增子坊礦厚煤層采動及斷層影響下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

高 飛

(晉能控股煤業(yè)集團 鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 右玉 037200)

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，煤炭需求量不斷增加，華東、東北等地賦存條件較好的煤炭資源日益枯竭，大量礦井面臨復(fù)雜構(gòu)造煤層的開采難題，斷層就是煤礦井下最常見的地質(zhì)構(gòu)造之一。

斷層內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育，割裂了地下巖體的完整性，附近進行采掘活動時，受斷層應(yīng)力阻隔作用導(dǎo)致采動應(yīng)力分布異常，容易在斷層附近造成嚴重的事故，給煤礦安全生產(chǎn)造成巨大威脅[1-4]。因此深入剖析斷層影響下工作面采動時圍巖的應(yīng)力及破壞特征，對礦井的安全生產(chǎn)、災(zāi)害防治具有重要意義。增子坊礦工作面賦存多條影響較大的斷層，對工作面回采造成威脅，因此本文對該礦斷層影響下工作面回采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行研究，為工作面的生產(chǎn)安全提供依據(jù)。

工作面采用兩巷布置，見圖1，5300-1運輸巷、5300-1回風(fēng)巷沿5號煤層底板掘進。5300-1工作面東部為實煤體，西側(cè)留設(shè)5300工作面保護煤柱7 m。該工作面地層大致為不對稱背斜構(gòu)造，中南部高，兩邊低，相對高差50 m左右。5300-1工作面共計揭露正斷層10條，斷層落差1.0～20.0 m，其中F7、F8、F9斷層對工作面回采影響較大，斷層具體位置及落差見圖1。F7斷層走向275°，傾向NE，傾向45～60°，落差20.0 m；F8斷層走向317°，傾向WS，傾向50～60°，落差20.0 m；F8斷層走向287°，傾向WS，傾向75°，落差19.0 m。

圖1 工作面布置及斷層分布

1 工程概況

5300-1工作面位于增子坊礦53盤區(qū)中東部，南起53盤區(qū)膠帶巷，北隔35 m為35 m正斷層；西鄰已采5300工作面；東部為實煤體，采用綜放開采；該工作面為53盤區(qū)首采(5號)煤層，上覆無采空區(qū)和積水。所采5號煤層賦存較穩(wěn)定，平均煤厚11.50 m，煤層含1～7層夾矸。單層夾矸厚度0.2～2.83 m，煤層平均傾角2.5°，煤層各頂板的巖性見表1。該工作面水文地質(zhì)條件簡單，正常涌水量0.5 m3/h，最大涌水量1.5 m3/h。

表1 煤層頂板底板巖性

2 斷層導(dǎo)致的災(zāi)害類型

斷層等地質(zhì)構(gòu)造的存在對礦井的安全開采具有重大影響，斷層附近巖體破碎、完整性差、 巖體強度低且易變形，再加上工作面回采的采動影響，使斷層“活化”，進而破壞工作面圍巖的穩(wěn)定性，容易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，如冒頂、地表沉陷、礦井突水、沖擊地壓等。

1) 冒頂。斷層破壞了煤層頂板的結(jié)構(gòu)完整性。當工作面推進到靠近斷層時，在采動擾動及礦壓作用下，煤層頂板沿斷層面兩側(cè)出現(xiàn)滑移，無法形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致斷層面附近煤巖體破碎程度升高、破碎區(qū)范圍增大，冒頂事故的傾向性增大。

2) 地表沉陷。一方面斷層的傾角越大對地表的沉陷影響越大，且當斷層傾角、位置一定時，斷層露頭處離地表越近時，斷層對地表沉降的影響越大。斷層在采動影響下產(chǎn)生了離層體，這一離層體的產(chǎn)生將導(dǎo)致斷層所在巖體的移動[5]。

3) 礦井突水。斷層巖體在水源浸泡下崩解而喪失強度，且極易形成突水通道。采動下斷層活化促使裂隙擴展，削弱了隔水層的隔水性，利于導(dǎo)水從而引發(fā)突水；如果斷層是封閉含水的斷層，在采動作用下，斷層帶中封閉水的水壓增加，加強了水壓對巖石的破壞作用，有助于斷層的活化[6]。

4) 沖擊地壓。斷層形成過程中，斷層兩側(cè)煤巖體中形成了大量以水平應(yīng)力為主的構(gòu)造應(yīng)力。煤層開采前，斷層兩側(cè)巖體處于穩(wěn)定的力學(xué)平衡狀態(tài)；但當煤層開采后，隨著采空區(qū)頂板斷裂、失穩(wěn)、垮落，導(dǎo)致頂、底板中的水平應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，構(gòu)造應(yīng)力在釋放過程中會導(dǎo)致斷層附近煤巖體發(fā)生破壞而引起震動，進而誘發(fā)沖擊礦壓[7-8]。

3 斷層工作面回采應(yīng)力分布特征

本文基于300-1工作面的工程地質(zhì)條件，利用FLAC3D數(shù)值模擬計算軟件研究工作面斷層在工作面回采過程中圍巖工作面應(yīng)力分布及回采巷道變形破壞特征進行分析。

