，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，探討斷層對頂板采動裂隙發(fā)育的影響作用，進一步分析此次頂板流砂涌出的機制和條件，以便能夠更好地從已發(fā)生的事故總結(jié)經(jīng)驗，制定相應(yīng)防治對策，以防同類事故的再次發(fā)生。

1 事故工作面概況

1.1 工作面相對位置及采煤方法和工藝

山東省橫河煤礦2002年10月31日發(fā)生的工作面頂板突砂事故導(dǎo)致二人被困9天13小時，此次事故引起了社會的極大關(guān)注以及各級主管部門的高度重視。

1931W工作面位于橫河煤礦西翼采區(qū)的北端，西鄰12312工作面(事故發(fā)生時正在掘進)；東以馬家樓分支斷層(H=20 m)為界，工作面軌道巷沿馬家樓支二分斷層西側(cè)掘進；東北以馬家樓斷層保護煤柱與鮑店礦相鄰；西北切眼以開采上限為界；南部為1731W工作面(事故發(fā)生時已回采完畢)。地面位于泗河河床內(nèi)，邢家村西北約1 000 m。1931W工作面是沿走向布置的傾斜長壁工作面，長度40～90 m；傾斜長度310 m。工作面煤層底板標高-152.9～-196.5 m，采高2.0 m。

1931W工作面采用的是傾斜長壁俯斜開采方法，采煤工藝為炮采。選取鉸接頂梁配DZ-25型單體液壓支柱進行支護，該種型號支柱的初撐力為90 kN。采場支柱柱距0.7 m，排距1.0 m?？仨斁喾秶鸀?.2～4.2 m。采取工作面鋪設(shè)塑料網(wǎng)的方式，以起到假頂?shù)淖饔谩?/p>

1.2 橫河煤礦1931W工作面斷層情況

該工作面巷道及切眼掘進和鉆探中共有7處(其中掘進6處、鉆探1處)遇到3條斷層(馬家樓支二分斷層、F101斷層及工作面中部小斷層)。

在工作面軌道巷的掘進中，中部和下部先后有4處揭露馬家樓支二分支斷層，探明該斷層為正斷層，初步斷定斷層落差不小于20 m。該工作面軌道巷基本是沿著該斷層掘進。

在工作面切眼的中部，掘進遇到的落差為0.95 m的正斷層，其方向與工作面推進方向斜交。

在工作面切眼的上部，距上軌道巷約5 m處，掘進揭露F101斷層，初步分析認為是馬家樓支二分支斷層的次生斷層。該斷層為正斷層落差2.0 m，其斷層方向與工作面推進方向斜交，當(dāng)工作面投產(chǎn)后，向前推進6 m(發(fā)生突砂事故的前一班)就已推過該斷層，如圖1所示。

2 導(dǎo)水裂隙帶受斷層影響

根據(jù)事故專家組論證意見，發(fā)生事故的主要原因在于生產(chǎn)中未能及時分析斷裂構(gòu)造對工作面突水出砂情況的影響。因此，為了得出煤層開采過程中斷裂構(gòu)造對工作面突水出砂的影響，在參考前人工作[8]的基礎(chǔ)上，利用ANSYS數(shù)值模擬軟件分析采動過程中斷層對覆巖變形破壞的影響。

圖1 1931W工作面突砂事故示意圖Fig.1 Schematic diagram of 1931W working face sand inrush accident

2.1 斷層對于裂隙帶范圍的影響

利用ANSYS有限元分析軟件建立走向方向的平面應(yīng)變模型，走向長1 000 m，高為200 m；采用Drucker-prager屈服準則，模擬存在斷層情況下，煤層開采過程中覆巖“兩帶”高度擴展發(fā)育情況(選取各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1)。在模擬過程中，為了更加方便地分析斷層對裂隙帶范圍的影響，通過改變基本頂巖層屬性、降低抗拉強度，以0.5 MPa的拉應(yīng)力等值線代替裂隙帶的輪廓線，探討斷層對裂隙帶范圍的影響。

通過分析該工作面煤層頂板至模型頂部沿斷層面正應(yīng)力變化，將其轉(zhuǎn)換成距離煤層底板的高度，并繪制成圖，如圖2。由圖2可知，當(dāng)高度達到11 m開始，斷層面上的拉應(yīng)力呈逐漸增加的趨勢，當(dāng)高度達到31 m(此時拉應(yīng)力為0.25 MPa)左右拉應(yīng)力達到峰值。在拉應(yīng)力持續(xù)增加過程中，在高度14.5 m時拉應(yīng)力開始急劇增大，且保持增大趨勢至峰值0.25 MPa。達到峰值后拉應(yīng)力突然降低。結(jié)合現(xiàn)場實際探測情況，認為拉應(yīng)力急劇變化過程中，斷層受這種變化影響完全有條件發(fā)生斷裂破壞，致使導(dǎo)水裂隙帶高度增大。

