深部開采臨近斷層應力場演化規律研究

羅 浩，李忠華，王愛文，肖永惠

(遼寧工程技術大學 力學與工程學院,遼寧 阜新 123000)

深部開采臨近斷層應力場演化規律研究

羅 浩，李忠華，王愛文，肖永惠

(遼寧工程技術大學 力學與工程學院,遼寧 阜新 123000)

針對耿村煤礦東部區段深部開采臨近F16逆沖斷層容易造成沖擊地壓問題，采用數值計算與相似材料實驗相結合的研究方法，研究了隨開采深度增加及臨近F16斷層過程中圍巖應力場演化規律。研究結果表明，隨著開采深度的增加及臨近F16斷層，增大了圍巖應力集中程度，在斷層上盤巖體水平推力、覆巖重力以及采空區巖層下滑力疊加作用下容易使得斷層下盤巖體以某一軸線發生扭轉，增大了沖擊危險性。綜合判斷其沖擊地壓失穩模式為F16逆沖斷層、井田境界煤柱影響下的高應力、大范圍、區域性失穩。

深部開采；沖擊地壓；逆沖斷層；應力演化；相似材料模擬

隨著礦井開采深度和強度的不斷增加，深部采區地質構造、應力場特征、煤巖體的破碎性質與動力響應特征均發生了顯著變化，深部礦井動力災害的致災機理、觸發條件、演化規律以及顯現特征明顯不同于淺部煤礦工程。我國煤炭資源已轉入深部開采，相關的基礎研究還不夠系統深入，缺乏對深部開采條件下動力災害的孕育-發生-演化機理的研究[1-2]。深部開采不能忽略的一個問題就是地下斷層，斷層的存在會破壞巖層的正常移動規律，使巖層移動復雜化。斷層帶的強度相對于周圍巖體小很多，巖層移動過程中，容易產生沿斷層面的剪切滑移，造成斷層活化，使得斷層附近的巷道、井筒遭到嚴重破壞。其次，斷層附近常常會存在很高的構造應力，當工作面向斷層推進時，斷層構造應力與工作面超前支承壓力疊加，形成高應力集中，當應力集中程度超過煤巖體的強度極限時，就可能引發斷層型沖擊地壓。地下斷層的廣泛存在嚴重影響了煤礦井下采區的正常布置[3-5]，臨近斷層采掘導致斷層活化容易發生沖擊地壓和強礦震，是更高層次量變到質變的過程，該項研究對于深部開采防災減災至關重要。

一直以來，國內外學者對斷層影響下的采礦活動進行了大量研究[6-14]。潘一山等[10-11]將沖擊地壓分為煤體壓縮型、頂板斷裂型和斷層錯動3種基本類型，并分別研究其發生機理，提出了一些有針對性的治理措施，建立了擾動響應穩定性判別準則，并對斷層沖擊地壓的一個簡單模型進行了解析分析。潘岳等[12-13]采用折迭突變模型對斷層沖擊地壓進行了進一步的理論研究，用解析方式對斷層失穩前兆階段及失穩(震)后階段系統的穩定性作出了符合物理意義和實際觀察的描述，給出了斷層失穩前后的錯距和圍巖彈性能釋放量計算公式。王學濱等[14]應用應變梯度塑性理論及能量準則，提出了斷層巖爆的失穩判據解析解。目前對斷層附近沖擊地壓的研究仍較少，大部分研究僅是對理論或震后所造成的災害情況進行統計分析，實際經驗較多，缺乏具有針對性的開采活動引起斷層型沖擊地壓應力場演化規律研究。

在前人研究的基礎上，本文以耿村煤礦為實例，采用數值計算和實驗室相似模擬實驗相結合的方法，研究在13210，13230，13250，13270工作面開采臨近F16斷層過程中工作面和圍巖應力場演化規律，為后續開采進行總體部署、開采設計、沖擊地壓和強礦震災害預測防治等其它研究工作提供科學依據，為國內同類礦山和巖石工程提供實驗和應用基礎。

