采動(dòng)影響下工作面應(yīng)力演化及斷層活化危險(xiǎn)分析

張強(qiáng)

山焦集團(tuán)華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲一號(hào)煤礦 山西呂梁 033300

地下采場復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造條件和應(yīng)力環(huán)境以及受相鄰采空區(qū)和回采來壓等因素的影響，使得發(fā)生沖擊地壓的強(qiáng)度和頻次日益增大。近年來，許多學(xué)者針對(duì)采動(dòng)過程工作面應(yīng)力演化及斷層活化開展了卓有成效的研究。魏振全[1]針對(duì)田陳煤礦7112工作面地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬方法，研究了厚硬關(guān)鍵層不同賦存條件下采動(dòng)應(yīng)力變異特征。研究表明，隨工作面的持續(xù)推進(jìn)，工作面前方支承壓力不斷增長，但增速逐漸放緩，破斷后工作面支承壓力迅速降低；隨厚硬關(guān)鍵層厚度、賦存高度的增加，厚硬關(guān)鍵層初次破斷前工作面前方支承壓力峰值逐漸減小。呂進(jìn)國等[2]基于義馬躍進(jìn)煤礦25110工作面為研究對(duì)象，結(jié)合微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了沖擊地壓發(fā)生前的微震能量與頻次及微震活動(dòng)的時(shí)空規(guī)律，并采用數(shù)值模擬研究了采動(dòng)影響下斷層帶附近應(yīng)力場的分布特征，從地質(zhì)構(gòu)造、微震活動(dòng)、應(yīng)力場三個(gè)方面討論了該工作面沖擊地壓發(fā)生的原因及機(jī)制。白慶生等[3]針對(duì)石圪臺(tái)礦3-1-2煤層工作面頂板壓力大、支架被壓死等問題，采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗(yàn)等方法，探討采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律及壓架致災(zāi)機(jī)制。蔣金泉等[4-5]采用三維數(shù)值模擬方法，研究了工作面向正斷層、逆斷層推進(jìn)、上盤工作面沿正斷層、逆斷層布置的采動(dòng)應(yīng)力演化特征。朱志杰等[6]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測(cè)的方法，對(duì)上部重疊煤柱與采動(dòng)耦合作用下的圍巖應(yīng)力演化規(guī)律進(jìn)行研究。采用UDEC數(shù)值計(jì)算軟件，對(duì)重疊煤柱作用下工作面的回采過程進(jìn)行了模擬。朱廣安等[7]研究了開采擾動(dòng)下斷層滑移失穩(wěn)誘發(fā)沖擊礦壓的致災(zāi)條件?；凇捌鲶w梁”理論推導(dǎo)了斷層面正應(yīng)力、剪應(yīng)力的計(jì)算公式，進(jìn)而得到斷層滑移失穩(wěn)與覆巖“關(guān)鍵層”的破斷和采場的推進(jìn)的關(guān)系。姜耀東等[8]以采用庫侖剪切模型的接觸面單元代表斷層兩盤的接觸狀態(tài)，模擬工作面從斷層上盤和下盤向斷層方向逐步回采的過程，研究斷層接觸面上法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力的時(shí)空演化規(guī)律、斷層上下盤的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。毛德兵等[9]根據(jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析了采動(dòng)影響下斷層延展長度、落差、走向及強(qiáng)度等對(duì)斷層活化規(guī)律的影響。李志華等[10]以濟(jì)三煤礦6303面地質(zhì)條件為背景，開展了斷層滑移失穩(wěn)相似模擬試驗(yàn)及數(shù)值模擬。王濤等[11]以義馬千秋煤礦21221回采工作面原型，設(shè)計(jì)了穿越斷層工作面回采相似模型實(shí)驗(yàn)，再現(xiàn)斷層活化和煤體沖擊失穩(wěn)的物理過程，研究了采動(dòng)影響下采場覆巖的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和斷層應(yīng)力演化特征，分析了煤層開采誘發(fā)斷層活化的機(jī)理。

本文以某礦7308工作面在采動(dòng)影響下與周圍采空區(qū)相互作用應(yīng)力演化規(guī)律及其對(duì)臨近斷層活化危險(xiǎn)分析，系統(tǒng)研究了采空區(qū)應(yīng)力分布，回采來壓情況和斷層受力與活化分析，以便為沖擊礦壓等動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)場預(yù)測(cè)和科學(xué)防治提供指導(dǎo)。

1 工作面概況

該工作面所處地面標(biāo)高+50.5-+52.1m，工作面標(biāo)高-467.6--497.0m，工作面埋深為518.9-548.3m。7308工作面面長94.5-184.2m，推進(jìn)長度145.4m（運(yùn)順側(cè)）。切眼與DF17斷層相鄰，北部沿小廠一號(hào)斷層與鄰礦相接，西部停采線距離5319采空區(qū)約60-76m，南部以4.5m凈煤柱與7307采空區(qū)相鄰。工作面四鄰關(guān)系如圖1所示。

