木瓜礦斷層對(duì)工作面開采應(yīng)力影響數(shù)值模擬分析

溫 敏

(霍州煤電集團(tuán)團(tuán)柏煤礦)

斷層是由地殼破裂形成的沿破裂表面相對(duì)移動(dòng)的巖石，其嚴(yán)重影響地質(zhì)構(gòu)造的穩(wěn)定性，對(duì)采煤工作面安全生產(chǎn)有很大的影響[1-4]。斷層構(gòu)造附近煤巖物理力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致工作面推進(jìn)礦壓顯現(xiàn)與正常表現(xiàn)不同，周圍巖體的應(yīng)力傳遞和塑性區(qū)發(fā)育在斷層上下盤出現(xiàn)很大差異[5-7]。針對(duì)工作面過斷層期間的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，研究人員做了大量卓有成效的工作，本文基于已有的研究基礎(chǔ)，對(duì)木瓜礦10煤工作面過斷層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期為工作面安全開采提供理論依據(jù)。

1 工程概況

木瓜煤礦10-211工作面北鄰10-213采空區(qū)，南鄰10-209采空區(qū)，西鄰井田邊界，靠近風(fēng)氧化帶及西縱高速公路保安煤柱，東鄰二采區(qū)3條大巷。工作面標(biāo)高為+851～+895 m，地面標(biāo)高為+1 095～+1 225 m。工作面走向長1 195 m，傾向長296 m，煤層厚2.92～3.12 m，平均為3.02 m，煤層傾角為3°～7°，平均為5°，為近水平煤層。工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚1.0 m，致密較硬，中厚層狀構(gòu)造；基本頂為粗砂巖，平均厚5.0 m，厚層狀、棱角狀，泥質(zhì)膠結(jié)；直接底為泥巖，平均厚1.0 m，灰黑色，平坦?fàn)?；基本底為?xì)砂巖，平均厚4.0 m，致密堅(jiān)硬。

工作面在掘進(jìn)過程中共揭露2條斷層，回采區(qū)域預(yù)計(jì)會(huì)遇見F1、F22條斷層，落差最小為0.5 m，最大為2.1 m，斷層產(chǎn)狀見表1。F1、F2斷層對(duì)回采工作會(huì)造成一定影響，為此研究存在斷層情況下的煤層回采應(yīng)力分布規(guī)律，保證回采工作的安全穩(wěn)定。

表1 斷層產(chǎn)狀信息

2 斷層數(shù)值模型建立

本次斷層模擬設(shè)計(jì)選取10-211工作面F2斷層為工程背景，煤層平均厚度取3.0 m，平均埋深為300 m，采用單一走向長壁綜合機(jī)械化采煤法，工作面頂板采取全部垮落法管理。建立的數(shù)值模型尺寸為70 m×100 m×58 m(長×寬×高)，斷層傾角為40°，斷距為2.0 m，模型共計(jì)596 000個(gè)塊體。模型整體按照近水平建立，四周固定位移約束，底部采取固定約束，上部為自由邊界，并施加6.7 MPa垂直應(yīng)力模擬上覆巖重，模型四周各留設(shè)10 m煤體以消除邊界效應(yīng)，建立的三維模型見圖1。計(jì)算采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，所需煤巖物理力學(xué)參數(shù)可參照文獻(xiàn)[8]，具體見表2。斷層的剛度選取模型最硬剛度的5‰，其他參數(shù)均選取為5%。

圖1 三維計(jì)算模型

3 工作面過斷層數(shù)值模擬結(jié)果分析

方案一按照實(shí)際生產(chǎn)中10-211工作面推進(jìn)過程中遇到的斷層為正斷層，在模型初始應(yīng)力平衡后，從模型左側(cè)開挖，開挖步距為5 m，每開挖一次進(jìn)行一次應(yīng)力平衡，分析斷層兩側(cè)垂直應(yīng)力變化規(guī)律，布置的監(jiān)測點(diǎn)位于煤層頂板2 m上泥巖巖層內(nèi)；方案二采取從模型右側(cè)開挖，開挖步距與監(jiān)測點(diǎn)布置與方案一相同，進(jìn)行工作面過逆斷層的對(duì)比分析。

表2 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

3.1 工作面過正斷層頂板垂直應(yīng)力分析

按照木瓜礦10-211工作面實(shí)際推進(jìn)過正斷層頂板垂直應(yīng)力變化情況見圖2。

圖2 工作面過正斷層頂板垂直應(yīng)力變化特征

從圖2可知，工作面推進(jìn)5 m至推進(jìn)25 m時(shí)，工作面前方超前支承應(yīng)力峰值逐漸增大，從6.7 MPa 增加到12.7 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)從1.0增加到1.9，采空區(qū)后方支承應(yīng)力也逐步增加，從9.3 MPa 增加到13.3 MPa；模型斷層位置在X方向37 m處，隨著工作面向前推進(jìn)，從5 m增加至 25 m，超前支承應(yīng)力影響范圍逐漸減小，以斷層所在位置為界限，在斷層位置應(yīng)力值突然降低，超前支承應(yīng)力影響范圍也被截?cái)?，工作面繼續(xù)向前推進(jìn)至30，35 m 時(shí)，雖仍未過斷層，但從垂直應(yīng)力值分布來看，此時(shí)監(jiān)測點(diǎn)已處于斷層影響范圍之內(nèi)，當(dāng)工作面繼續(xù)推過斷層后，工作面超前支承應(yīng)力急劇上升，隨著采空區(qū)范圍的增大，超前支承應(yīng)力峰值達(dá)到19.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.9，之后工作面垂直應(yīng)力特征即與常規(guī)工作面相似。

