下盤向正斷層開采保護(hù)煤柱受力及變形規(guī)律研究

和國瑞 白方強(qiáng) 葛林峰

(中達(dá)集團(tuán)焦家溝煤業(yè)有限公司)

下盤向正斷層開采保護(hù)煤柱受力及變形規(guī)律研究

和國瑞 白方強(qiáng) 葛林峰

(中達(dá)集團(tuán)焦家溝煤業(yè)有限公司)

為探明正斷層附近開采的致災(zāi)規(guī)律，為斷層煤柱尺寸的選擇提供理論依據(jù)，采用FLAC3D軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，研究下盤向正斷層開采時(shí)不同尺寸斷層煤柱的支承應(yīng)力和覆巖變形規(guī)律。研究表明：因斷層松軟破碎，阻隔了采動應(yīng)力傳遞，斷層保護(hù)煤柱尺寸越小，煤柱內(nèi)支承應(yīng)力峰值越大，當(dāng)斷層煤柱減小至15 m時(shí)，應(yīng)力峰值突增，致使煤柱發(fā)生塑性破壞，釋放彈性能，易誘發(fā)煤柱沖擊地壓；當(dāng)斷層煤柱大于40 m時(shí)，頂板沉降受斷層影響較小，沉降曲線呈現(xiàn)對稱“U”盆地狀，當(dāng)煤柱尺寸進(jìn)一步減小時(shí)，頂板沉降呈現(xiàn)非對稱性“√”盆地狀，最大下沉點(diǎn)位于斷層側(cè)，需加強(qiáng)工作面超前支護(hù)，防止壓架、圍巖大變形等情況的發(fā)生。結(jié)果為工作面安全開采提供了參考依據(jù)。

正斷層 下盤開采 保護(hù)煤柱 支承應(yīng)力 變形規(guī)律

斷層是我國煤炭開采中極為常見的地質(zhì)構(gòu)造，其附近會存在較大的應(yīng)力集中，當(dāng)受到工作面開采擾動時(shí)，易活化失穩(wěn)[1-3]。針對斷層煤柱留設(shè)尺寸的問題，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。李偉[4]通過FLAC3D數(shù)值軟件模擬了不同尺寸斷層煤柱與不同工作面寬度組合時(shí)的圍巖破壞情況，研究表明，當(dāng)斷層尺寸一定時(shí)，隨工作面寬度的增加，圍巖破壞加劇。董永[5]從礦壓作用、水力劈裂作用角度推導(dǎo)出工作面采動對巖層的破壞深度，并通過算例驗(yàn)證其正確性。徐傳偉[6]采用UDEC數(shù)值軟件模擬了下盤工作面向逆斷層推進(jìn)過程中的支承應(yīng)力演化特征，研究表明，隨工作面向斷層推進(jìn)，支承應(yīng)力存在先減小后增大的變化趨勢。因此，斷層煤柱尺寸的大小對于礦井的安全生產(chǎn)有著至關(guān)重要的影響。本文采用FLAC3D數(shù)值軟件模擬下盤向正斷層推進(jìn)時(shí)，不同尺寸斷層煤柱下的支承應(yīng)力和圍巖的演化規(guī)律，為現(xiàn)場開采提供理論指導(dǎo)。

1 正斷層的賦存狀態(tài)

根據(jù)斷層兩盤相對運(yùn)動的性質(zhì)和力學(xué)背景，可分為正斷層、逆斷層和走向滑動斷層。通常將上盤下降、下盤上升的斷層稱為正斷層，如圖1所示。

正斷層是在重力和構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的附加張力共同作用下形成的，其形成時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)如圖2所示，此時(shí)最大主應(yīng)力σ1垂直于地面，中間主應(yīng)力σ2和最小主應(yīng)力σ3平行于地面[7]。

圖1 正斷層示意

圖2 正斷層主應(yīng)力分布

2 FLAC3D數(shù)值模型建立

基于FLAC3D建模原理和模擬的需要，考慮邊界效應(yīng)，建立走向長380 m，傾向長250 m，高200 m的數(shù)值模型，由斷層上盤、斷層帶和斷層下盤3部分組成，如圖3所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

