深井綜采工作面過斷層應(yīng)力演化及巖層移動(dòng)規(guī)律研究

王文杰，陳希凝

(1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000；2.山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

煤系地層中存在不同類型的斷層，導(dǎo)致巖體連續(xù)性遭到破壞，給煤炭資源開采帶來諸多困難。隨著工作面的推進(jìn)，與斷層的距離逐漸減小，斷層受工作面采動(dòng)影響損傷破裂加劇，采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)特征與礦山壓力顯現(xiàn)情況較正常開采有明顯差異[1-4]。針對(duì)斷層對(duì)綜采工作面開采的影響研究，王沉等[5]采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，揭示了斷層超前工作面活化、斷層區(qū)域內(nèi)煤壁片幫的特點(diǎn)；王兆會(huì)等[6]分析了斷層構(gòu)造處穩(wěn)定性的影響因素及控制措施，得出斷層構(gòu)造處工作面前方煤體塑性破壞區(qū)的擴(kuò)大增加了揭露前煤體損傷程度，為煤壁片幫發(fā)生奠定了基礎(chǔ)；楊隨木等[7]、焦振華等[8]、王存文等[9]通過研究斷層對(duì)采動(dòng)應(yīng)力的影響特征及工作面過斷層過程中覆巖的滑移規(guī)律，得出斷層在高位地層中活化優(yōu)先于低位地層，能量逐漸積聚后在工作面推進(jìn)至斷層附近時(shí)易引發(fā)沖擊礦壓等動(dòng)力災(zāi)害；王愛文等[10]基于覆巖空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與斷層活化耦合致災(zāi)原理，分析了巨型逆沖斷層下盤煤層開采采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)過程，得出了斷層面的應(yīng)力變化規(guī)律。

盡管已有學(xué)者對(duì)工作面過斷層安全開采展開研究，但針對(duì)工作面過斷層應(yīng)力傳播及巖層移動(dòng)情況的研究較少。為實(shí)現(xiàn)煤炭及伴生資源綠色開采，本文采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法分析綜合機(jī)械化開采工作面過斷層的應(yīng)力演化及巖層移動(dòng)規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)煤礦安全、高效、綠色開采提供科學(xué)依據(jù)及技術(shù)指導(dǎo)。

1 研究背景

AB煤礦W1319工作面走向長(zhǎng)度1 030 m，傾向長(zhǎng)度110 m，地面標(biāo)高+45～+47 m，工作面底板標(biāo)高為-776.7 m左右。工作面主采3號(hào)煤層，平均厚度3.0 m，最大采高可達(dá)3.8 m，采用綜合機(jī)械化走向長(zhǎng)壁采煤法開采煤層，垮落法管理采空區(qū)頂板，在W1319工作面中存在F1302-6逆斷層，斷層傾角為70°，最大落差為1.5 m，該斷層嚴(yán)重影響了工作面正常開采。煤層地質(zhì)綜合柱狀圖如圖1所示。

2 斷層對(duì)開采影響理論分析

隨著工作面與斷層的距離減小，斷層逐漸活化，斷層附近基本頂及其他關(guān)鍵層受采動(dòng)影響后較為破碎，斷裂的基本頂巖塊Ⅰ向采空區(qū)翻轉(zhuǎn)，并形成三鉸拱，巖塊滑落方向與力的作用方向相反，斷層力學(xué)模型如圖2所示。

根據(jù)砌體梁理論、三鉸拱平衡原理，斷面所受的正應(yīng)力N、剪應(yīng)力F、內(nèi)摩擦角φ及斷裂角θ表達(dá)式為式(1)～式(3)。

N=Tcosθ-Rsinθ

(1)

F=Rcosθ+Tsinθ

(2)

(Tcosθ-Rsinθ)tanφ≥Rcosθ+Tsinθ

Tsin(φ-θ)≥Rcos(φ-θ)

R/T≥tan(φ-θ)

(3)

