采動下斷層巖體響應演化及頂板安全控制研究

郭崇秀

(交口縣防震減災中心，山西 交口 032400)

組成地殼的巖層或巖體因地殼的運動而產(chǎn)生斷裂面，沿斷裂面兩側巖層或巖體發(fā)生顯著相對位移，稱為斷層[1]。斷層在形成中經(jīng)歷復雜的運動過程，推拉、扭轉、研磨、錯動使得兩盤巖體異常破碎，后斷層巖體趨于穩(wěn)定直至采動作用下活化，對采場圍巖穩(wěn)定性有顯著的影響[2-3]。由于斷層巖體中節(jié)理裂隙賦存極其復雜且產(chǎn)生顯著劣化效應，采動下斷層活化程度及斷層巖體響應規(guī)律不清，斷層影響區(qū)成為事故多發(fā)區(qū)域[4]。弄清采動引起斷層巖體活化機制和響應規(guī)律，可對斷層區(qū)事故隱患超前預警，采取合理的防治措施。相關專家學者分析了斷層形成過程、應力及變形規(guī)律，研究了采動下斷層活化失穩(wěn)的影響因素和能量條件等。由于斷層發(fā)育的不規(guī)則、斷層和工作面復雜相互作用，斷層區(qū)圍巖控制成為研究難點[5]。

本文以大莊煤礦3802工作面回采期間過斷層為研究對象，采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，研究采動下斷層巖體活化響應力學機制，分析不同推進距離下斷層兩盤巖體的應力及變形演化規(guī)律，提出采動下斷層巖體結構力學模型、活化機理和應力演化規(guī)律、控制原則和技術，實現(xiàn)了工作面安全通過斷層影響區(qū)。

1 采動下斷層巖體響應力學機制

斷層的存在破壞了巖體連續(xù)性和完整性，阻斷采場應力向前方傳遞，破壞頂板破斷垮落的一般規(guī)律。建立采動與斷層相互作用結構力學模型，如圖1所示。受采動影響以前，斷層煤巖體主要承受靜載應力，為上覆巖層自重載荷。采動超前支承壓力應力向前方傳遞，到斷層處受阻形成能量積聚，動靜應力疊加形成高應力區(qū)。應力場的廣泛調整、能量的大量積聚，將必然引起斷層解鎖活化，發(fā)生顯著滑移失穩(wěn)。

圖1 采動與斷層相互作用結構模型

取斷層切割頂板分析，建立臨近斷層頂板破斷力學模型，如圖2所示。工作面垂直斷層走向推進，頂板破斷受斷層影響，可視為三邊固支、一邊剪支的薄板，破斷形成O-X結構。

對圖2頂板受力分析，得到頂板破斷極限載荷P及破斷距x[6]：

(1)

式中：P為頂板破斷極限載荷，即頂板受斷層面約束力，N；M為頂板極限彎矩，N·m；x為頂板破斷最大變形點與短邊距離，m；a、b分別為破斷頂板的長邊和短邊，m；δ為斷層傾角，°；p為頂板上均布載荷，N.

斷層A、B盤相互約束，以斷層面為鉸接點、連續(xù)梁模型來計算斷層張開位移：

(2)

式中：γC-A、γC-B分別為A、B盤在斷層處撓度，m；k1為A、B盤長度之比；EI為頂板抗彎剛度，N/m.

由γC-A=γC-B得到斷層面約束力[7]：

(3)

考慮頂板見方破斷，將a=b代入公式(1)、公式(2)、公式(3)，得到：

xC-A=k1a=0.35b

xC-B=(1-k1)a=0.65b

PC-A=28.28MP/b2

PC-B=41.33MP/b2

分析可知：

1) 當0

2) 當PC-B>PC-A時，工作面回采時上盤對頂板約束力更大，下盤開采時采動對斷層影響更大。

3)k1值越小，工作面頂板懸頂越長，斷層的張開位移越大，斷層面處將發(fā)生剪斷和相互錯動破壞，即斷層巖體做出活化響應。

2 采動下斷層巖體應力及變形的演化規(guī)律

以柳林大莊煤礦3802工作面為研究對象，采用UDEC模擬軟件研究不同回采距離下斷層煤巖體應力和破壞演化規(guī)律。

該工作面主采3號煤，平均厚度4 m，埋深500 m，工作面走向長度900 m、傾向長度200 m.煤層上方直接頂缺失，基本頂為平均厚度14.7 m的中砂巖及細砂巖，SF431正斷層貫穿3802綜放工作面，斷層角度70°，落差為10 m.模型長×高=200 m×90 m(圖3).模擬分析工作面從斷層上盤向斷層推進時，距SF431斷層16 m、8 m、0 m及通過斷層8 m時煤巖體應力和變形變化規(guī)律。