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

本文基于5300-1工作面的工程地質(zhì)條件，利用FLAC3D數(shù)值模擬計算軟件研究工作面斷層在工作面回采過程中圍巖工作面應(yīng)力分布及回采巷道變形破壞特征進行分析。建立圖2所示的模型，模型為沿走向長度為300 m、傾向為100 m、高度為86 m。模型的頂部施加均布載荷，四周及底邊固定，設(shè)定法向約束。各巖層的參數(shù)采用實驗室測得的力學(xué)參數(shù)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件中的interface 可模擬巖層的接觸面直接相互擠壓、錯動及分離的作用過程，因此可通過interface命令來模擬斷層，利用接觸面的參數(shù)：法向剛度、切向剛度、粘結(jié)力及摩檫力來模擬斷層的參數(shù)，為了便于建模及計算，模型中斷層傾角45°，落差20 m。計算采用Mohr Coulomb強度準則，垮落帶采用雙屈服模型處理。

圖2 數(shù)值模型圖

3.2 工作面超前支承壓力分布

圖3為工作面推進過程中超前支承壓力的分布情況，離斷層位置分別為推進到斷層左側(cè)(上盤)80 m、55 m、30 m和0 m，推進斷層右側(cè)(下盤)25 m、50 m?？梢园l(fā)現(xiàn)：在斷層上盤時，工作面推進過程中離斷層距離越近，超前支承壓力峰值不斷增大，從10.67 MPa增加到26.5 MPa，離斷層越近，峰值應(yīng)力增加的梯度越大。當回采到斷層位置附近時，由于斷層對應(yīng)力的阻隔作用，高應(yīng)力的作用范圍逐漸減小，應(yīng)力更多是集中于斷層位置區(qū)域的巖層。當在工作面下盤開采時，工作面超前支承壓力峰值明顯小于上盤開采時期，僅有6 MPa左右；但斷層附近巖體的應(yīng)力集中系數(shù)進一步增大。

3.3 超前影響階段圍巖巷道應(yīng)力及破壞特征

工作面回采時，在斷層附近應(yīng)力集中系數(shù)顯著增大，回采巷道必然受到超前支承壓力的擾動影響，斷層附近更是如此。圖4為巷道不同測點受工作面超前支承壓力影響下的塑性區(qū)分布，1號測點選取斷層影響較弱處，2號測點選取斷層影響較強的上盤位置，3號測點選取斷層影響較強的下盤位置。從圖5可以發(fā)現(xiàn)：1號測點在超前支承壓力影響下，巷道最大塑性破化深度左幫3 m、右?guī)? m、頂板6 m，右?guī)退苄詤^(qū)與工作面前方煤體塑性區(qū)有貫通趨勢；2號測點巷道最大塑性破壞深度左幫4 m、右?guī)团c頂板塑性區(qū)與工作面前方煤體及頂板塑性區(qū)貫通，破壞嚴重；3號測點巷道最大塑性破壞深度左幫2 m、頂板3 m，右?guī)退苄詤^(qū)與工作面前方煤體塑性區(qū)貫通；說明在斷層影響下，當巷道位于斷層上盤時，巷道超前影響段圍巖破壞嚴重；當巷道位于斷層下盤附近時，巷道圍巖破壞程度較小。

圖4 巷道不同位置處塑性區(qū)分布圖

圖5 巷道不同位置處幫部應(yīng)力分布圖

圖5為不同測點處的垂直應(yīng)力分布曲線，可以發(fā)現(xiàn)，斷層上盤影響段垂直應(yīng)力峰值最大，且峰值點離巷道幫部最近，導(dǎo)致巷道煤巖體處于高應(yīng)力中，巷道失穩(wěn)破壞。斷層下盤影響段，垂直應(yīng)力峰值最小，且峰值點離巷道幫部最遠，巷道穩(wěn)定性相對較好。因此在工作面回采過程中，工作面推進到斷層附近時需加強支護，尤其是對于實體煤側(cè)，煤巖破碎，支護困難。從巷道圍巖變形破壞的特征來看，塑性區(qū)主要集中在實體煤側(cè)及巷道頂板，呈現(xiàn)不對稱特征，需要對巷道不同區(qū)域進行針對性控制。

4 結(jié) 語

1) 本文以增子坊礦5300-1工作面位于具體工程地質(zhì)條件為背景，分析其斷層的賦存情況及影響，基于前人的研究分析，總結(jié)了斷層對地質(zhì)災(zāi)害形成的影響規(guī)律。

2) 通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬斷層影響下工作面超前支承壓力的分布規(guī)律、巷道不同位置超前影響段垂直應(yīng)力分布及圍巖破壞特征，結(jié)果顯示：在斷層上盤，工作面推進離斷層越近，超前應(yīng)力峰值越大，斷層附近巖體應(yīng)力越集中；工作面推進到下盤時，超前應(yīng)力峰值較?。幌锏涝跀鄬由媳P附近時，在應(yīng)力與斷層耦合作用下應(yīng)力集中，圍巖變形破壞嚴重；巷道在斷層下盤附近時，應(yīng)力較小，圍巖破壞甚至小于無斷層影響下的巷道。

3) 本文分析了斷層下工作面及巷道圍巖應(yīng)力及破壞特征，這對于工作面回采時的安全生產(chǎn)具有重要意義，對同類礦山斷層影響工作面回采具有一定的指導(dǎo)意義。