工作面斷層活化帶應(yīng)力分析及穩(wěn)定性研究

崔禮韜

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

1 引言

山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司6采區(qū)目前正在開采3601綜放工作面。2018年12月12日，工作面正常推進(jìn)過程遇到F11逆斷層，且工作面位于斷層的下盤。為保證工作面順利通過斷層，采煤機(jī)減小推進(jìn)速度，調(diào)整采煤參數(shù)。2019年2月18日，3601綜放工作面通過逆斷層期間，工作面頂板礦壓顯現(xiàn)明顯，液壓支架有壓架趨勢，煤壁片幫嚴(yán)重，工作面穩(wěn)定性及正常生產(chǎn)受到很大影響。經(jīng)技術(shù)人員查看地質(zhì)資料：通過斷層部分的工作面頂板巖層賦存條件復(fù)雜，基巖風(fēng)化程度較高。加之受采動影響，極容易引起斷層活化，進(jìn)而導(dǎo)致采場圍巖的控制效果突然惡化，給工作面造成沖擊風(fēng)險。為保證工作面順利通過采場圍巖惡化帶，煤層開采前在上、下平巷自工作面切眼處每隔50m布置一組檢波器，對工作面的微震事件進(jìn)行監(jiān)測，判斷工作面通過的斷層是否已活化。檢波器隨著工作面的推進(jìn)隨時安拆，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對煤巖體的應(yīng)力情況進(jìn)行分析，提出穩(wěn)定性措施與建議。

2 斷層活化性判斷

2.1 3601工作面概況

經(jīng)坊礦6采區(qū)3601綜放工作面開采煤層埋深299.8～193.2m，工作面主采煤層為3號煤，煤質(zhì)中硬偏上，節(jié)理裂隙發(fā)育。煤層平均厚度為6.2m，采放比為1:2.1，采用長壁采煤法，輕型放頂煤采煤工藝。3號煤層開采后，將破壞山西組砂巖裂隙含水層。含水層主要為中、細(xì)砂巖，本層砂巖裂隙不發(fā)育，鉆孔單位涌水量0.00186L/s.m，富水性極差，為一弱含水層。

2.2 工作面微震監(jiān)測

煤層采動過程微震事件比較復(fù)雜，特別是斷層附近的微震事件會由于斷層的錯綜復(fù)雜而增加研究的難度。

斷層的活化主要與斷層的最大位移和延展長度有關(guān)，且二者相互之間成線性關(guān)系。斷層活化釋放能量過程中大能量事件與斷層延展長度的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可看出，斷層釋放能量的大小與斷層的延展長度成正相關(guān)的關(guān)系，即延展長度越大，斷層活化釋放的能量越大，且延展長度增加到一定程度后，斷層釋放的能量逐漸趨于穩(wěn)定。

圖1 斷層延展長度與大能量事件數(shù)的關(guān)系

通過對3601工作面2019年3月份微震事件分布的監(jiān)測，得出本工作面微震事件的分布圖，如圖2所示。

圖2 3601工作面微震事件分布圖

由圖2可知，斷層附近微震事件表現(xiàn)為范圍集中。對F11斷層微震事件的能量進(jìn)行統(tǒng)計，如圖3所示，可知微震事件的能量巨大，且能量變化呈一定的周期性，符合斷層活化的規(guī)律。

綜上所述，3601工作面過F11斷層時微震事件表現(xiàn)出超前顯現(xiàn)、范圍集中、周期性變化以及能量巨大的特征，說明此處斷層已發(fā)生活化。

圖3 F11斷層微震事件能量變化統(tǒng)計

3 頂板應(yīng)力情況分析

3601工作面通過F11斷層時，斷層已發(fā)生活化現(xiàn)象，需要重新對工作面頂板的應(yīng)力情況進(jìn)行分析。以3601工作面所處地質(zhì)條件為背景，建立FLAC3D數(shù)值模型進(jìn)行研究。

3.1 數(shù)值模擬模型建立

模型模擬3601工作面埋深290m，工作面傾向長度為230m，走向長度1100m，F(xiàn)11斷層落差為5.5m，傾角60°，斷層設(shè)置在距離切眼330m位置，模型幾何尺寸為1000m×470m×120m。水平應(yīng)力沿四周設(shè)置，底部為垂直應(yīng)力，計算時采用庫倫摩爾準(zhǔn)則。工作面煤巖層力學(xué)特性如表1所示。

表1 煤巖層力學(xué)特性

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

煤層的原巖應(yīng)力分別取18.3MPa（水平應(yīng)力）和27.5MPa（垂直應(yīng)力）。開采初期，每間隔50m開挖一次，到開挖到300m后每間隔25m開挖一次。模型推進(jìn)550m達(dá)到平衡后，煤層的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 煤層應(yīng)力云圖

由圖4可知，斷層面附近煤體的最大垂直應(yīng)力為41.8MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.3，最大水平應(yīng)力為45.8MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.7?？梢姶怪睉?yīng)力與水平應(yīng)力集中程度比較大，說明斷層已發(fā)生活化，且應(yīng)力受斷層活化影響比較大。

工作面推進(jìn)過程煤體支承壓力的變化趨勢如圖5所示。

圖5 煤體支撐壓力隨推進(jìn)距離變化曲線

由圖5可知，煤體支承壓力自切眼處開始增長速度較快，正常推進(jìn)300m時，此時工作面距離斷層30m，頂板破裂程度達(dá)到最大。煤體的支承壓力達(dá)到峰值后也趨于穩(wěn)定。繼續(xù)推進(jìn)至距離斷層70m時，煤體支承壓力又開始有快速上升的趨勢，主要原因是斷層煤柱的形成導(dǎo)致煤柱上形成應(yīng)力集中。推進(jìn)至450m后煤體支承壓力迅速回落，此時煤體已發(fā)生塑性破壞，頂板已下沉。

4 頂板穩(wěn)定性研究

工作面通過斷層活化帶時，會由于斷層煤柱的形成，導(dǎo)致煤體發(fā)生屈服破壞，頂板與底板隨之發(fā)生斷裂破斷，極容易誘發(fā)沖擊地壓。

4.1 預(yù)防、預(yù)警措施

由于斷層活化帶附近極容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，小落差斷層活化不易被監(jiān)測到，可在斷層落差在5m以下的斷層進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，在開采工作面前方300m布置監(jiān)測點(diǎn)，對工作面前方微震事件進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，同時布置應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)對煤巖體的應(yīng)力情況進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常情況，提前進(jìn)行處理。

對于已監(jiān)測到可能導(dǎo)致沖擊地壓危險的區(qū)域，可采取超前鉆孔卸壓與煤層注水措施對斷層面進(jìn)行軟化，減小應(yīng)力集中現(xiàn)象，并加強(qiáng)對兩幫的加固。

4.2 應(yīng)急處理措施

采區(qū)布置時應(yīng)盡量避開斷層帶，對于未探明的斷層活化帶突發(fā)沖擊地壓現(xiàn)象，可采用大直徑鉆孔卸壓或者條件允許的情況下采取爆破措施進(jìn)行處理。