逆斷層下盤開采對沖擊地壓的誘導(dǎo)規(guī)律分析

束佳明 賈江鋒 張 臣 馬 寧

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

隨著煤炭資源的不斷開發(fā)，礦井開采深度不斷增大，地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，礦井沖擊地壓等地質(zhì)災(zāi)害日益嚴重。根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況及實測數(shù)據(jù)，在斷層、褶曲構(gòu)造帶或煤層傾角變化帶等區(qū)域，易誘發(fā)沖擊地壓等地質(zhì)災(zāi)害。斷層作為礦井最為常見的地質(zhì)構(gòu)造，切割巖層的連續(xù)性，礦壓分布規(guī)律受斷層影響十分明顯。

現(xiàn)階段，針對斷層附近礦山壓力顯現(xiàn)特征及沖擊地壓的誘發(fā)，我國科學(xué)工作者已進行了大量的研究。代進等采用基本頂斷裂巖塊鉸接平衡理論，通過研究不同開采順序下，工作面采空區(qū)基本頂荷載在斷層兩側(cè)的傳遞規(guī)律和差異性，并結(jié)合實際現(xiàn)場，得出了斷層上盤先行開采時，斷層的載荷傳遞系數(shù)較大，上盤斷層煤柱壓力小，下盤煤體壓力較大；李志華等采用了斷層滑移失穩(wěn)相似模擬試驗及數(shù)值模擬，研究了斷層附近工作面上下盤開采順序，通過對比分析得出工作面位于斷層下盤時沖擊礦壓危險性遠高于工作面位于上盤時的危險性。根據(jù)地質(zhì)力學(xué)觀點，逆斷層構(gòu)造附近更易發(fā)生沖擊地壓等動力災(zāi)害，這是由于在水平方向的構(gòu)造應(yīng)力強烈擠壓作用下，斷層上下盤圍巖更容易發(fā)生彎曲，易積聚大量的彈性能。一旦斷層上下兩盤發(fā)生相對滑動將直接導(dǎo)致斷層帶圍巖積聚對的彈性能瞬間釋放，造成礦山傷亡事故。

本文以鮑店煤礦73上09工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，通過對比不同尺寸的斷層煤柱，研究逆斷層下盤工作面開采時頂板垂直應(yīng)力分布、煤壁下沉量及斷層的相對滑移量，進而分析誘導(dǎo)沖擊地壓的發(fā)生的規(guī)律。

1 UDEC數(shù)值計算模型

UDEC是處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序，適用于模擬含節(jié)理或結(jié)構(gòu)面不連續(xù)塊體集合問題，能夠滿足研究需要。以鮑店煤礦73上09工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，針對逆斷層下盤工作面開采，建立UDEC數(shù)值計算模型。

考慮邊界效應(yīng)，數(shù)值計算模型長550 m，高155 m，兩側(cè)各留設(shè)50 m邊界煤柱，采空區(qū)長度為120 m。數(shù)值計算模型如圖1所示。頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)見表1。斷層巖石物理力學(xué)參數(shù)如下：剪切模量1.52 MPa，體積模量2.30 MPa，容重2700 kg/m3，粘聚力0.05 MPa，內(nèi)摩擦角16°，抗拉強度0.04 MPa。為減少模型運算時間，模型邊界附近網(wǎng)格劃分相對稀疏。

圖1 數(shù)值計算模型

巖性厚度/m剪切模量/GPa體積模量/GPa容重/kg·m-3粘聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)粉砂巖244.848.8227503.3030砂質(zhì)泥巖101.002.1723601.3038粉砂巖124.848.8227503.3030細砂巖103.387.8727003.2628泥巖61.002.1723601.3038煤層82.173.6823602.1025粗砂巖83.36.8726903.1628砂質(zhì)泥巖151.002.1723601.3038細砂巖123.387.8727003.2628粉砂巖304.848.8227503.3030

計算模型底部邊界采用全約束邊界條件，左右兩側(cè)邊界采用水平方向約束、豎直方向自由的邊界條件，頂端采用自由邊界條件。模擬工作面埋深400 m，模型頂板巖層高90 m，上部未模擬巖層自重以均布載荷垂直施加于模型頂端，因此補償載荷為7.75 MPa。

考慮到模型邊界的合理性，實際觀測表明，采空區(qū)的長度和寬度均達到和超過1.2～1.4H0(H0為平均開采深度)時，地表可達到充分采動。因此對于模型采空區(qū)長度為120 m時，地表達到充分采動。

2 逆斷層下盤工作面采動應(yīng)力分布及斷層滑移規(guī)律分析

2.1 下盤工作面支承壓力演變規(guī)律

在模型下盤煤層中分別設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測線，監(jiān)測工作面距斷層45 m、35 m、25 m、15 m和5 m時的應(yīng)力狀態(tài)，得到工作面超前支承應(yīng)力演化規(guī)律，煤柱垂直應(yīng)力分布如圖2所示。

由圖2可以看出，當工作面距離斷層超過45 m時，工作面超前支承應(yīng)力分布形式基本不變，表明斷層對工作面的支承應(yīng)力影響不大。但由于工作面直接頂為硬厚粗砂巖，易形成大面積懸頂，工作面應(yīng)力集中程度高。

