薄煤層工作面對(duì)斷層活化的數(shù)值模擬研究

郝瑞云, 郭五平

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,太原 030006)

薄煤層工作面對(duì)斷層活化的數(shù)值模擬研究

郝瑞云, 郭五平

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,太原 030006)

針對(duì)煤層較薄而頂板較厚較堅(jiān)硬的情況,在回采工作面推進(jìn)過(guò)程中對(duì)斷層活化的影響。采用數(shù)值模擬方式進(jìn)行分析,通過(guò)對(duì)不同推進(jìn)距離、頂板管理方式、斷層傾角、斷層內(nèi)摩擦角、斷層內(nèi)聚力進(jìn)行比較研究,得到采取放頂充填方式,斷層內(nèi)聚力為2 MPa,活化起始推進(jìn)距離為90 m,斷層活化深度為21.5 m。不采取放頂充填方式,斷層內(nèi)聚力為0.5 MPa,活化起始推進(jìn)距離為60 m,斷層活化深度為52.1 m,斷層面破壞嚴(yán)重,有可能形成導(dǎo)水通道。

薄煤層;斷層活化;內(nèi)摩擦角;推進(jìn)距離

我國(guó)煤礦企業(yè)存在特別嚴(yán)重的安全問(wèn)題,斷裂構(gòu)造嚴(yán)重制約著礦井的安全生產(chǎn),尤其是中小斷層的危害影響更為多發(fā)[1-2]。斷層附近的應(yīng)力分布有很大的不同,開挖的擾動(dòng)會(huì)引起斷層周邊的位移場(chǎng)、塑性區(qū)及應(yīng)力場(chǎng)重新分布[3]。孟召平、彭蘇平[4-5]采用空隙觀測(cè)、顯微預(yù)裂以及力學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法,對(duì)正斷層周圍巖層的物理力學(xué)進(jìn)行了研究,并通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)正斷層周圍巖層的應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行了深入的研究。孫玉寧[6]等人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):巖層頂板的垮落現(xiàn)象與斷層有著一定的聯(lián)系。王金安[7]利用數(shù)值模擬的手段,研究了開采地層中由于斷層構(gòu)造引起的地表沉陷現(xiàn)象,采用經(jīng)典概率積分法有效地預(yù)測(cè)了地層受到斷層影響之后的地表沉陷量大小。目前國(guó)內(nèi)鮮有對(duì)工作面前方遇到斷層的現(xiàn)象進(jìn)行深入研究,以及未能對(duì)回采工作面前方斷層進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)定。本文針對(duì)鹿臺(tái)山礦普采面過(guò)斷層問(wèn)題,采用及數(shù)值模擬的手段對(duì)工作面斷層活化影響進(jìn)行分析研究,從理論上為薄煤層工作面過(guò)斷層提供指導(dǎo)。

1 工程地質(zhì)背景

鹿臺(tái)山礦2號(hào)煤厚度在1.57 m～2.04 m之間,平均厚度約為1.97 m,工作面走向長(zhǎng)度約為1 401 m,傾向長(zhǎng)度約為217 m。通過(guò)鉆孔揭露狀況以及探測(cè)結(jié)果可知,在對(duì)一采區(qū)首采面2201工作面進(jìn)行開采時(shí)會(huì)遇見(jiàn)若干斷層,主要包括推進(jìn)距離984 m處5 m落差的正斷層以及若干小正斷層。在進(jìn)行巷道掘進(jìn)與工作面回采的同時(shí),將對(duì)施工造成一定的影響。表1為9#煤層巖石力學(xué)參數(shù)表。

表1 巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果表Table1 Rock physical and mechanical test results

2 數(shù)值模型的建立

本次數(shù)值模擬采用FLAC3D5.00對(duì)影響斷層活化深度的因素進(jìn)行分析[8-10]。以下為本次數(shù)值計(jì)算模型的建模方法:

由于鹿臺(tái)山煤礦地層傾角較小,假定模型內(nèi)各地層水平,厚度均勻,巖層內(nèi)部各向同性,并根據(jù)煤層頂?shù)装鍘r層的物理力學(xué)參數(shù)表建立研究范圍內(nèi)的井田模型。模型共35 800個(gè)單元體,尺寸為長(zhǎng)×寬×高=286 m×2 m×86 m,其中煤層厚度1.3 m。斷層落差取已知最大的斷層落差5 m,并采用庫(kù)倫滑動(dòng)分界面(Interface)進(jìn)行模擬。模型網(wǎng)格采用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型進(jìn)行分析計(jì)算,考慮重力g=-9.81 m/s2。模型邊界條件為:底部固支,側(cè)面限制水平位移,上部利用應(yīng)力邊界來(lái)模擬上覆巖層對(duì)模型的壓應(yīng)力。

