工作面過多斷層支承壓力演化規(guī)律研究

摘? 要：針對工作面過多斷層開采易發(fā)生沖擊地壓等動力災害問題，以姚橋煤礦7263工作面為原型，采用Flac3D數(shù)值模擬軟件，對工作面過多斷層開采時支承壓力演化規(guī)律進行研究。研究結果表明：由于斷層構造切割阻隔作用，使得工作面向斷層推進時，支承壓力在斷層附近不斷增加形成較高的應力集中區(qū)，部分應力通過斷層傳遞到對盤，形成“雙峰”狀應力形態(tài)。受上盤開采擾動和多斷層構造影響，兩斷層間圍巖應力較初始應力明顯升高。

關鍵詞：多斷層;采動;支承壓力;沖擊地壓;數(shù)值模擬

中圖分類號：TD325? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1671-2064（2020）03-0000-00

0 引言

斷層的存在破壞了巖層的完整性和連續(xù)性，導致斷層附近煤巖體初始應力異于常規(guī)地應力場，易產(chǎn)生局部附加應力[1]。當工作面向斷層推進時，采場上覆巖層應力變化表現(xiàn)出明顯的時空特性[2]。特別是當工作面推進至距斷層一定距離時，支承壓力峰值將達到極限并伴隨著巨大能量釋放，輕者開采盤易沿斷層面發(fā)生剪切滑移，重則兩盤突發(fā)相對錯動失穩(wěn)引起沖擊地壓災害事故發(fā)生，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失[3]。鑒于此，國內(nèi)外大量學者對斷層附近采動應力進行了大量研究，但是對工作面過多斷層開采研究相對較少。

因此，本文將采用數(shù)值模擬研究方法，模擬工作面過多斷層開采時的支承壓力演化規(guī)律，對保證煤礦合理、安全、高效開采具有重要的指導意義。

1 地質概括

7263綜采工作面位于姚橋煤礦西九采區(qū)，工作面標高為-627～-708m，走向長度777.2m，傾向長度為253.5m，煤層厚度為2.2～5.2m，平均3.7m。7263工作面中部有兩條較大斷層（f216∠60°H=8m、f602∠85°H=17m），對工作面開采影響較大，存在較大的沖擊危險性，不利于安全開采。

2 Flac3D數(shù)值模型

2.1模型建立

根據(jù)7263工作面鉆孔資料，采用Flac3D模擬軟件，模擬工作面過多斷層開采時應力演化規(guī)律。斷層屬于復雜的地質構造，為較真實還原現(xiàn)場情況，對模型進行適當調(diào)整優(yōu)化。模型傾向和走向各留設75m和50m保護煤柱消除模型邊界效應影響，邊界條件設置：采用Fix命令固定模型左右邊界和底部邊界，模型頂部設置為自由邊界施加均布載荷模擬煤層上覆巖層自重載荷（15.25MPa），兩盤之間利用Interface命令建立接觸面表示斷層軟弱面。幾何模型長500m、寬250m，高120m，模型共有384000單元，412126節(jié)點。所構建的多斷層構造模型如圖1所示。

2.2巖石力學參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場地質調(diào)查及實驗室測試結果，初步確定煤巖石力學屬性，考慮到井下巖石的復雜性常表現(xiàn)出較高的抗壓強度和極低抗拉和抗剪強度，其應力—應變關系也呈現(xiàn)出不規(guī)則特征。因此，對相關參數(shù)進行適當調(diào)整，模擬計算所采用的巖體力學參數(shù)見表1。

2.3模擬方案

以模型的左端邊界50m位置處為起始點，從左往右依次開采，每次開挖10m待模型平衡后再延續(xù)上一工作面進度繼續(xù)推進直至完全推至模型右端邊界。為了便于研究工作面過斷層前后支承壓力演化規(guī)律，通過History命令設置應力檢測線并記錄工作面開采后應力變化特征。

3 工作面過斷層開采時應力演化規(guī)律

3.1工作面過f602斷層時應力變化特征

根據(jù)上述構造模型，分別模擬工作面距f602斷層80m、50m、40m、30m、20m和10m等不同位置時超前支承壓力分布及其演化規(guī)律，超前支承壓力云圖及應力變化特征曲線如圖2和3所示。

