某掘進(jìn)巷道過斷層的應(yīng)力演化規(guī)律及預(yù)防措施

楊 陽(yáng) 郭 雷 張 恒 李?yuàn)W博 黃一祖 張繼濤3

（1.山東唐口煤業(yè)有限公司；2.南陽(yáng)理工學(xué)院土木工程學(xué)院）

沖擊地壓是指井下圍巖突然發(fā)生破壞而引起的劇烈震動(dòng)，同時(shí)伴有大量煤巖塊拋出的一種礦壓動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象，這種現(xiàn)象嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)［1-3］。斷層是沖擊地壓事故產(chǎn)生的易發(fā)區(qū)域，這主要是由于斷層可以阻隔應(yīng)力的傳遞，造成煤巖體局部應(yīng)力集中，同時(shí)，斷層結(jié)構(gòu)面為弱面，采掘影響下斷層極易產(chǎn)生活化，從而引起斷層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)［4-5］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬對(duì)斷層誘發(fā)沖擊地壓的現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究［6］。例如BERGER P等［7］指出受地質(zhì)因素影響的逆沖斷層具有深部?jī)A角較大、而淺部?jī)A角較小的特征，分析了逆沖斷層周圍的應(yīng)力分布特征，指出其誘發(fā)沖擊的機(jī)理。孫平遠(yuǎn)等［8］采用數(shù)值模擬，研究了傾角變化對(duì)斷層周圍應(yīng)力的改變，并指出了斷層失穩(wěn)過程中的破裂特征。然而數(shù)值模擬方法多采用平面應(yīng)變模型，由于地下構(gòu)造的復(fù)雜性，平面應(yīng)變模型往往不能完整地反映出采動(dòng)與斷層的相互作用，并且斷層對(duì)掘進(jìn)巷道的影響范圍均采用預(yù)估的方法，沒有確切的實(shí)驗(yàn)和理論數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐。

因此，采用三維數(shù)值模擬方法來研究斷層的應(yīng)力分布特征問題是非常有必要的。為了探究斷層對(duì)掘進(jìn)巷道的影響范圍，本研究以2-216工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)模型進(jìn)行FLAC3D數(shù)值試驗(yàn)，以期定量分析斷層的影響范圍，為后續(xù)工作面巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)，對(duì)類似工作面的安全掘進(jìn)也具有一定借鑒意義。

1 工程概況

2-216工作面地表處于洪洞縣南溝村東北部；背面距鑫磊煤業(yè)工業(yè)廣場(chǎng)約1 000 m，東北方向距上跑蹄村約800 m，東側(cè)距上跑蹄工業(yè)廣場(chǎng)約1 600 m，西南側(cè)距南溝村約300 m。黃土覆蓋厚度為31～89 m，基巖厚度為39～492 m。工作面位于310 m水平二采區(qū)的正前軌道巷左側(cè)，東北方向緊鄰二采區(qū)正前軌道巷，東側(cè)距離2-206工作面約310 m，其余方向無任何工作面。2-216工作面內(nèi)煤層整體為單斜構(gòu)造，東北高西南低，工作面煤層開采時(shí)整體坡度較小。工作面煤層傾角一般為9°，預(yù)計(jì)在工作面掘進(jìn)途中會(huì)揭露9條斷層。其中，副巷揭露的F1388斷層對(duì)工作面掘進(jìn)影響較大。

2 掘進(jìn)巷道過斷層應(yīng)力演化規(guī)律數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

為研究煤柱以及斷層對(duì)巷道掘進(jìn)的影響，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)2-216工作面進(jìn)行數(shù)值模擬，以得到掘進(jìn)過程中應(yīng)力演化規(guī)律。巷道掘進(jìn)過程的數(shù)值計(jì)算模型以2-216工作面實(shí)際地質(zhì)情況為依據(jù)進(jìn)行建模，模型尺寸為300 m×90 m×60 m（長(zhǎng)×寬×高），其中巷道截面尺寸為5.0 m×5.0 m（寬×高），模型共7層巖層，如圖1所示。

模型縱向高度為400 m，由單元和網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)組成，數(shù)量分別為13 230和16 126個(gè)，因此，設(shè)置9.8 MPa的上覆巖層等效荷載于模型上部。模型的前、后、左、右、底各面均采用固支方式。

2.2 細(xì)觀參數(shù)選取

基于2-216工作面實(shí)際地質(zhì)條件，并對(duì)其進(jìn)行巖層系統(tǒng)整合歸類，結(jié)合頂?shù)装寮懊簩拥氖覂?nèi)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行微觀力學(xué)參數(shù)選取，具體參數(shù)見表1。

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2.3 模擬方案及結(jié)果分析

對(duì)所建模型進(jìn)行靜力平衡，按照距離斷層位置100，90，80，70，60，50，40，30，20，10，0 m分別開挖巷道，得到工作面距斷層不同距離時(shí)垂直應(yīng)力分布云圖，部分結(jié)果如圖2所示。