因此，工作面過正斷層時(shí)，從頂板垂直應(yīng)力變化特征可以得出，工作面在推進(jìn)至距正斷層10～12 m之前時(shí)，頂板垂直應(yīng)力變化隨著推進(jìn)距離的增加而呈現(xiàn)周期性變化，變化幅度越靠近斷層位置越劇烈；工作面正斷層的影響范圍在20 m左右，即斷層前后各10 m，推過斷層10 m后，頂板應(yīng)力變化特征繼續(xù)呈現(xiàn)周期性規(guī)律，逐漸與常規(guī)工作面類似。

3.2 工作面過逆斷層頂板垂直應(yīng)力分析

工作面過正斷層應(yīng)力監(jiān)測分析后，為更好地研究斷層對(duì)工作面開采應(yīng)力的影響特征，采取工作面反向推進(jìn),模擬過逆斷層時(shí)的頂板應(yīng)力變化情況見圖3。

圖3 工作面過逆斷層頂板垂直應(yīng)力變化特征

從圖3可知，工作面推進(jìn)5 m至推進(jìn)20 m時(shí)，工作面前方超前支承應(yīng)力周期性規(guī)律并不顯著，且垂直應(yīng)力峰值在越靠近斷層位置受到的影響越大，應(yīng)力峰值不增反減，從6.7 MPa減小到5.9 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)從1.0降低到0.9，但采空區(qū)后方支承應(yīng)力逐步增加，從14.4 MPa增加到17.5 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)從2.1增加到2.6；隨著工作面向前推進(jìn)，從5 m增加至20 m，超前支承應(yīng)力影響范圍逐漸減小，以斷層所在位置為界限，在斷層位置應(yīng)力值突然降低，超前支承應(yīng)力影響范圍也被截?cái)啵ぷ髅胬^續(xù)向前推進(jìn)至25，30 m直至50 m時(shí)，工作面已經(jīng)推過逆斷層，垂直應(yīng)力分布規(guī)律又呈現(xiàn)出周期性變化，工作面超前支承應(yīng)力峰值由8.8 MPa增加到19.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)從1.3增加到2.9，推進(jìn)30 m 之后，工作面垂直應(yīng)力變化特征即與常規(guī)工作面相似。

因此，工作面過逆斷層時(shí)，從頂板垂直應(yīng)力變化特征可以得出，垂直應(yīng)力在工作面推進(jìn)至斷層之前均未出現(xiàn)任何規(guī)律性變化，頂板垂直應(yīng)力隨推進(jìn)工作面距離減小而變小；工作面推過斷層之后，超前支承應(yīng)力很快出現(xiàn)周期性變化規(guī)律，逆斷層的影響范圍主要表現(xiàn)在推過斷層之前10～15 m，推過斷層之后即與常規(guī)工作面壓力規(guī)律類似。

針對(duì)工作面過斷層時(shí)的應(yīng)力分布結(jié)果，對(duì)礦壓規(guī)律變化分析可知，原因主要有以下兩點(diǎn)：

(1)當(dāng)工作面過正斷層時(shí)，工作面從斷層下盤往斷層上盤推進(jìn)，需要先開挖一部分頂板進(jìn)而轉(zhuǎn)到煤層中繼續(xù)推進(jìn)，此時(shí)斷層下盤承受較高的采動(dòng)支承壓力，由于斷層本身是一個(gè)弱面，對(duì)應(yīng)力傳遞產(chǎn)生了阻隔作用，導(dǎo)致斷層接觸面兩側(cè)應(yīng)力值差別較大。

(2)當(dāng)工作面過逆斷層時(shí)，工作面從上盤往下盤推進(jìn)，需要先開挖一部分底板進(jìn)而轉(zhuǎn)到煤層中推進(jìn)，此時(shí)斷層上盤承受較高的應(yīng)力，與過正斷層時(shí)類似，應(yīng)力傳遞被阻斷，在斷層弱面處出現(xiàn)應(yīng)力突變。

因此，無論工作面過正斷層或逆斷層，斷層弱面的存在導(dǎo)致斷層上下兩盤應(yīng)力變化規(guī)律并不連續(xù)，在斷層處出現(xiàn)一定程度的變化。所以在工作面過斷層時(shí)，加強(qiáng)相應(yīng)斷層影響區(qū)域的應(yīng)力監(jiān)測，防止出現(xiàn)工作面所受應(yīng)力的突變而造成工作面設(shè)備或人員事故是十分重要的。

4 結(jié) 論

(1)正斷層與逆斷層整體礦壓規(guī)律顯現(xiàn)類似，工作面開采中正斷層對(duì)工作面影響程度在20 m，大于逆斷層10～15 m的影響范圍。

(2)由于斷層的存在，礦壓規(guī)律周期性變化在斷層處出現(xiàn)應(yīng)力突變，工作面在斷層上下盤的應(yīng)力值差別較大，加強(qiáng)工作面過斷層時(shí)的礦壓監(jiān)測是規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的有效途徑。

(3)通過對(duì)木瓜礦工作面過斷層的礦壓規(guī)律研究，對(duì)礦井生產(chǎn)實(shí)踐提供了指導(dǎo)，同時(shí)也為相似地質(zhì)條件下工作面生產(chǎn)提供借鑒。