斷層影響區(qū)煤厚變異帶對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害的影響分析

譙永剛

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

斷層作為煤礦生產(chǎn)中一種常見的地質(zhì)構(gòu)造，它不僅破壞了煤層的連續(xù)性、完整性與可采性，還會(huì)誘發(fā)重大的惡性事故，威脅煤炭的安全回采。大量研究表明[1-6]，斷層周圍構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)域通常會(huì)出現(xiàn)較為發(fā)育的構(gòu)造煤以及封閉著高能瓦斯，為煤與瓦斯突出創(chuàng)造了良好條件。在采掘過程中，所形成的高采動(dòng)應(yīng)力使煤巖體易于發(fā)生失穩(wěn)破壞，同時(shí)由于卸載的作用，會(huì)造成瓦斯大量解吸而異常涌出，這就會(huì)誘發(fā)煤與瓦斯突出、沖擊地壓、瓦斯爆炸等煤巖動(dòng)力災(zāi)害。如，阜新孫家灣煤礦“2·14”特大事故，直接原因是斷層構(gòu)造誘發(fā)了沖擊地壓，導(dǎo)致瓦斯異常涌出而發(fā)生瓦斯爆炸。另外，在形成斷層的地層運(yùn)動(dòng)中，煤層會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)，造成斷層影響范圍內(nèi)出現(xiàn)煤層厚度變異區(qū)，在煤厚變異區(qū)與斷層疊加作用下往往會(huì)出現(xiàn)地應(yīng)力異常，在煤層回采期間更容易引發(fā)煤巖動(dòng)力災(zāi)害[7-8]。目前大多數(shù)研究把斷層、煤層厚度進(jìn)行單獨(dú)考慮，而沒有充分考慮斷層與煤層厚薄突變的疊加作用。如，李志華[4]通過相似模擬實(shí)驗(yàn)分析了開采上下盤對(duì)超前支承壓力、頂板下沉量等影響。孟召平、彭蘇萍等人[5-6]通過現(xiàn)場(chǎng)觀察和數(shù)值模擬等方法分析了采動(dòng)影響下斷層帶應(yīng)力場(chǎng)的變化。孫振武[7]通過數(shù)值模擬研究了原巖應(yīng)力狀態(tài)下煤厚變異區(qū)垂直應(yīng)力的分布規(guī)律。趙同彬[8]研究了煤厚變異區(qū)內(nèi)發(fā)生沖擊地壓的力學(xué)機(jī)制，初步探討了超前支承壓力對(duì)煤厚變異區(qū)的影響。為此，以潘一礦1361（3）工作面為工程背景為，針對(duì)鄰近F5斷層回采時(shí)發(fā)生的煤與瓦斯突出事件展開詳細(xì)分析，利用FLAC3D數(shù)值模擬分析鄰近斷層由厚煤區(qū)向薄煤區(qū)和由薄煤向厚煤區(qū)回采時(shí)，工作面超前移動(dòng)支承壓力的分布規(guī)律，這將對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警與防治提供一定的理論依據(jù)。

1 潘一礦煤與瓦斯突出共性因素分析

潘一礦是典型的煤與瓦斯突出礦井，位于潘集背斜南翼及東南部轉(zhuǎn)折端南翼。地層走向自東向西為 N30°E-N60°W，傾向 SE-SW，傾角由淺入深逐漸變緩。井田內(nèi)以斜切張扭性斷層為主，壓扭性斷層次之。自1979年到1997年在一水平共發(fā)生煤與瓦斯突出14次，采用克里金插值方法生成煤層等厚線圖，通過統(tǒng)計(jì)分析事故發(fā)生地點(diǎn)的地質(zhì)因素（圖1），事故大多集中在煤厚變化較大的區(qū)域與F4、F5斷層構(gòu)造附近。也就是說，斷層、煤厚變化突變或二者疊加作用是煤與瓦斯突出的主要影響因素。

