郭屯煤礦工作面正斷層下盤(pán)防水煤柱留設(shè)研究

張 凱

（山東能源魯西礦業(yè)公司郭屯煤礦，山東 菏澤 274700）

郭屯煤礦突水嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)，大多數(shù)礦井突水都是受到工作面推進(jìn)過(guò)程中斷層活化的影響，斷層裂隙發(fā)育不斷擴(kuò)展，滲透性逐漸增強(qiáng)，當(dāng)斷層裂隙和頂板破壞帶導(dǎo)通時(shí)，最終導(dǎo)致礦井突水[1-3]。目前，郭屯煤礦3301 工作面受向陽(yáng)斷層影響工作面一分二，為了避免斷層突水對(duì)工作面安全造成影響，將采用FlAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)3301 工作面向陽(yáng)斷層保護(hù)煤柱寬度合理性進(jìn)行分析，同時(shí)，為今后礦井安全生產(chǎn)及礦井突水的治理提供技術(shù)支持。

1 工程背景

礦井為生產(chǎn)礦井，主采3 號(hào)煤層，采用放頂煤開(kāi)采工藝。3301 工作面位于工業(yè)廣場(chǎng)西北約2960 m，水郭線從工作面上部穿過(guò)，西側(cè)為3303 工作面。整個(gè)工作面煤層傾角平均5°。向陽(yáng)斷層（∠60°～75°，H=0～80 m）從工作面中部穿過(guò)，煤層賦存較為穩(wěn)定，平均厚度約4.5 m，頂板以粉、細(xì)砂巖為主，底板以泥巖、粉砂巖為主巖，局部有偽頂厚約0.5 m。工作面布置如圖1。

圖1 3301 工作面布置示意圖

2 理論計(jì)算

在《煤礦防治水規(guī)定》斷層安全隔水煤（巖）柱寬度計(jì)算公式中，有10 m 的保護(hù)帶厚度，考慮到向陽(yáng)斷層帶易于導(dǎo)水的張性特征和回采集中應(yīng)力對(duì)煤體的破壞作用，在回采煤壁由于支承應(yīng)力作用形成包括破碎區(qū)在內(nèi)的非彈性區(qū)。因此，考慮到安全性給予15 m 的保護(hù)帶厚度，防隔水煤柱留設(shè)寬度計(jì)算公式：

式中：L為煤柱留設(shè)的寬度，m；K為安全系數(shù)，取2；M為煤層厚度或采高，取4.5 m；P為水頭壓力，取2.07 MPa；KP為煤的抗拉強(qiáng)度，取0.53 MPa。

經(jīng)計(jì)算所得，防隔水?dāng)鄬用褐鶎挾葹?0.4 m。

3 FlAC3D 數(shù)值模型

3.1 模型建立

根據(jù)3301 工作面SX1 實(shí)際鉆孔資料，采用FlAC3D模擬軟件，對(duì)工作面斷層不同保護(hù)煤柱寬度開(kāi)采時(shí)應(yīng)力演化規(guī)律以及塑性破壞規(guī)律進(jìn)行研究。斷層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，為高度還原現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化。為消除模型邊界效應(yīng)的影響，模型傾向和走向方向各留設(shè)50 m 的保護(hù)煤柱。邊界條件設(shè)置：模型的底部邊界和左右邊界采用Fix命令固定，頂部為自由邊界，通過(guò)施加均布載荷模擬煤層上覆巖層自重載荷（15.5 MPa），利用Interface 命令建立接觸面表示斷層軟弱面。建立的模型長(zhǎng)500 m、寬800 m、高142 m，模型共有384 000 單元，412 126 節(jié)點(diǎn)。模型如圖2。

圖2 不同寬度保護(hù)煤柱幾何模型示意圖（m）

3.2 巖石力學(xué)參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)井下取樣運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，初步確定煤巖石力學(xué)屬性，井下巖石應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系常表現(xiàn)不規(guī)則特征，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)室中所得巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。模擬計(jì)算所采用的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 模擬方案

以模型向陽(yáng)斷層下盤(pán)左端位置處留設(shè)不同煤柱為開(kāi)挖起始點(diǎn)，從右往左依次開(kāi)采。為了便于研究不同保護(hù)煤柱寬度支持壓力演化規(guī)律及塑性破壞規(guī)律[4-6]，通過(guò)History 命令設(shè)置應(yīng)力檢測(cè)線并記錄工作面開(kāi)采后應(yīng)力變化特征。

4 應(yīng)力演化規(guī)律

根據(jù)上述所建立的斷層構(gòu)造模型，分別模擬分析了3301 工作面距向陽(yáng)正斷層下盤(pán)20 m、30 m、35 m 和40 m 等不同位置時(shí)超前支承應(yīng)力分布及其演化規(guī)律。超前支承應(yīng)力云圖及應(yīng)力變化特征曲線如圖3、圖4。