圖2 下盤工作不同寬度斷層煤柱應(yīng)力分布

當工作面距離斷層25～45 m時，受斷層切割煤體影響，斷層與工作面之間形成大煤柱，煤巖體應(yīng)力集中明顯，并隨著工作面向斷層推進而逐漸升高，頂板與煤體均處在高應(yīng)力狀態(tài)下，煤柱最大應(yīng)力達到26.7 MPa(距離斷層25 m)；應(yīng)力峰值區(qū)間縮小，應(yīng)力峰值與煤壁間的距離縮短。斷層下盤工作面前方煤巖體積聚了大量的彈性能，斷層煤柱區(qū)域工作面巷道發(fā)生高應(yīng)力沖擊危險性較高。

下盤工作面距離斷層5～15 m時，工作面進入小煤柱支承階段，工作面的開采對斷層的構(gòu)造應(yīng)力的影響也達到最大，超前支承應(yīng)力影響區(qū)轉(zhuǎn)移至上盤，下盤應(yīng)力全部降低，高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移至上盤。由于小煤柱發(fā)生較為劇烈的塑性破壞，承載能力顯著降低，小煤柱應(yīng)力降低，應(yīng)力峰值降低6.5～18.95 MPa，峰值位置距煤壁位置也降低至2～7 m。此階段，斷層下盤煤柱若突然發(fā)生脆性破壞，極易誘發(fā)動載型沖擊災(zāi)害。

2.2 煤壁上方頂板沉降速度分析

在煤壁上方5 m處布置監(jiān)測點，采用History命令，記錄工作面每次開挖后煤壁上方頂板下沉量的歷史值，得出其運動曲線圖，曲線的斜率反映頂板的下沉速率。提取下盤工作面每次開挖計算8000步的數(shù)據(jù)(運行5000步左右時已基本達到平衡狀態(tài))，繪制出下盤工作面開挖頂板運動曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出，下盤工作面距斷層25～55 m時，受斷層切割影響，大煤柱支承狀態(tài)下，煤巖體處于高應(yīng)力狀態(tài)，但大煤柱的支承能力強，煤壁上方的最大位移僅由1.38 m增至1.68 m，位移及下沉速率均較少，易誘發(fā)高應(yīng)力型沖擊災(zāi)害。當工作面距斷層15 m時，進入小煤柱護巷階段，煤柱所承受的上覆載荷減少，且承載能力顯著降低，煤柱破壞嚴重，此時的頂板位移激增至2.02 m，下沉速率明顯增大，頂板運動釋放較多能量，易誘發(fā)煤巖體整體失穩(wěn)型沖擊災(zāi)害。當工作面距離斷層5 m時，煤柱進一步破壞，下沉量仍較大，易誘發(fā)頂板沉降型沖擊災(zāi)害。

圖3 下盤開采頂板運動曲線

2.3 斷層面相對滑移量分析

為研究斷層面的滑移量，在平行于斷層面的上盤和下盤布置等高的監(jiān)測點，采用History命令，記錄工作面每次開挖后監(jiān)測點下沉量的歷史值，取斷層上盤和下盤的位移的差值，可作為斷層面滑移量，如圖4所示。

圖4 下盤開采斷層滑移量變化曲線

由圖4可知，斷層面的相對滑移量隨著工作面距斷層的距離增大而減小，斷層與工作面之間的距離越近，斷層面相對滑移量越大。當下盤工作面距斷層25～55m時，斷層的滑移量從0.416 m增加至0.495 m，斷層滑移速率及滑移量較小。工作面距斷層15 m時，斷層的滑移量與滑移速率均有明顯的變化，滑移增加0.05 m，煤柱受上覆巖層垮落影響而發(fā)生破壞，釋放較多的能量，易發(fā)生煤巖體整體失穩(wěn)型沖擊災(zāi)害。當工作面距離斷層5 m時，煤柱進一步破壞，此時的斷層滑移量也達到最大值0.61 m，易誘發(fā)頂板沉降型沖擊災(zāi)害。

2.4 小結(jié)

當工作面與斷層之間留煤柱超過15 m時，煤巖體處于高應(yīng)力狀態(tài)下，頂板下沉量及其下沉速率、斷層滑移量均較小，易誘發(fā)高應(yīng)力型沖擊災(zāi)害；當工作面與斷層之間留設(shè)小煤柱時，煤巖體發(fā)生破壞，下盤應(yīng)力降低，高應(yīng)力區(qū)全部轉(zhuǎn)移至上盤，而頂板下沉量及其下沉速率、斷層滑移量較大，易誘發(fā)頂板沉降型沖擊災(zāi)害。

3 結(jié)論

(1)隨著開挖不斷接近斷層，斷層帶附近應(yīng)力不斷集中，進入小煤柱支承階段，下盤工作面應(yīng)力降低，高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移至上盤；

(2)頂板位移及其沉降速率、斷層滑移量隨煤柱的增大而減小，表明工作面距離斷層近，越易發(fā)生沖擊地壓；

(3)逆斷層下盤開采時，大煤柱支承階段，煤巖體處于高應(yīng)力狀態(tài)，主要以應(yīng)力型沖擊災(zāi)害為主，可采取煤層注水、大直徑鉆孔卸壓等措施進行處理；進入小煤柱階段，煤柱承載能力降低，易誘發(fā)頂板沉降型沖擊災(zāi)害，此階段應(yīng)時刻監(jiān)測礦壓數(shù)據(jù)，對端頭處加強支護護。