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圖3 采動斷層響應模擬模型

2.1 采動下斷層巖體活化特征

模型運算后得到不同回采距離斷層巖體活化特征，如圖4所示。

當工作面推進到距斷層面16 m和8 m時，采空區(qū)出現(xiàn)大范圍頂板斷裂垮落，煤層上方基本頂中細砂巖出現(xiàn)大量豎向裂縫及裂縫貫通擴張；平行斷層面巖體有少量裂隙開始擴展張開，減少了上下盤巖體之間摩擦力，使其有相互錯動，表現(xiàn)出明顯的活化現(xiàn)象，如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4 工作面不同距離時斷層巖體活化特征

當工作面推進斷層面上盤時，下盤煤層基本頂直至高位上覆巖層大范圍巖體出現(xiàn)豎向裂縫的擴展貫通，如圖4(c)所示。斷層面處覆巖裂隙充分張開，斷層上、下盤之間由“黏接”狀態(tài)轉化為“斷開”狀態(tài)，斷層下盤沿斷層面拉伸下沉，兩盤出現(xiàn)顯著相對移動，已經(jīng)完全活化，斷層活化失穩(wěn)使得工作面容易發(fā)生頂板臺階下沉。

當工作面推過斷層面，完全進入斷層下盤時(8 m)，上盤巖體沿著斷層面大幅滑動失穩(wěn)趨于穩(wěn)定，由于斷層面進一步拉裂和錯動，阻礙了應力和位移向下盤傳遞，煤壁前方巖體中壓力減小，頂板垮落高度減小，如圖4(d)所示?？紤]下盤基本頂懸頂較長之后發(fā)生回轉變形破斷的影響，頂板出現(xiàn)強烈來壓。

2.2 采動下斷層巖體應力變化

工作面推進至距離斷層不同距離，監(jiān)測煤體超前支承壓力，得到應力變化如圖5所示。

由圖5分析可知，工作面距離斷層越近，煤體中超前支承壓力越大，應力集中系數(shù)越大；當工作面距離斷層40 m時，應力集中系數(shù)為1.8，距離斷層10 m時，應力集中系數(shù)達到2.3，應力峰值達到30.2 MPa.

圖5 工作面與斷層不同距離時應力變化

這是因為活化以前斷層的不連續(xù)特性極大阻礙了應力及頂板變形的傳遞，能量通過煤體向斷層巖體積聚。距離斷層越近，采動頂板變形和能量在斷層大量積聚，滿足斷層兩盤發(fā)生相對錯動的能量條件，斷層巖體處于活化的臨界狀態(tài)。

3 工作面過斷層區(qū)頂板安全控制原則和技術

采用“割頂留底”的方法通過工作面斷層區(qū)域，正斷層上盤側留底煤，下盤破底。選定推進俯角不大于15°，在距斷層面15 m處開始過斷層，工作面每硐推進0.8 m，計算可以得出平均每硐提刀幅度179～277 mm.

1) 對于上盤煤巖體賦存區(qū)域，通過爆破形成斷層通道，采用控制推進速度、加強支護、破碎區(qū)注漿實現(xiàn)上盤圍巖控制，防止工作面頂板大面積臺階下沉和部分破碎頂板冒頂。

2) 對于下盤煤巖體賦存區(qū)域，通過爆破形成斷層通道，采用降低采高、鋪金屬網(wǎng)加強支護、破碎區(qū)注漿實現(xiàn)下盤圍巖控制，防止松散破碎頂板漏冒失穩(wěn)。

根據(jù)提出的斷層圍巖控制原則和技術，大莊煤礦3802工作面回采期間共揭露斷層21條，其中于2021年3月5日到3月27日成功通過落差10 m的SF431斷層，產(chǎn)生顯著經(jīng)濟效益。

與搬家重開切眼工藝相比較，直接通過斷層：①少掘搬家通道，節(jié)省巷道掘進維護費用：120 m×0.8萬元/m=96萬元；②回收斷層保護煤柱，斷層兩側各留設20 m保護煤柱，直接通過斷層按20%回收率，噸煤價格650元計算：45 760 t×20%×650元=594.88萬元。

4 結 語

1) 采動變形和應力傳遞并在斷層區(qū)積聚，動靜載疊加滿足斷層巖體活化的臨界能量條件，出現(xiàn)兩盤相互錯動的活化響應。

2) 工作面離斷層距離減小，斷層巖體受壓轉為受拉，裂縫發(fā)育貫通并平行斷層面張開，上下盤巖體摩擦力減少，基本頂塊體不易形成穩(wěn)定結構而發(fā)生臺階下沉失穩(wěn)。

3) 提出直接通過斷層上下盤分區(qū)域控制方法和原則，通過降低采高、控制推進速度、加強支護、破碎區(qū)注漿實現(xiàn)控制，現(xiàn)場工作面成功通過斷層，取得顯著經(jīng)濟效益。