可以看出，隨著掘進(jìn)迎頭逐漸靠近斷層，斷層附近的應(yīng)力變化范圍和應(yīng)力集中程度逐漸增加。當(dāng)迎頭距斷層100 m時(shí)，斷層開始受到擾動(dòng)，此時(shí)斷層周圍應(yīng)力集中程度明顯較低，最大僅為20.8 MPa，應(yīng)力變化范圍也較小，斷層受掘進(jìn)擾動(dòng)的影響產(chǎn)生較小的滑動(dòng)。當(dāng)迎頭距離60 m時(shí)，斷層周圍應(yīng)力集中程度相比于距斷層100 m時(shí)增加不大，但應(yīng)力集中范圍明顯增加，這說明斷層雖受掘進(jìn)擾動(dòng)的影響，但是由于斷層存在一定的強(qiáng)度，所以斷層失穩(wěn)程度不大，此時(shí)掘進(jìn)工作面相對(duì)安全。當(dāng)迎頭距離斷層40 m時(shí)，掘進(jìn)迎頭擾動(dòng)完全作用于斷層，此時(shí)斷層周圍的應(yīng)力集中程度進(jìn)一步增大，達(dá)到21.66 MPa，同時(shí)斷層的應(yīng)力集中范圍進(jìn)一步增加，斷層失穩(wěn)的沖擊危險(xiǎn)性明顯增大。當(dāng)迎頭掘進(jìn)至斷層時(shí)，斷層周圍的應(yīng)力集中程度達(dá)到最大值22.6 MPa，此時(shí)滑動(dòng)面周圍有應(yīng)力釋放的特征，斷層產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。

為了進(jìn)一步探究斷層周圍的應(yīng)力變化情況，通過布設(shè)在斷層四周的應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)，獲得斷層面上集中應(yīng)力在掘進(jìn)迎頭位置的改變下其相應(yīng)的變化，如圖3所示。

當(dāng)掘進(jìn)迎頭位置與斷層距離為40 m時(shí)，斷層面四周產(chǎn)生的集中應(yīng)力大小隨著距離的減小逐漸增加，應(yīng)力的變化速率顯著提高。由此可得，在距離斷層面40 m時(shí)起，工作面的超前支承壓力將會(huì)因斷層的存在而有一定的影響，斷層附近應(yīng)力集中的現(xiàn)象更加明顯，應(yīng)力集中系數(shù)并不高，但掘進(jìn)過程中仍應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于沖擊危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)并準(zhǔn)備卸壓工作。

3 掘進(jìn)過斷層期間的預(yù)防措施探討

3.1 工作面過斷層技術(shù)措施

（1）在工作面過斷層時(shí)，于斷層面的上下盤處分別以“破頂留底煤”和“破底留頂煤”為標(biāo)準(zhǔn)施工，從而使斷層面上二盤得以相隨。

（2）工作面頂板較破碎區(qū)域及時(shí)上經(jīng)緯網(wǎng)維護(hù)頂板，同時(shí)配合前梁上道軌或工字鋼維護(hù)頂板。

（3）當(dāng)存在小于1 m的斷層被工作面穿越時(shí)，可以通過對(duì)支架的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)以及開震動(dòng)炮來破頂和破底，或采取對(duì)上盤留頂三角煤、下盤留底三角煤協(xié)同機(jī)組進(jìn)行截割的措施，以致上下兩盤相隨，臺(tái)階高度不允許超過0.2 m，若超出允許值，則必須先用原木或者板梁于無頂支架上構(gòu)頂后，再調(diào)高并且鎖緊支架。

（4）縮減工作面中斷層的暴露面積，遇斷層時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整工作面方向。

（5）依照斷層性質(zhì)、標(biāo)高和頂?shù)装鍘r層硬度等因素，確定采用挑頂和下切的方法穿過斷層，遵循利于頂板日常維護(hù)、減少破巖量的原則。

（6）巖石的普氏系數(shù)f＜4時(shí)，允許采取直接割巖的方法，并調(diào)低牽引速度。

（7）穿過斷層要提前、趨緩降低采高，減削破巖量，提高支架穩(wěn)定程度，同時(shí)，對(duì)立柱的伸縮余量要有足夠的保留，保持支架的正常工作狀態(tài)。

（8）對(duì)斷層段需要采取下切或留底進(jìn)行側(cè)斜回采時(shí)，應(yīng)維持頂?shù)装鍌?cè)斜的方向均勻變動(dòng)，確保支架和輸送機(jī)槽的正常工作。

3.2 工作面過斷層卸壓措施

基于數(shù)值模擬結(jié)果，掘進(jìn)距斷層40 m時(shí)，應(yīng)進(jìn)行沖擊災(zāi)害的預(yù)防，確保工作面安全掘進(jìn)。預(yù)防措施可采用大直徑卸壓鉆孔預(yù)卸壓：①鉆孔孔深不低于15 m；②鉆孔間距不大于3 m；③鉆孔直徑為110 mm；④鉆孔高度位置為煤層中部；⑤所有卸壓孔均垂直于煤壁，最大俯仰角不超過3°，若受現(xiàn)場(chǎng)施工的條件制約，與煤壁最大角度不得大于45°。

3.3 實(shí)踐成果

通過對(duì)開展鉆孔預(yù)卸壓工作，在2-216工作面向前掘進(jìn)時(shí)期并無大煤炮產(chǎn)生，同時(shí)應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)和鉆屑法監(jiān)測(cè)均未產(chǎn)生超標(biāo)現(xiàn)象，說明卸壓防沖效果較好，滿足了礦井安全生產(chǎn)要求。

4 結(jié) 論

（1）通過對(duì)2-216工作面掘進(jìn)期間的斷層應(yīng)力分布特征研究，指出了當(dāng)掘進(jìn)迎頭位置與斷層距離為40 m時(shí)，斷層面四周產(chǎn)生的集中應(yīng)力大小隨著其距離的減小逐漸增加，并且增加趨勢(shì)逐漸顯著。

（2）工作面距離斷層40 m位置時(shí)進(jìn)行加密大直徑鉆孔卸壓的措施，取得了良好的卸壓防沖效果。