圖1 潘一礦一水平13-1煤層厚度等值線與突出點(diǎn)分布圖

2 1361(3)工作面煤與瓦斯突出典型事故分析

2.1 事故工作面概況

在眾多突出事件中，選取其中1件典型的突出案例展開研究，即1986年11月14日在1361（3）工作面回采時(shí)發(fā)生的煤與瓦斯突出事件。

1361（3）回采工作面主采煤層13-1，煤層傾角為6°，煤厚2.02～8.18 m，平均4.44 m，變異系數(shù)25.26%，可采性指數(shù)為1，較穩(wěn)定。煤層結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)單至復(fù)雜，半數(shù)以上見煤點(diǎn)有1~2層夾矸，夾矸為炭質(zhì)泥巖、泥巖；煤層有東厚西薄、下厚上薄的趨勢(shì)。該工作面近鄰F5逆斷層，此斷層為跨潘一、潘三井田及西北部邊界斷層，其產(chǎn)狀為自東向西，走向SEEW-SW，變化較大，傾向由SW逐漸變?yōu)镾SE，落差20～80 m，井田內(nèi)水平延展長(zhǎng)度約8 000 m，貫穿井田東西。斷層面有扭曲現(xiàn)象，斷層破碎帶一般寬3~5 m，帶內(nèi)多為黏土巖屑及煤屑充填。斷層兩盤煤巖層牽引明顯，斷層附近煤巖傾角明顯增大至50°以上，但影響范圍不大，一般不大于50 m。具體突出事件發(fā)生位置如圖2。

圖2 突出事件位置

鉆孔柱狀圖如圖3。工作面距離距離地表540 m，13-1煤層直接頂巖性多以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主；底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖；基本頂巖性以粉砂巖、細(xì)砂巖為主，致密性較好，對(duì)煤層瓦斯具有良好的封存作用。

圖3 鉆孔柱狀圖

2.2 事故分析

F4斷層為斜切平移正斷層，F(xiàn)5斷層為壓扭性逆斷層，壓扭性斷層主要受水平壓應(yīng)力擠壓作用，該類斷層附近往往存在較大的構(gòu)造應(yīng)力，可以有效地封存瓦斯。2斷層的形成說明此區(qū)域經(jīng)過較為強(qiáng)烈的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生煤層厚薄變化帶。從突出事件的統(tǒng)計(jì)來看，煤層厚度變化劇烈區(qū)域與斷層構(gòu)造附近的疊加影響區(qū)是煤巖動(dòng)力災(zāi)害的多發(fā)危險(xiǎn)區(qū)域。

3 斷層與煤厚變異影響區(qū)應(yīng)力分布規(guī)律

3.1 原巖地應(yīng)力環(huán)境

潘一礦-530 m水平的最大主應(yīng)力值為17.14 MPa，方位角 235.4°，傾角為-3.0°；中間主應(yīng)力為自重應(yīng)力，應(yīng)力值為10.01 MPa；最小主應(yīng)力為近SN向水平應(yīng)力，應(yīng)力值為7.38 MPa[9]?？梢?，潘一礦地應(yīng)力以水平壓應(yīng)力占優(yōu)。

3.2 數(shù)值模型

模型尺寸為 x×y×z為 600 m×100 m×100 m，煤巖層傾角取為0°。模型底部固定，頂端施加垂直向下載荷10 MPa，模型四周施加法向正應(yīng)力與切向剪應(yīng)力。本構(gòu)模型采用Mohr-Column,數(shù)值模型如圖4。取斷層落差30 m，選取8 m長(zhǎng)的煤厚變異區(qū)為研究范圍，變異區(qū)煤厚由5 m變?yōu)? m。重點(diǎn)分析臨近斷層區(qū)域且由厚煤向薄煤帶回采以及由薄煤向厚煤帶回采過程中煤厚變異區(qū)附近的垂直應(yīng)力分布規(guī)律。參考工程實(shí)際背景，確定頂板初次來壓30 m，周期來壓20 m。模型中的煤巖力學(xué)參數(shù)見表1。

圖4 數(shù)值模型

表1 力學(xué)參數(shù)表

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 靠近斷層且由厚煤向薄煤區(qū)開采

工作面向薄煤層方向回采垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖5。在斷層上盤且回采工作面由厚煤向薄煤區(qū)推進(jìn)過程中，當(dāng)工作面距煤厚變異區(qū)10 m左右時(shí)，超前工作面的變異區(qū)且臨近變異區(qū)的薄煤層出現(xiàn)了高度應(yīng)力集中，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到28 MPa左右，此時(shí)主要是煤厚變異區(qū)對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)的影響；當(dāng)推進(jìn)至變異區(qū)時(shí)，超前工作面應(yīng)力峰值前移至變薄臨界點(diǎn)與薄煤層中，應(yīng)力集中范圍增大，應(yīng)力峰值達(dá)到29 MPa左右，此時(shí)斷層對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)的作用開始顯現(xiàn)；當(dāng)工作面進(jìn)入變異區(qū)時(shí)，超前工作面應(yīng)力峰值前移至薄煤層中，并超過了30 MPa，主要是受到煤厚變異區(qū)與斷層對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)的疊加作用影響。當(dāng)工作面越過變異區(qū)時(shí)，完全在薄煤層開采過程中，超前工作面應(yīng)力在斷層附近產(chǎn)生集中現(xiàn)象，此時(shí)主要受到斷層對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)的影響。