由圖3、圖4 可知，幾乎所有的斷層都是由松散的碎巖、泥巖等充填物組成的斷裂帶，斷裂帶對(duì)承載應(yīng)力的傳遞具有一定的阻隔作用。工作面在斷層附近作業(yè)時(shí)，支承應(yīng)力峰值不斷增大，應(yīng)力峰值位于煤壁前方約5 m 位置處，且隨著工作面距斷層越近，對(duì)盤(pán)應(yīng)力隨之增加，因此，在圖3 中表現(xiàn)出一大一小“雙峰”狀應(yīng)力曲線。研究結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果一致，間接證明了本次數(shù)值模擬的合理性。

圖3 留設(shè)不同寬度煤柱時(shí)斷層附近支承應(yīng)力云圖

圖4 留設(shè)不同寬度煤柱時(shí)斷層附近支承應(yīng)力曲線圖

在沿?cái)鄬酉卤P(pán)工作面開(kāi)采過(guò)程中，斷層下盤(pán)不易形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)。當(dāng)斷層煤柱較小時(shí)，應(yīng)力突然增大，風(fēng)險(xiǎn)大于正斷層上盤(pán)開(kāi)采[7]。當(dāng)工作面斷層保護(hù)煤柱寬度40 m 時(shí)，應(yīng)力峰值為34.72 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.98。應(yīng)力集中主要在斷層煤柱上，下盤(pán)采動(dòng)對(duì)上盤(pán)應(yīng)力分布影響不大。當(dāng)工作面斷層保護(hù)煤柱寬度減小至90 m、80 m 及60 m 時(shí)，超前支承應(yīng)力峰值不斷增加，支承應(yīng)力影響范圍明顯增大，且斷層上盤(pán)的應(yīng)力也隨著增加，應(yīng)力峰值分別為38.61 MPa、41.03 MPa 和49.63 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.21、2.34 和2.84。此時(shí)，工作面與斷層之間的煤柱內(nèi)形成較高的應(yīng)力集中。當(dāng)繼續(xù)減小斷層保護(hù)煤柱寬度時(shí)，斷層下盤(pán)上覆巖層將會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象，作用在斷層剩余煤柱中的集中應(yīng)力將會(huì)超過(guò)其自身極限破壞強(qiáng)度，剩余煤體將發(fā)生破壞，不再具有承載載荷效應(yīng)且極易誘發(fā)沖擊地壓。

5 塑性破壞區(qū)變化特征

3301 工作面距向陽(yáng)正斷層下盤(pán)20 m、30 m、35 m 和40 m 時(shí)塑性區(qū)破壞演化規(guī)律如圖5。

圖5 留設(shè)不同寬度煤柱時(shí)斷層附近塑性區(qū)破壞云圖（m）

如圖5 所示，當(dāng)斷層保護(hù)煤柱寬度為40 m 時(shí)，斷層高位巖層附近微小部分發(fā)生塑性破壞。隨著斷層煤柱寬度的減小，明顯可以看出，高位斷層更容易受采動(dòng)影響，斷層附近巖層塑性變形破壞更為劇烈。同時(shí)，工作面破壞發(fā)育高度也隨著保護(hù)煤柱寬度的減小逐漸增加。當(dāng)工作面進(jìn)一步向斷層推進(jìn)時(shí)，支承應(yīng)力和塑性區(qū)破壞范圍不斷增加，當(dāng)達(dá)到斷層煤柱極限強(qiáng)度時(shí)，會(huì)釋放大量彈性能，煤柱將不再具有承載能力，容易誘發(fā)一系列災(zāi)害事故。

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)，向陽(yáng)斷層保護(hù)煤柱寬度留設(shè)30 m 時(shí)應(yīng)停止繼續(xù)向前開(kāi)采，將剩余煤體留設(shè)為斷層隔水保護(hù)煤柱，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)因斷層活化對(duì)巷道、硐室的影響，預(yù)防礦壓災(zāi)害及頂板水害事故發(fā)生。

6 結(jié)語(yǔ)

以理論計(jì)算和數(shù)值計(jì)算手段相結(jié)合形式，對(duì)3301 工作面不同煤柱寬度條件下采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布、圍巖裂隙演化規(guī)律特征進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

（1）由于斷層阻隔性，工作面在斷層附近開(kāi)采時(shí)會(huì)在煤柱的頂板形成較高的應(yīng)力集中區(qū)域，其中高位斷層受采動(dòng)影響最為明顯。

（2）防隔水煤柱破壞多為剪切破壞，通過(guò)理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果，確定郭屯煤礦3301 工作面防隔水煤柱寬度為30 m，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)3301 工作面回采驗(yàn)證效果較好，間接證明了本次設(shè)計(jì)的可靠性。