表1 各巖層巖石力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Mechanical parameters of each stratum

此現(xiàn)象發(fā)生的原因：工作面位于斷層的下盤，巖層結(jié)構(gòu)同時受到上覆巖層壓應(yīng)力和自身重力的雙重作用而發(fā)生斷裂破壞，由于斷層處有較小內(nèi)聚力，而斷層附近區(qū)域發(fā)生斷裂破壞所需要的拉應(yīng)力又較小，因此當(dāng)斷層一旦發(fā)生斷裂破壞，就會使巖層內(nèi)部的應(yīng)力分布發(fā)生變化，導(dǎo)致附近位置的拉應(yīng)力降低，同時，斷層附近較小的支承力也會引起遠處的壓應(yīng)力變大，進而導(dǎo)致該處拉應(yīng)力減小，使導(dǎo)水裂隙帶高度有所降低。

當(dāng)斷層位于導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)時，導(dǎo)水裂隙帶的范圍變化幾乎不受斷層的影響(圖3)。由圖3可知，斷層位于導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)時，導(dǎo)水裂隙帶的高度減小，其值為28.5 m，且斷層附近的高度略大于遠處。

圖2 斷層線處的正應(yīng)力曲線Fig. 2 Curve of normal stress at the fault line

上述現(xiàn)象主要原因為：工作面主體處于斷層的上盤部分，可以將其巖層的斷裂模型簡化為一端固支、另一端簡支的梁。由于斷層處內(nèi)聚力較小，因此當(dāng)斷層發(fā)生斷裂破壞時所受到拉應(yīng)力值相對較小。與兩端固支梁不同的是，如果兩巖梁同時發(fā)生斷裂，一端固支一端簡支的懸頂長度要小于兩端固支的長度。因此當(dāng)巖梁提前斷裂時，下部巖層會在斷層附近受到上覆巖層壓應(yīng)力和自重的共同作用，致使巖層的斷裂破壞首先發(fā)生在遠處端點處。當(dāng)工作面向前推進，由于巖體的抗拉強度非常低，因此未推進至斷層處時，巖層就已經(jīng)開始發(fā)生破壞，致使周圍巖體拉應(yīng)力開始減小，因此導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度降低。

圖3 斷層在裂隙帶范圍內(nèi)時的第一主應(yīng)力等值線圖Fig. 3 Contour map of the first main stress of fault in the fracture zone

2.2 斷層對導(dǎo)水裂縫帶分布的影響

根據(jù)ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果，在前人研究基礎(chǔ)上[9-11]，對采動過程中受斷層影響的導(dǎo)水裂縫帶分布規(guī)律進行總結(jié)：

1) 對于落差較小的斷層，采取工作面平推硬過措施處理，從斷層上盤往下盤推進時，由斷層引起的兩帶高度最大增長率大于下盤往上盤推進時的最大增長率。

2) 斷層引起的導(dǎo)水裂縫帶高度增長率隨斷層面傾角的增大而增加。

3) 當(dāng)留設(shè)一定的斷層防水煤柱時，只開采斷層上盤煤層或者下盤煤層，或者斷層上、下盤同時留設(shè)防水煤柱，導(dǎo)水裂縫帶高度無增大趨勢，但裂隙帶在靠近斷層一側(cè)寬度會減小。

4) 斷層對導(dǎo)水裂隙帶分布的影響程度因斷層與采空區(qū)的相對位置不同而變化，當(dāng)斷層位于采空區(qū)正上方彈性區(qū)內(nèi)部時，斷層受到雙向來壓，此時導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度以及分布形態(tài)受斷層影響相對較小。

5) 當(dāng)只對斷層上盤或下盤煤層開采時，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育及分布情況不受斷層落差和斷層性質(zhì)的影響。

3 橫河煤礦1931W工作面突砂機制

2002年10月28日1931W工作面開始投產(chǎn)開采，10月31日24時當(dāng)工作面推進6 m時，工作面溜尾斷層(H=2.6 m)附近頂板垮落并隨之發(fā)生潰砂。事故的原因如下：

1) 1931W工作面的開切眼位于三個斷層的結(jié)合部附近，斷層分別為馬家樓之二斷層、馬家樓之二分支斷層和掘進切眼時所揭露的落差2.6 m斷層，由于上述復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的存在造成工作面覆巖裂隙發(fā)育、頂板破壞程度較大，誘發(fā)突砂事故。

橫河煤礦在多年的開采實踐中揭露的馬家樓之二分支斷層，其分布延展方向大體與馬家樓之二斷層呈弧狀相交，該斷層南部落差約6～9 m，北部與馬家樓之二斷層在相交位置落差不小于20 m。發(fā)生事故的1931W工作面的軌道斜巷基本沿分支斷層掘進。在工作面開切眼靠近軌道巷的邊界部，揭露一條正斷層，落差2.0 m。工作面突砂區(qū)是兩條斷層的交匯部，突砂點是工作面推過2.6 m斷層的位置。斷層附近煤巖層破碎，失去了對上覆第四系底砂的支撐作用，由于受到采動影響，在支柱回撤時，發(fā)生頂板垮落破壞程度大于其承載極限能力的現(xiàn)象，從而發(fā)生潰砂。