式中：T為水平推力，N；R為剪切力，N；φ為頂板巖塊內(nèi)摩擦角，(°)；θ為巖塊斷裂角，(°)。

圖1 煤層地質(zhì)綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam geology

圖2 斷層力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of fault

當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層附近時(shí)，受構(gòu)造應(yīng)力的影響，斷面正應(yīng)力N增大，剪應(yīng)力F減小，斷裂角θ較小，而斷層周邊巖塊的內(nèi)摩擦角φ變化不大，根據(jù)三鉸拱平衡原理，采空區(qū)上方斷裂頂板難以達(dá)到平衡狀態(tài)，易發(fā)生滑移、回轉(zhuǎn)，斷層周邊覆巖較破碎，頂板巖塊斷裂較為頻繁，一定距離內(nèi)，斷裂巖塊較正常情況下增多，巖塊鉸接后穩(wěn)定性差、承載能力弱[11]，因此工作面推過斷層前礦壓將會(huì)異常顯現(xiàn)。當(dāng)工作面推過斷層后，斷層上盤覆巖形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，斷層切斷了上下盤聯(lián)系，下盤覆巖對(duì)工作面的影響作用驟減，工作面礦壓顯現(xiàn)異常程度減弱。

3 數(shù)值模擬及其結(jié)果分析

根據(jù)W1319工作面的工程背景，建立寬240 m、高96 m的數(shù)值模擬模型，模型中設(shè)置斷層弱面寬度為1 m，斷層兩側(cè)落差1.5 m，F(xiàn)1302-6斷層距離模型左側(cè)128 m，通過模擬工作面推過斷層過程中應(yīng)力的演化及傳播規(guī)律、巖層運(yùn)動(dòng)情況，模型頂端為厚度725 m的第四系松散層，因此在模型頂端加18.13 MPa的松散層等效載荷，約束模型兩側(cè)及下邊界位移，模型上邊界可自由移動(dòng)，模型塊體采用Mohr-Coulomb模型，節(jié)理采用殘余強(qiáng)度滑移模型。為準(zhǔn)確表現(xiàn)煤巖體的塊體結(jié)構(gòu)，煤層及直接頂巖層、斷層軟弱面選用Voronoi塊體作為基本單元[12]，自模型左側(cè)50～190 m為開挖區(qū)域，模型兩側(cè)各留設(shè)50 m邊界煤柱，各巖層的參數(shù)見表1，數(shù)值模擬模型見圖3。

模擬工作面推進(jìn)78 m的揭露斷層，其中工作面過斷層過程中應(yīng)力演化及覆巖運(yùn)移狀態(tài)如圖4所示。

表1 巖層參數(shù)表Table 1 Rock formation parameters

圖3 數(shù)值模擬模型Fig.3 Numerical simulation model

圖4 工作面覆巖運(yùn)移及應(yīng)力分布模擬結(jié)果圖Fig.4 Simulation results of overburden migration and stress distribution in working face