本次數(shù)值模擬共建立如表2所示的3種不同參數(shù)的數(shù)值模型,以分析采空區(qū)管理方法和斷層本身性質(zhì)對(duì)斷層活化深度的影響。

表2 三種斷層活化數(shù)值模型參數(shù)表Table2 Parameters of three fault activation models

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1充填對(duì)斷層活化的影響

圖1 模型1開挖30 m模擬結(jié)果圖Fig.1 Simulation results of mining 30 m of Model 1

圖2 模型1開挖90 m模擬結(jié)果圖Fig.2 Simulation results of mining 90 m of Model 1

圖1為模型1開挖30 m模擬結(jié)果圖,圖2為模型1開挖90 m模擬結(jié)果圖。斷層內(nèi)聚力取0.5 MPa,開挖30 m即對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填,以防止老頂懸露面積過(guò)大。工作面推進(jìn)30 m時(shí),采空區(qū)對(duì)原巖應(yīng)力的擾動(dòng)未達(dá)到斷層,未對(duì)斷層產(chǎn)生顯著影響。此時(shí)斷層內(nèi)最大剪應(yīng)力為0.73 MPa,未開始活化。工作面推進(jìn)60 m時(shí),采空區(qū)對(duì)原巖應(yīng)力的擾動(dòng)已達(dá)到斷層,對(duì)斷層已產(chǎn)生一定影響。此時(shí)斷層內(nèi)最大剪應(yīng)力為3.24 MPa,但未超過(guò)斷層極限剪應(yīng)力,斷層未開始活化。工作面推進(jìn)90 m時(shí),采空區(qū)松動(dòng)圈已包絡(luò)斷層,此部分?jǐn)鄬痈浇怪睉?yīng)力近似于0,而水平應(yīng)力還維持在5 MPa～15 MPa之間,二向應(yīng)力之差使得斷層內(nèi)最大剪應(yīng)力峰值達(dá)到13 MPa左右,超過(guò)斷層極限剪應(yīng)力,斷層開始活化,斷層剪切運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樯媳P上升,活化深度為0 m～31.2 m。

3.2不充填對(duì)斷層活化的影響

圖3 模型2開挖30 m模擬結(jié)果圖Fig.3 Simulation results of mining 30 m of Model 2

圖4 模型2開挖90 m模擬結(jié)果圖Fig.4 Simulation results of mining 90 m of Model 2

圖3為模型2開挖30 m模擬結(jié)果圖,圖4為模型2開挖90 m模擬結(jié)果圖。斷層內(nèi)聚力取0.5 MPa,不對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填,因9號(hào)煤較薄(1.3 m)而頂板較堅(jiān)硬且較厚(石灰?guī)r8.6 m,砂質(zhì)泥巖7.0 m),采空區(qū)內(nèi)極易形成大面積老頂懸露。工作面推進(jìn)30 m時(shí),采空區(qū)對(duì)原巖應(yīng)力的擾動(dòng)未達(dá)到斷層,未對(duì)斷層產(chǎn)生顯著影響。此時(shí)斷層內(nèi)最大剪應(yīng)力為0.74 MPa,未開始活化,類似于模型1。工作面推進(jìn)60 m時(shí),采空區(qū)對(duì)原巖應(yīng)力的擾動(dòng)已達(dá)到小部分?jǐn)鄬?對(duì)小部分?jǐn)鄬右旬a(chǎn)生一定影響。此部分?jǐn)鄬痈浇怪睉?yīng)力約為20 MPa,而水平應(yīng)力約為6 MPa,二向應(yīng)力之差使得斷層內(nèi)最大剪應(yīng)力峰值達(dá)到5.31 MPa左右,超過(guò)斷層極限剪應(yīng)力,斷層開始活化,斷層剪切運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樯媳P下降,活化深度為18.9 m～24.0 m。工作面推進(jìn)90 m時(shí),采空區(qū)松動(dòng)圈已包絡(luò)全部底板斷層,此部分?jǐn)鄬痈浇怪睉?yīng)力近似于0,而水平應(yīng)力還維持在3 MPa～12 MPa之間,二向應(yīng)力之差使得斷層內(nèi)最大剪應(yīng)力峰值達(dá)到11 MPa左右,超過(guò)斷層極限剪應(yīng)力,斷層開始活化,斷層剪切運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樯媳P上升,活化深度以達(dá)到模型下部邊界,即>52.1 m。