3.3.2 遠(yuǎn)離斷層且由薄煤向厚煤區(qū)開采

在斷層上盤且回采工作面由薄煤向厚煤區(qū)推進(jìn)過程中垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖6，當(dāng)工作面在距離變異區(qū)28 m處時(shí)，煤厚變異區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力集中，超前應(yīng)力峰值達(dá)到18 MPa左右，但斷層對(duì)超前工作面應(yīng)力場(chǎng)無影響，主要是對(duì)下盤斷層帶附近產(chǎn)生了很大影響，出現(xiàn)了高度應(yīng)力集中現(xiàn)象；當(dāng)工作面距離變異點(diǎn)20 m時(shí)，煤厚變異區(qū)的應(yīng)力峰值達(dá)到20 MPa；當(dāng)回采至變異區(qū)與越過變異區(qū)時(shí)，超前工作面應(yīng)力集中帶前移至厚煤層中，應(yīng)力峰值不超過25 MPa。

3.3.3 工作面應(yīng)力分布規(guī)律

超前工作面垂直應(yīng)力分布曲線圖如圖7。由圖7（a）可知，在厚煤層回采且遠(yuǎn)離煤厚變異區(qū)時(shí)，即當(dāng)工作面距離煤厚變異區(qū)大于20 m時(shí)，工作面前方應(yīng)力峰值相對(duì)較小，煤厚變異區(qū)與斷層對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)無明顯作用；當(dāng)鄰近煤厚變異區(qū)回采時(shí)，即當(dāng)工作面距變異區(qū)距離小于20 m時(shí)，煤厚變異區(qū)對(duì)工作面前方的應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響，此時(shí)斷層并無明顯作用，應(yīng)力曲線呈“雙峰”形態(tài)，即在變異區(qū)附近位置出現(xiàn)應(yīng)力突然升高，隨后在該位置前方迅速下降，最終應(yīng)力在薄煤層中升高至峰值；當(dāng)工作面推進(jìn)至變異區(qū)時(shí)，逐漸靠近斷層，斷層對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)影響開始顯現(xiàn)，超前工作面應(yīng)力峰值增加；當(dāng)越過變異時(shí)，斷層對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)的影響起主導(dǎo)作用，此時(shí)應(yīng)力曲線呈現(xiàn)“單峰”形態(tài)，應(yīng)力峰值有所下降。

由圖7（b）可知，在薄煤層回采且遠(yuǎn)離變異區(qū)時(shí)，即距離斷層20 m時(shí)，此時(shí)正遠(yuǎn)離煤厚變異區(qū)20 m，斷層與煤厚變異區(qū)對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)影響很小，應(yīng)力峰值較小。當(dāng)工作面距離變異區(qū)10 m時(shí)，受到變異區(qū)影響有所顯現(xiàn)；當(dāng)回采至變異區(qū)時(shí)，在變異區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了應(yīng)力升高，隨后應(yīng)力下降，在厚煤層達(dá)到應(yīng)力峰值，應(yīng)力曲線呈“雙峰”形態(tài)；當(dāng)工作面越過變異區(qū)進(jìn)入厚煤層時(shí)，工作面應(yīng)力峰值增大，但對(duì)比向薄煤層方向開采時(shí)，其峰值較小。

圖5 工作面向薄煤層方向回采垂直應(yīng)力分布規(guī)律

圖6 工作面向厚煤層方向回采垂直應(yīng)力分布規(guī)律

綜上所述，從應(yīng)力場(chǎng)的角度出發(fā)，靠近斷層由厚向薄煤層開采較遠(yuǎn)離斷層由薄煤向厚煤層開采時(shí)，應(yīng)力集中程度更高，更容易使得煤巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞，破壞過程中會(huì)造成大量的瓦斯解吸，進(jìn)而誘發(fā)煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害。因此，應(yīng)該盡量使工作面遠(yuǎn)離斷層以及由薄煤層向厚煤層開采。

4 結(jié)論

1）煤層厚度變化劇烈區(qū)域與斷層構(gòu)造附近通常存在應(yīng)力與瓦斯異常現(xiàn)象，尤其二者的疊加耦合作用更易誘發(fā)煤與瓦斯突出災(zāi)害，成為煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的高危區(qū)域。

圖7 超前工作面垂直應(yīng)力分布曲線圖

2）在回采階段，靠近斷層由厚向薄煤層開采較遠(yuǎn)離斷層由薄煤向厚煤層開采時(shí)，超前工作面應(yīng)力集中程度更高，更易使得煤巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞，引發(fā)煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害。