1 地質概況

耿村煤礦東部采區東翼靠近千秋井田境界煤柱，而千秋煤礦靠近耿村井田的工作面已經回采完畢。耿村東區13170，13190工作面已經開采完畢，沿煤層傾向向下的13210工作面已安裝設備準備回采，繼續向下逐漸靠近井田南部F16斷層的接續13230，13250，13270工作面，各個工作面回采時上區段回采完畢，下區段未進行回采，屬于半島工作面，由于一側采空，回風巷道受上區段工作面頂板活動影響，運輸巷道在原巖應力區，未進行卸壓，均具有沖擊危險性。

工作面回采采用走向長壁式布置，綜合機械化放頂煤采煤工藝。工作面回采的煤層為2-3煤，煤層厚度平均為10.5 m，煤層傾角10°～14°，黑色，呈塊狀和粉末狀，煤巖成分以暗煤為主，夾亮煤條帶，瀝青光澤，屬半暗型煤，裂隙發育，裂隙被方解石脈充填；基本頂為分層厚度6～10 m、總厚度大于100 m的堅硬砂巖；直接頂為灰黑色、黑色泥巖、粉砂質泥巖，具隱蔽水平層理，含少量動植物化石碎片，致密堅硬，中上部有少量黃鐵礦結核，平均厚度20.5 m；直接底為深灰色泥巖，厚1.2～4.2 m，平均2.5 m，致密塊狀結構，斷口較平坦，裂隙發育。如圖1所示，13210工作面下巷標高+1～+45 m，上巷標高+40～+75 m，地面標高：+625～+656 m，平均采深600 m。

圖1 耿村煤礦東部區段地質剖面圖Fig.1 Geological profile of the eastern mining area in Gengcun Mine

圖1中F16為區域性逆沖斷層，屬于三門峽-平輿斷層的組成部分，在陜澠-義馬礦區，延展長度約45 km，走向近東西，傾向南略偏東，淺部傾角75°，深部傾角一般15°～35°，落差50～450 m，斷距由耿村向西逐漸變小。F16斷層為壓性逆沖斷裂，逆沖斷面上陡下緩呈犁式，淺部斷層面傾角大，切層向下逐漸平緩，局部出現下切，當遇到巨厚的礫巖層時，其作用力減小，且礫巖層產生剛性斷裂，因此造成了斷層下部水平斷距大，上部水平斷距小，上陡下緩的鏟狀斷層，這種狀態下，受F16斷層影響的耿村井田內的采掘工程容易造成F16斷層的滑移失穩。

2 數值計算

2.1 模型的建立

模型考慮了臨近耿村井田的千秋煤礦工作面形成的大范圍采空區及F16大斷層影響，三維計算模型如圖2所示，模型尺寸為1 400 m×1 030 m×500 m，煤層傾角10°，斷層傾角60°，模型共計298 710個單元，315 974個節點。巖層屬性參數見表1，同時在模型上下盤間添加接觸面模擬斷層帶，接觸面采用庫侖剪切模型，主要參數參見文獻[15]，法向剛度2 GN/m，剪切剛度5 GN/m，內摩擦角20°，黏聚力0.5 MPa。模型頂部施加100 m上覆巖層自重，即2.5 MPa，根據相鄰礦區千秋煤礦地應力大小模型水平方向施加1.2倍的豎直方向應力，模型底端固定。在開采煤層中設置了監測點，記錄各參量隨回采過程的動態變化規律，為盡可能準確地顯示煤層受力情況，模型中煤層及斷層附近單元網格劃分較密，遠離煤層單元劃分較疏。

表1巖層屬性參數
Table1Rockpropertyparameters

巖層體積模量/GPa剪切模量/GPa內聚力/MPa內摩擦角/(°)抗拉強度/MPa密度/(kg·m-3)覆巖8 187 753 228 22 52680頂板11 218 763 730 62 72620煤層1 671 471 825 81 41450底板8 187 754 228 73 12530

圖2 耿村東部采區數值模型Fig.2 The numerical model of the eastern mining area in Gengcun Mine

2.2 采動過程中水平應力場演化規律

圖3為東區13170，13190工作面開采后煤層底板水平應力云圖，從圖中可以看出千秋煤礦工作面開采后形成大范圍的采空區，采空區上覆巖層質量轉移至未采區域，致使井田境界煤柱附近形成應力集中區域，聚集大量的彈性能，根據數值計算結果，此應力增高區域擴展至耿村井田境界300 m左右。13170，13190工作面開采后在13190工作面傾向下部實體煤層底板形成應力增高區域。結合13210工作面布置圖可以分析出該工作面巷道掘進期間發生的沖擊地壓與此應力集中區域有很大關系。