3.3內(nèi)聚力對(duì)斷層活化的影響

圖5為模型3開挖30 m模擬結(jié)果圖,圖6為模型3開挖90 m模擬結(jié)果圖。斷層內(nèi)聚力取2 MPa,開挖30 m即對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填,以防止老頂懸露面積過(guò)大。工作面推進(jìn)30 m時(shí),采空區(qū)對(duì)原巖應(yīng)力的擾動(dòng)未達(dá)到斷層,未對(duì)斷層產(chǎn)生顯著影響。此時(shí)斷層內(nèi)最大剪應(yīng)力為0.72 MPa,未開始活化,類似于模型1。工作面推進(jìn)60 m時(shí),采空區(qū)對(duì)原巖應(yīng)力的擾動(dòng)已達(dá)到斷層,對(duì)斷層已產(chǎn)生一定影響。此時(shí)斷層內(nèi)最大剪應(yīng)力為3.24 MPa,但未超過(guò)斷層極限剪應(yīng)力,斷層未開始活化,類似于模型1。工作面推進(jìn)90 m時(shí),采空區(qū)松動(dòng)圈已包絡(luò)斷層,此部分?jǐn)鄬痈浇怪睉?yīng)力近似于0,而水平應(yīng)力還維持在5 MPa～13 MPa之間,二向應(yīng)力之差使得斷層內(nèi)最大剪應(yīng)力峰值達(dá)到12 MPa左右,超過(guò)斷層極限剪應(yīng)力,斷層開始活化,斷層剪切運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樯媳P上升,活化深度為0 m～21.5 m。

圖5 模型3開挖30 m模擬結(jié)果圖Fig. 5 Simulation results of mining 30m of Model 3

4 結(jié)論

1)采取放頂充填方式,斷層內(nèi)聚力為0.5 MPa,活化起始推進(jìn)距離為90 m,斷層活化深度為31.2 m;斷層內(nèi)聚力為2 MPa,活化起始推進(jìn)距離為90 m,斷層活化深度為21.5 m。

圖6 模型3開挖90m模擬結(jié)果圖Fig.6 Simulation results of mining 30m of Model 3

2)不采取放頂充填方式,斷層內(nèi)聚力為0.5 MPa,活化起始推進(jìn)距離為60 m,斷層活化深度為52.1 m,斷層面破壞嚴(yán)重,有可能形成導(dǎo)水通道。

3)針對(duì)煤層較薄而頂板較厚較堅(jiān)硬的情況,采空區(qū)頂板管理方法和斷層自身性質(zhì)為斷層活化深度的主要影響因素,工作面在過(guò)斷層時(shí)應(yīng)采區(qū)放頂措施對(duì)采空區(qū)進(jìn)行填充,降低斷層的活化對(duì)工作面的影響。

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NumericalSimulationofFaultActivationonThinCoalSeamWorkingFace

HAORuiyun,GUOWuping
(InstituteofScienceandTechnologyCo.,Ltd.,ShanxiCoalImport&ExportGroup,Taiyuan030006,China)

With thin coal seams as well as thicker and harder roofs, the caving face was affected by fault activation in the advancing process. Numerical simulation was used to compare the different advancing distances, roof management approaches, fault inclination angles, fault internal friction angles, and fault cohesion. The results show, with the top coal filling method, the cohesive force is 2 MPa, the starting advancing distance of the fault activation is 90 m, and the depth is 21.5; without the top coal filling method, the cohesive force is 0.5 MPa, the starting advancing distance of the fault activation is 60 m, and the depth is 52.1.In addition, since the fault face is severely damaged, it is possible to form water channels.

Thin coal seam; Fault activation; internal friction Angle;forward distance

1672-5050(2017)03-0015-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.005

2017-04-03

郝瑞云(1989-),男,山西交城人,碩士,從事煤礦安全管理工作。

TD823.81

A

(編輯:劉新光)