工作面開采區(qū)域總體上位于五采區(qū)與七采區(qū)采空區(qū)支承壓力影響下，應(yīng)力水平有明顯提升，是開采的應(yīng)力升高區(qū)。該區(qū)域總體上受小廠一號(hào)斷層影響，軌順沿此斷層布置，該斷層延伸長度較大。切眼總體上沿DF17斷層（傾向94.5°，傾角60°，落差6.0m。）布置，并且穿過7307F1斷層（斷層傾向265.4°，傾角70°，落差2.0m）布置。因此，該工作面在高應(yīng)力煤柱區(qū)和斷層影響區(qū)存在一定程度的沖擊危險(xiǎn)。

2 數(shù)值計(jì)算模型與方案

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

模型考慮周邊工作面開采歷史以及構(gòu)造地質(zhì)條件對(duì)7308工作面的影響，構(gòu)建了5319、7306、7307工作面以及小廠一號(hào)斷層等，如圖1所示。計(jì)算模型尺寸長×寬×高為800×600×200（m），網(wǎng)格數(shù)345600。數(shù)值模擬中選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，計(jì)算模型底部及四邊固定位移速率，上部施加-10.75MPa應(yīng)力模擬上部巖層施加的載荷，工作面分部回采，分析區(qū)域應(yīng)力演變過程。根據(jù)7308工作面地質(zhì)和開采狀況建立了如圖1所示的數(shù)值計(jì)算模型。

2.2 計(jì)算方案

（1）根據(jù)工作面周邊采區(qū)及工作面開采歷史進(jìn)行相關(guān)區(qū)域的開采，建立該工作面回采前的地質(zhì)和應(yīng)力環(huán)境。

（2）進(jìn)行目標(biāo)工作面的開采模擬，重點(diǎn)考察工作面開采過程工作面來壓情況、斷層受力及活化危險(xiǎn)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 采空區(qū)-應(yīng)力分布圖

7308 工作面周圍有大量采空區(qū)，應(yīng)力在其在形成過程中發(fā)生轉(zhuǎn)移和疊加，其中5318工作面和5319工作面開采后在7308北側(cè)（停采線區(qū)域）形成應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中峰值靠近5318工作面和5319工作面采空區(qū)之間留設(shè)的煤柱區(qū)域，最大應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.3，峰值距采空區(qū)煤壁11m，側(cè)向支承壓力影響范圍達(dá)到48m，對(duì)7308工作面回采有一定影響；7306和7307工作面開采后在7308西側(cè)（運(yùn)輸順槽區(qū)域）形成應(yīng)力集中區(qū)，靠近7308開切眼位置應(yīng)力集中程度較大，最大應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.9，應(yīng)力峰值距7307采空區(qū)9m，側(cè)向支承壓力影響范圍35m，7308工作面運(yùn)輸順槽和切眼在掘進(jìn)和回采期間應(yīng)加強(qiáng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)和防沖措施。

從圖3中可以看出7306、7307工作面回采后，五采區(qū)與七采區(qū)之間留設(shè)的邊界煤柱兩側(cè)形成應(yīng)力集中，煤柱中間處于低應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力疊加不明顯，表明7306、7307工作面回采后，區(qū)段煤柱仍保持穩(wěn)定，留設(shè)的煤柱寬度有利于降低相鄰采空區(qū)擾動(dòng)影響。

3.2 回采來壓情況

周邊工作面開采后，在7308停采線附近區(qū)域以及運(yùn)輸順槽一側(cè)形成應(yīng)力集中區(qū)，7308工作面回采過程中產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)與周邊采空區(qū)應(yīng)力形成應(yīng)力疊加影響區(qū)，根據(jù)數(shù)值計(jì)算分析工作面回采階段應(yīng)力分布特點(diǎn)有利于工作面防沖。