圖3 13170，13190工作面回采完成后煤層底板水平應力Fig.3 Horizontal stress distribution of the coal floor after finishing 13170，13190 working face

隨著后期13210工作面延續，開采深度逐漸增加，開采區域逐漸臨近F16斷層，為尋求圍巖應力場隨開采深度增加以及工作面臨近F16逆沖斷層開采時圍巖應力演化規律，本模型模擬開挖了13210，13230，13250及13270工作面，圖3和4為各個工作面分別開采后煤層底板水平應力分布云圖。由數值計算結果可以看出，隨著13210，13230，13250，13270的開采工作面逐漸臨近F16斷層，采空區范圍不斷擴大，高位巖層活動量不斷增大，采空區傾向下部煤層底板應力集中區向斷層方向移動，與千秋礦井田境界煤柱水平應力集中區向斷層方向移動，且范圍不斷擴大。如圖4(c)所示，13250工作面回采完成后井田境界煤柱水平應力與未采的13270工作面底板水平應力疊加達到最值，斷層另一側水平應力逐漸增高，13250工作面沖擊危險性增大。圖4(d)中13270工作面回采完成后應力集中區域轉移至斷層另一側，13270工作面發生斷層型沖擊危險性增大。

2.3 采動過程中垂直應力場演化規律

圖5為13170,13190工作面回采后圍巖垂直應力分布云圖。由圖中可看出采空區上方及采空區下方巖層應力釋放，形成低應力區，應力集中區向采空區兩側轉移，煤柱處垂直應力較大。

各個工作面開采后圍巖垂直應力分布規律如圖6所示。由圖可以看出，工作面相繼回采后，采空區上方頂板、下方底板垂直應力降低，垂直應力集中區轉移至回采區域前方，應力集中區域面積隨工作面向深部發展而減小，應力峰值不斷升高。對比水平應力云圖可以看出垂直應力變化與水平應力變化表現出同步性，13250工作面回采結束后，未采的13270工作面垂直應力峰值達到最大，13270工作面回采結束后，采空區下方應力降低，斷層另一側垂直應力升高。因此，隨著工作面不斷臨近F16斷層，開采深度不斷加大，工作面前方煤體垂直應力集中程度逐漸增加，受F16斷層影響愈加顯著，沖擊危險性增強。

圖7 回采完成后下區段煤體垂直應力Fig.7 Vertical stress of the coming section coal after finishing the extraction

數值計算過程中對工作面下區段煤體垂直應力進行監測，如圖7所示，工作面開采完成后下區段煤體垂直應力呈現先增大然后減小趨于穩定的趨勢，13250工作面回采完成后，距煤壁前方43 m處垂直應力達到最大。綜合以上數值計算分析耿村煤礦東區沖擊地壓屬于F16逆沖斷層、井田境界煤柱影響下的高應力、大范圍、區域性失穩。

3 相似材料模擬實驗

為驗證數值計算的有效性，對耿村煤礦深部開采臨近斷層進行了相似模擬實驗。相似模擬實驗采用與原模型力學性質相似的材料，在滿足邊界相似、幾何相似、運動相似、動力相似條件下，按照一定的比例模擬巖體及煤層，在斷層面鋪設聚乙烯材料并添加適量云母粉，使在相應的時期內造成與實際礦井相似的礦山壓力現象，同時在斷層位置布置A，B，C三個剪切應力監測點，如圖8所示。模型選擇石英砂作為骨料，石灰、石膏作為膠結物，根據材料不同配比分層模擬相應的煤層及巖層。