工作面距斷層一定距離時(shí)，受斷層影響，基本頂及其他關(guān)鍵層斷裂頻繁，對(duì)覆巖承載能力減弱，工作面上方直接頂巖層較破碎，煤壁出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，工作面前側(cè)上方覆巖發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，且斷層破壞覆巖的連續(xù)性，回轉(zhuǎn)下沉后斷層下盤應(yīng)力釋放顯著，工作面上方形成錐形應(yīng)力釋放區(qū)，該區(qū)域應(yīng)力為4.5 MPa，而斷層上盤受斷層弱面阻隔，應(yīng)力積聚量小于正常情況；工作面繼續(xù)推進(jìn)，煤壁片幫加劇，頂板破碎嚴(yán)重，易發(fā)生冒頂事故，超前應(yīng)力峰值出現(xiàn)在煤層前方1.6 m，應(yīng)力值為63.7 MPa，此時(shí)斷層下盤應(yīng)力釋放，斷層上盤應(yīng)力積聚，斷層弱面內(nèi)應(yīng)力大小接近原巖應(yīng)力水平；工作面繼續(xù)推進(jìn)至揭露斷層，此時(shí)斷層弱面及直接頂巖塊破碎嚴(yán)重，超前應(yīng)力峰值出現(xiàn)在斷層上盤，在巨大礦山壓力作用下，頂板下沉量較大，工作面高度有所減小，斷層下盤采空區(qū)上方處于應(yīng)力釋放狀態(tài)，而斷層上盤沿?cái)鄬颖憩F(xiàn)為應(yīng)力積聚，上下盤應(yīng)力值相差5個(gè)梯度，表明斷層可對(duì)應(yīng)力傳播起到阻隔作用；工作面推過斷層后，頂板僅發(fā)生輕微破碎，片幫程度明顯減輕，采空區(qū)上方均處于應(yīng)力釋放狀態(tài)，而斷層下盤應(yīng)力釋放量較斷層上盤釋放量大。工作面過斷層前后塑性區(qū)發(fā)育情況數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，工作面推過斷層前覆巖處于拉伸破壞狀態(tài)區(qū)域呈“漏斗”形分布，最大破壞高度為54.5 m，拉伸破壞程度自下而上遞減，直接頂、基本頂塑性破壞嚴(yán)重，工作面前側(cè)上方處于正在發(fā)生塑性破壞，破壞超前工作面16.5 m，斷層軟弱面內(nèi)塑性破壞嚴(yán)重，斷層上盤僅發(fā)生輕微破壞；當(dāng)工作面推過斷層后，斷層下盤在巨大的礦山壓力作用下，呈拉伸破壞、塑性破壞，工作面前側(cè)上方覆巖破壞程度較過斷層前明顯減輕，破壞范圍減至9.4 m，斷層對(duì)破壞有明顯的阻隔作用。在煤層、直接頂、基本頂、基本頂上方細(xì)粒砂巖(根據(jù)組合梁理論，該巖層為關(guān)鍵層)、模型頂端細(xì)粒砂巖中設(shè)置測(cè)線1～測(cè)線5，以便監(jiān)測(cè)煤層超前應(yīng)力狀態(tài)及覆巖豎向位移情況，以模擬巖層移動(dòng)情況，通過導(dǎo)出測(cè)線2～測(cè)線5豎向位移數(shù)據(jù)，繪制出工作面過斷層后各巖層下沉曲線(圖6)。通過導(dǎo)出測(cè)線1在工作面推進(jìn)距離斷層分別為30 m、15 m、揭露斷層、推過斷層15 m、推過斷層30 m的應(yīng)力數(shù)據(jù)，繪制出工作面開挖過程中超前應(yīng)力曲線(圖7)。

圖5 工作面過斷層前后塑性區(qū)發(fā)育數(shù)值模擬圖Fig.5 Numerical simulation of plastic zone development before and after the working face passes through the fault

圖6 工作面過斷層覆巖下沉曲線圖Fig.6 Subsidence curve of working face through fault overburden

由圖6可知，工作面推過斷層之后，斷層兩側(cè)豎向位移有一定落差，落差值隨著層位靠上而遞減，其主要原因是工作面推過斷層前礦山壓力較大，垮落的頂板在巨大的礦山壓力作用下被壓實(shí)，而工作面推過斷層后，下盤影響驟減，礦壓減小，垮落后的頂板未被完全壓實(shí)，破碎巖體間存在大量空隙，故頂板

圖7 工作面過斷層過程中超前應(yīng)力分布曲線圖Fig.7 Distribution curve of pre stress in the process of working face passing fault

的豎向位移量相對(duì)較小。由圖7可知，有斷層發(fā)育的工作面從開切眼向前推進(jìn)，超前應(yīng)力影響范圍較大，距工作面30 m左右時(shí)，受斷層影響，超前應(yīng)力峰值異常增大，而當(dāng)工作面推過斷層后，超前應(yīng)力峰值大幅減小。工作面自開切眼開始應(yīng)力上升至應(yīng)力平穩(wěn)階段，工作面受斷層影響后進(jìn)入應(yīng)力增大階段，工作面推過斷層后轉(zhuǎn)為應(yīng)力減弱階段，具體流程如圖8所示。

開采過程中當(dāng)工作面在應(yīng)力平穩(wěn)階段超前應(yīng)力值為56.5 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.76，在過斷層過程中，應(yīng)力增大階段、應(yīng)力降低階段、相對(duì)應(yīng)力平穩(wěn)階段超前應(yīng)力峰值變化較大。應(yīng)力增大階段超前應(yīng)力最大值為63.7 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.11；應(yīng)力減弱階段超前應(yīng)力最小值為48.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.35，垮落法管理頂板工作面過斷層過程中應(yīng)力集中系數(shù)為2.35～3.11。