2) 工作面初采區(qū)域煤巖柱的留設(shè)未考慮到斷裂構(gòu)造和粘土層缺失等因素，是導(dǎo)致事故發(fā)生的又一直接原因。

事故發(fā)生區(qū)域的鉆探證實，該工作面煤層上部基巖厚度僅為14.4 m，小于“三下采煤規(guī)程”所規(guī)定的最小基巖厚度15.2 m，在工作面靠近軌道巷約20 m范圍內(nèi)，設(shè)計0.5～1.0 m的剩余頂煤起到基巖作用。但煤巖柱厚度的留設(shè)分析一般是在工作面頂板穩(wěn)定條件下進行的，由于1931W工作面存在斷層構(gòu)造，影響了區(qū)域覆巖的整體性，因此此種留設(shè)頂煤的方案難以達到所規(guī)定的煤巖柱厚度的強度。加之頂煤會隨著開采的進行出現(xiàn)部分冒落現(xiàn)象，難以達到理想的保護層作用，實際有效巖柱并不能達到規(guī)定要求的15.2 m有效巖柱的厚度。

通過上述分析得出，斷層會影響導(dǎo)水裂縫帶的最大發(fā)育高度，與未受到地質(zhì)破壞的工作面相比，其破壞程度有較大程度的變化，即使是落差很小的次生斷層也往往導(dǎo)致突砂(水)或淹井等嚴重事故。橫河煤礦1931W工作面溜尾斷層(H=2.0 m)附近區(qū)域發(fā)生潰砂不僅僅是由于上覆第四系底粘土層缺失，溜尾落差2.0 m斷層引起的導(dǎo)水裂縫帶高度增大也是導(dǎo)致突砂事故的重要原因。

4 結(jié)束語

通過分析1931W工作面突砂事故實例，結(jié)合ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果，得出本次事故發(fā)生的兩個主要原因為：

1) 含斷層煤層開采過程中，由于劇烈的拉應(yīng)力變化使斷裂破壞，導(dǎo)水裂隙帶增高，1931W工作面突砂事故產(chǎn)生的原因之一是工作面斷層的存在導(dǎo)致導(dǎo)水裂縫帶高度增大。

2) 煤層采動導(dǎo)致斷層附近煤巖層破碎，失去支撐作用，加上煤巖柱留設(shè)時忽略了斷裂構(gòu)造的影響，這是造成此次事故的原因之二。

此外，在分析此次事故原因的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人研究成果對導(dǎo)水裂隙帶受斷層影響的一般規(guī)律進行總結(jié)，得出當(dāng)工作面推進過程中揭露斷層時，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度會增大的結(jié)論，致使發(fā)生突砂事故的可能性變大。

在實際生產(chǎn)過程中，研究斷層對覆巖變形破壞的影響作用時，由于巖層破壞的隱蔽性，實測難度很大，且實測數(shù)據(jù)極少，絕大部分研究成果只能通過經(jīng)驗及數(shù)值模擬獲得，但由于各地區(qū)地質(zhì)條件煤層賦存存在較大差異，經(jīng)驗判斷無法作為可靠的取值依據(jù)，而數(shù)值模擬方法限于自身算法的局限性及參數(shù)取值的人為主觀性，降低了數(shù)值模擬對研究區(qū)域預(yù)測結(jié)果的可信度。因此，重視頂板上部微小裂隙的高度探測是判斷第四系松散含水層能否發(fā)生水砂潰、生產(chǎn)是否安全的基礎(chǔ)。同時，對工作面內(nèi)的小斷層(次生)也應(yīng)該給予足夠的重視，并在回采至斷層附近時制定科學(xué)、完善的安全預(yù)防技術(shù)措施，并嚴格執(zhí)行，以確保煤礦生命財產(chǎn)安全。

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(責(zé)任編輯：高麗華)

SandInrushMechanismInfluencedbySecondaryFaultsinWorkingFaceUnderAlluviumMining——Taking the 1931W Working Face Sand Inrush Accident in Henghe Coal Mine in Shandong Province as Example

ZHANG Wenquan1,2，WANG Changhao1, CHEN Xiaoqing1,3

(1. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 3. Shandong Energy Group, Jinan, Shandong 250000, China)

X45

A

1672-3767(2017)06-0090-06

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2017.06.013

2016-12-29

國家自然科學(xué)基金項目(41472281)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(20133718110015)

張文泉(1965—)，男，山東濰坊人，教授，博士，主要從事礦山災(zāi)害預(yù)測及防治相關(guān)研究. E-mail:wexquanzhang@163.com