圖8 相似材料模型全貌Fig.8 The panorama of the similar material model

模型開采過程中每次挖空一個工作面，待200 min穩定后繼續挖下一個工作面，累計時間約為1 200 min。圖9為各工作面開采完成后采場及覆巖破壞情況。圖10為工作面開采過程中F16斷層面監測點剪切應力變化情況。通過相似材料模擬實驗結果可以看出,采掘完成后，頂板垮落充滿采空區，上覆巖層出現了“V”形或倒“V”形裂隙，如圖9紅色虛線所示。對比圖9和圖10可以看出，斷層帶剪切應力不斷變化進行振蕩調整，由一個平衡狀態過渡至另一個平衡狀態，開采13230工作面至755 min時發生底板局部失穩現象，此過程中斷層位置3個剪應力監測值先降低后升高，然后大幅度波動，其主要原因可能為臨近千秋井田境界煤柱，受高水平應力擠壓作用導致煤層底板失穩破壞。開采13250工作面至825 min時頂板發生大范圍失穩現象，與數值計算中垂直應力達到最大值結果吻合，此時3個剪應力監測值同時產生劇烈振蕩，其主要原因為:在斷層上盤巖體水平推力、覆巖重力以及采空區巖層下滑力疊加作用下,使得斷層下盤巖體以某一軸線向左下方扭轉，扭轉的支撐部分為回采區域前方煤體，導致工作面與斷層帶范圍內的圍巖應力更加集中，增大了開采過程中的沖擊危險性(圖9)。開采至13270工作面時，產生了與斷層傾角一致的裂隙帶，斷層發生活化，“扭轉效應”更加明顯，該過程中B測點剪應力大幅升高，而后降低。因此，耿村煤礦東區沖擊地壓屬于F16逆沖斷層、井田境界煤柱影響下的高應力、大范圍、區域性失穩。

圖9 開采完成后圍巖破壞情況Fig.9 The failure forms of surrounding rock after finishing the extraction

圖10 監測點剪切應力變化規律Fig.10 Shear stress change law of the monitoring point

4 結 論

(1)隨著工作面向F16逆沖斷層布置，開采深度不斷加大，高應力集中區域逐漸向井田境界煤柱和F16斷層方向轉移，且距離F16斷層越近增加梯度越大，工作面開采完成后下區段煤體垂直應力呈先增大后減小至穩定的趨勢，13250工作面回采完成后，距煤壁前方43 m處垂直應力達到最大。

(2)在斷層上盤巖體水平推力、覆巖重力以及采空區巖層下滑力疊加作用下使得斷層下盤巖體以回采區域前方煤體為軸線向左下方扭轉，導致工作面與斷層帶附近的圍巖應力更加集中，增大了開采過程中的沖擊危險性。

(3)通過相似模擬實驗發現，13250,13270工作面的開采對斷層的擾動作用明顯，13270工作面開采后斷層活化，產生了與斷層傾角一致的裂隙帶，同時斷層帶B監測點剪切應力升高。數值計算和相似模擬實驗同時判斷耿村煤礦東區沖擊地壓屬于F16逆沖斷層、井田境界煤柱影響下的高應力、大范圍、區域性失穩。

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Studyontheevolutionlawofstressfieldwhenapproachingfaultindeepmining

LUO Hao,LI Zhong-hua,WANG Ai-wen,XIAO Yong-hui

(SchoolofMechanicsandEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

According to the problems which F16 thrust fault can easily cause rockburst in the deep mining of the eastern mining area in Gengcun Mine,the evolution law of surrounding rock stress field was studied as the increasing of mining depth and approaching to the F16 fault by using numerical calculation and similar material experiment.Research results show that the degree of surrounding rock stress concentration becomes higher as the increasing of mining depth and approaching to the F16 fault.The fault footwall rock occurs torsion easily in an uncertain axis under the action of superposition that horizontal thrust of fault upper wall rock,the gravity of overburden rock and glide force of goaf’s rock mass,and rockburst hazard increased.It is determined comprehensively that rockburst occurred pattern is high stress and large range,regional instability under the influence of F16 trust fault and mining field boundary coal pillar.

deep mining;rockburst;thrust fault;stress evolution;similar material simulation

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2006

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2010CB226803)；國家自然科學基金面上資助項目(11172121，51174107)

羅 浩(1987—)，男，遼寧開原人，博士研究生。E-mail:luohao8711@163.com

TD322

A

0253-9993(2014)02-0322-06

羅 浩，李忠華，王愛文，等.深部開采臨近斷層應力場演化規律研究[J].煤炭學報,2014,39(2):322-327.

Luo Hao,Li Zhonghua,Wang Aiwen,et al.Study on theevolution law of stress field when approaching fault in deep mining[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):322-327.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2006