圖8 斷層發(fā)育工作面推進(jìn)過程中應(yīng)力發(fā)展流程圖Fig.8 Flow chart of stress development in the process ofadvancing fault development working face

圖9 礦壓數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)分析折線圖Fig.9 Line chart of actual measurement and analysis of mineral pressure data

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及工作面過斷層技術(shù)

在1302工作面開采期間，在部分液壓支架前柱安設(shè)礦用本安型數(shù)字壓力計(jì)，對(duì)工作面支架受力情況進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)觀測(cè)，圖9為綜采工作面過斷層程中43#液壓支架工作阻力的變化曲線。其中斷層距切眼272 m，礦壓數(shù)據(jù)表明，液壓支架的平均工作阻力為22.1 MPa，來壓判據(jù)為31.8 MPa；工作面推進(jìn)距離在242 m之前，不受斷層影響，工作面處于來壓穩(wěn)定狀態(tài)區(qū)，該區(qū)域來壓時(shí)支架最大工作阻力為36.4 MPa；繼續(xù)向前推進(jìn)工作面受斷層影響，進(jìn)入礦壓異常增大區(qū)，壓力異常增大區(qū)域長(zhǎng)度約25 m，該區(qū)域來壓時(shí)最大阻力為44.2 MPa；工作面繼續(xù)向前推進(jìn)至過斷層后，進(jìn)入壓力降低區(qū)，壓力降低區(qū)域長(zhǎng)度36 m，該區(qū)域來壓時(shí)最大工作阻力為28.6 MPa；推過斷層40 m以后，礦壓恢復(fù)正常狀態(tài)，再次進(jìn)入來壓穩(wěn)定區(qū)。

在W1319工作面回采前，已對(duì)工作面做好勘探工作，過斷層過程中應(yīng)用了以下技術(shù)措施：①在工作面接近斷層前采用高壓推力將馬麗散壓入頂板及斷層軟弱面中，加固斷層軟弱面及煤層頂板；②工作面揭露斷層時(shí)，在工作面斜側(cè)上方打錨桿，將斷層上下盤組合成整體，保證頂板的完整性；③工作面過斷層過程中，增加勞動(dòng)作業(yè)人員，加快推進(jìn)速度，降低液壓支架高度并提高其初撐力，減小斷層活化時(shí)間，迅速推過斷層。

采取以上技術(shù)措施后，工作面過斷層過程中雖然頂板來壓頻率較高、來壓強(qiáng)度較大，但支架上方頂板仍保持其完整性，未發(fā)生冒頂事故，回采工作可順利進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工作面過斷層效果良好，可為類似工程地質(zhì)條件提供參考。

5 結(jié) 論

1) 綜采工作面過斷層前頂板斷裂較為頻繁，巖塊鉸接后穩(wěn)定性差，礦山壓力會(huì)異常增大，易發(fā)生片幫、冒頂?shù)仁鹿?，過斷層過程中應(yīng)力集中系數(shù)為2.35～3.11，斷層對(duì)應(yīng)力傳遞及塑性區(qū)發(fā)育都有阻隔作用。

2) 斷層發(fā)育工作面受斷層影響前處于應(yīng)力平穩(wěn)階段，受斷層影響后進(jìn)入應(yīng)力增大階段，推過斷層后進(jìn)入應(yīng)力減弱階段，原因是推過斷層后斷層下盤對(duì)工作面的影響驟減，繼續(xù)向前推進(jìn)再次進(jìn)入應(yīng)力平穩(wěn)階段，過斷層后斷層弱面兩側(cè)覆巖豎向位移量有明顯落差，落差值自基本頂向上依次遞減。

3) 為避免斷層發(fā)育的工作面發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害，回采前需做好勘探工作，揭露斷層前組合及加固頂板，改變支架工作狀態(tài)，增加勞動(dòng)作業(yè)人員各工序同步進(jìn)行以加快工作面推進(jìn)速度，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，可為類似條件提供有益參考。