（1） 工作面距f602斷層80m位置

（2）工作面距f602斷層10m位置

根據(jù)現(xiàn)場實測，斷層是由一條松散破碎巖石、泥巖等充填物組成的破碎帶，斷層帶及其兩側巖體的物理力學特性上具有顯著差異，對支承壓力的傳遞起到了一定的阻隔效應。隨著工作面逐漸推向斷層，支承壓力峰值不斷增加，應力峰值位于煤壁前方約5m位置處，且支承壓力隨著工作面推進持續(xù)前移并逐漸靠近斷層。與此同時，對盤應力也隨之增加，故在圖3中呈現(xiàn)出一大一小“雙峰”狀應力曲線。該研究結果與代進教授[4]現(xiàn)場實測結果相吻合，間接證明本次數(shù)值模擬的合理性。

當工作面從距斷層80m推進至50m期間時，支承壓力曲線增幅較小幾乎無明顯變化，表明當前工作面受斷層影響較小，應力峰值由33.7MPa增至35.6MP，應力集中系數(shù)由1.92增至2.03，影響范圍約為45m。當工作面從距斷層50m位置處繼續(xù)推進時，受采動和斷層的影響，應力峰值增幅較為顯著。在距斷層20m位置時，應力峰值達到最大值，應力峰值由35.6MPa增至43.7MPa，應力集中系數(shù)達到2.50，斷層剩余煤體內(nèi)積聚了大量彈性應變能。當工作面繼續(xù)推進時，應力峰值迅速減小至34.9MPa，應力集中系數(shù)只有1.9，斷層剩余煤柱的集中應力超過自身極限破壞強度，剩余煤體不再具有承載載荷效應且極易誘發(fā)沖擊地壓等災害事故發(fā)生。因此，當超前支承壓力峰值由最大值突然減小前，應停止繼續(xù)向前開采，將剩余未開采的煤體留設為斷層保護煤柱，工作面向下掘巷道過斷層的同時，還需加強斷層影響范圍內(nèi)巷道、硐室等維護，預防礦壓災害事故發(fā)生。

3.2工作面過f216斷層時應力變化特征

同理，分別模擬分析了工作面距f216斷層90m、70m、50m、40m、30m和20m等不同位置時超前支承壓力分布及其演化規(guī)律。

受上盤工作面開采和多斷層影響，兩斷層之間圍巖應力較初始應力明顯升高。當工作面繼續(xù)向f216斷層開采時支承壓力變化趨勢基本相似，當工作面由距f216斷層 90m推進至50m位置時，支承壓力緩慢增加且保持著較高水平，應力峰值由34.6MPa增至37.9MPa，應力集中系數(shù)由2.0增至2.2。當工作面由距f216斷層50m推進至30m位置時，支承壓力增幅程度較為顯著，且在距f216斷層30m位置時，支承壓力達到頂峰44.4MPa，應力集中系數(shù)增至2.5。當工作面繼續(xù)推進時，支承壓力發(fā)生驟降，表明剩余斷層煤巖體將不再具有承載效應并發(fā)生塑性破壞。此時工作面應停止開采，將剩余煤體留設為斷層保護煤柱，工作面過斷層時應采取相應的安全措施。

4 結語

大量實踐證明，斷層附近工作面開采往往具有高沖擊危險性，經(jīng)數(shù)值模擬，本文得到如下結論：

（1）隨著工作面向斷層推進，斷層的阻隔效應越發(fā)顯著，超前支承壓力在斷層附近不斷增加形成較高的應力集中區(qū)，并傳遞到對盤形成一大一小“雙峰”狀應力狀態(tài);

（2）兩斷層之間形成了局部應力集中區(qū)，工作面距f216斷層30m位置時支承壓力達到頂峰，較工作面距f602斷層20m位置時礦壓顯現(xiàn)更加劇烈;

（3）當斷層剩余煤體積聚的彈性勢能達到極限時，將不再具有承載載荷效應并發(fā)生塑性破壞。使得工作面超前支承壓力迅速下降并伴隨著大量能量釋放，極易誘發(fā)沖擊地壓等動力災害事故發(fā)生。

參考文獻

[1]楊繼強，張照允，王珂.正斷層上盤邊角煤開采誘發(fā)斷層活化規(guī)律[J].煤礦安全，2018，49 （12）：204-207+211.

[2]姜耀東，王濤，趙毅鑫，等.采動影響下斷層活化規(guī)律的數(shù)值模擬研究[J].中國礦業(yè)大學學報，2013，42（01）：1-5.

[3]宋義敏，馬少鵬，楊小彬，等.斷層沖擊地壓失穩(wěn)瞬態(tài)過程的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30（04）：812-817.

[4]代進，蔣金泉.上下盤開采順序對斷層煤柱采動應力的影響[J].采礦與安全工程學報，2016，33（01）：35-41.

收稿日期：2019-01-03

作者簡介：宋香凱（1987—），男，河北邢臺人，本科，主要從事煤礦設計工作。