圖4為7308工作面回采階段應(yīng)力分布圖，在7308工作面巷道和切眼掘進(jìn)后，運(yùn)輸順槽側(cè)切眼煤壁前方以及切眼后方的應(yīng)力集中明顯增加，煤壁前方實(shí)體煤應(yīng)力集中范圍擴(kuò)大，最大應(yīng)力系數(shù)1.9，側(cè)向支承壓力影響范圍45m；隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)頂板壓力增大，開采至30m位置老頂垮落，超前支承壓力峰值和影響范圍增大，最大應(yīng)力峰值向?qū)嶓w煤深部轉(zhuǎn)移，運(yùn)輸順槽側(cè)實(shí)體煤集中系數(shù)達(dá)到2.2，峰值位置距巷道煤壁5m，超前影響范圍80m，軌道順槽側(cè)應(yīng)力集中系數(shù)1.4，超前影響范圍30m；回采至95m老頂初次見方，頂板斷裂降低了峰值影響范圍，超前應(yīng)力集中系數(shù)有所增加，運(yùn)輸順槽側(cè)應(yīng)力集中達(dá)到2.3，超前支承影響范圍增大至120m，軌道順槽側(cè)應(yīng)力集中系數(shù)1.5，超前影響范圍50m；工作面見方后，頂板斷裂，超前支承壓力峰值有所減弱，但運(yùn)輸順槽側(cè)超前支承壓力與5采區(qū)側(cè)向支承壓力產(chǎn)生疊加影響加劇，實(shí)體煤超前支承壓力整體有所增大，軌道順槽側(cè)斷層保護(hù)煤柱寬度增大，實(shí)體煤應(yīng)力集中系數(shù)增大至1.7；工作面回采至停采線附近，受5319采空區(qū)應(yīng)力疊加影響，工作面超前支承壓力峰值區(qū)域擴(kuò)大，兩個(gè)采空區(qū)之間實(shí)體煤應(yīng)力集中程度較大。

3.3 斷層受力與活化分析

7308 工作面靠近小廠一號(hào)斷層，留設(shè)保護(hù)煤柱相對(duì)較小，回采過程中工作面產(chǎn)生的擾動(dòng)影響有可能激活斷層活化，誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。圖5和圖6分別為小廠一號(hào)斷層法向力和切向力的分布云圖，其中a，b，c分別為工作面回采至不同位置（開切眼、一次見方、停采線）時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。從圖中可以看出斷層法向力和切向力隨工作面推進(jìn)發(fā)生一定的變化，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力有一定的增長，但是增長幅度較小，應(yīng)力增長幅度小于5MPa，根據(jù)庫侖擾動(dòng)應(yīng)力表達(dá)式，確定斷層擾動(dòng)應(yīng)力幅值。下式為庫侖擾動(dòng)應(yīng)力的表達(dá)式：

由此可確定斷層擾動(dòng)應(yīng)力幅值，在計(jì)算結(jié)果中提取相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，繪制斷層庫侖應(yīng)力變化量等值分布，如圖7所示。將斷層庫侖力Y-Z坐標(biāo)面進(jìn)行投影，從圖中可以看出，斷層面上的庫侖應(yīng)力變化量總體上并沒有規(guī)律可循，且總體上處于低水平，在7308工作回采過程中斷層擾動(dòng)影響小，發(fā)生較大活動(dòng)可能性小。

為分析7308工作面回采引起的控制斷層附近巖體的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)在煤層區(qū)域斷層上盤巖體內(nèi)沿小廠一號(hào)斷層預(yù)設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，全程跟蹤斷層附近巖體力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖8所示。

圖9、圖10顯示了煤層開采期間斷層監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移和豎向位移速度變化規(guī)律。可以看出1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在工作面剛開始掘進(jìn)期間出現(xiàn)相對(duì)較大異常波動(dòng)，最大波動(dòng)速度0.4mm/s，后趨于穩(wěn)定，2號(hào)、3號(hào)測(cè)點(diǎn)位移加速度相對(duì)平緩，波動(dòng)幅度小，表明斷層受7308開挖影響，臨近工作面區(qū)域斷層影響較大，在工作面推進(jìn)過程中斷層移動(dòng)速度有較大波動(dòng)，工作面回采后采空區(qū)趨于穩(wěn)定，斷層也趨于穩(wěn)定，測(cè)點(diǎn)移動(dòng)速度表明開采過程中斷層活化程度低。

4 結(jié)語

（1）7306、7307工作面回采后，五采區(qū)與七采區(qū)之間留設(shè)的邊界煤柱兩側(cè)形成應(yīng)力集中，煤柱中間處于低應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力疊加不明顯，表明7306、7307工作面回采后，區(qū)段煤柱仍保持穩(wěn)定，留設(shè)的煤柱寬度有利于降低相鄰采空區(qū)擾動(dòng)影響。

（2）工作面回采至停采線附近，受5319采空區(qū)應(yīng)力疊加影響，工作面超前支承壓力峰值區(qū)域擴(kuò)大，兩個(gè)采空區(qū)之間實(shí)體煤應(yīng)力集中程度較大。但通過采區(qū)煤柱受力比較可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有煤柱尺寸能夠滿足回采之后覆巖調(diào)整下的承載能力要求。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，臨近工作面區(qū)域斷層影響較大，在工作面推進(jìn)過程中斷層移動(dòng)速度有較大波動(dòng)；工作面回采后采空區(qū)趨于穩(wěn)定，斷層也趨于穩(wěn)定，測(cè)點(diǎn)移動(dòng)速度表明開采過程中斷層活化程度低。