模擬斷層傾角為45°，落差為4 m，模擬煤層厚3.5 m，工作面開采寬度為140 m，沿下盤向斷層推進(jìn)。模擬埋深500 m，在模型上方施加9 MPa均布載荷補(bǔ)償未模擬斷層，兩側(cè)取0.5倍垂直應(yīng)力施加水平應(yīng)力，并限制底部垂直方向位移，限制左右兩側(cè)水平位移。巖層參數(shù)參考中達(dá)焦家溝煤礦巖層參數(shù)，如表1所示。

表1 巖層參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 垂直應(yīng)力演化規(guī)律研究

由斷層保護(hù)煤柱為30，20，10 m時(shí)的垂直應(yīng)力分布云圖(圖4)可知，以斷層帶為界，斷層上下盤應(yīng)力分布顯著不同，斷層對工作面采動應(yīng)力的阻隔效應(yīng)顯著。留設(shè)30 m煤柱，應(yīng)力峰值為29.1 MPa；當(dāng)煤柱減小至20 m時(shí)，因斷層切割了頂板的完整性，使其失去傳遞載荷的能力，隨著工作面與前方斷層保護(hù)煤柱尺寸的減少，超前支承壓力峰值不斷增大，達(dá)到31.1 MPa；當(dāng)斷層煤柱繼續(xù)減少至10 m時(shí)，此時(shí)斷層煤柱在高應(yīng)力作用下已被壓酥，發(fā)生塑性變化，不能有效承擔(dān)上覆載荷，致使應(yīng)力峰值突降為2.67 MPa。

圖5為不同寬度煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中曲線。可見，煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中程度隨斷層煤柱寬度的減小而逐步增加；當(dāng)煤柱減小至15 m時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)突增至3.38；當(dāng)煤柱寬度繼續(xù)減小至10 m時(shí)，因上覆頂板巖層載荷對煤柱繼續(xù)加壓，煤柱內(nèi)的應(yīng)力過大，使煤柱被壓酥，發(fā)生塑性破壞，此時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)開始降低，為2.62；而當(dāng)留設(shè)5 m煤柱時(shí)，煤柱破碎程度增加，承載能力更弱，應(yīng)力集中系數(shù)只有1.32。由此可見，在煤柱發(fā)生塑性破壞前存在應(yīng)力突增的現(xiàn)象。因此，在現(xiàn)場實(shí)際開采時(shí)，應(yīng)留設(shè)足夠保護(hù)煤柱，當(dāng)發(fā)現(xiàn)煤柱內(nèi)應(yīng)力突增時(shí)，需及時(shí)采取措施，預(yù)防煤柱沖擊地壓的發(fā)生。

圖4 不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布云圖

圖5 不同寬度煤柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)曲線

3.2 覆巖運(yùn)移規(guī)律分析

在煤層頂板設(shè)置測線，得到工作面距斷層不同距離時(shí)的覆巖位移變化曲線(圖6)。 可知，當(dāng)煤柱大于40 m時(shí)，頂板運(yùn)動受斷層影響較小，下沉曲線呈現(xiàn)對稱的“U”盆地狀；留設(shè)40 m斷層煤柱時(shí)，下沉曲線形狀發(fā)生變化，頂板最大下沉量為1.3 m，最大下沉位置開始偏近斷層，表明此時(shí)斷層已受到工作面采動影響；當(dāng)斷層煤柱逐步減小至15 m時(shí)，頂板下沉曲線呈明顯非對稱的“√”盆地狀，頂板最大下沉位置靠近斷層側(cè)，且隨著工作面距斷層距離越近，頂板最大下沉位移距斷層越近，表明因斷層切斷了頂板的完整性，當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層附近時(shí)，支承應(yīng)力集中，斷層活化，誘使斷層附近頂板劇烈運(yùn)動；當(dāng)留設(shè)10 m斷層煤柱時(shí)，頂板最大下沉量為2.5 m，較之前推進(jìn)相同步距時(shí)的增幅大，頂板沉降速度加快；而當(dāng)工作面推進(jìn)至距斷層5 m時(shí)，頂板下沉量突增至3.4 m，因工作面前方頂板被斷層切斷，失去傳遞力作用，使斷層煤柱產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中，當(dāng)其發(fā)生塑性破壞時(shí)，致使頂板大面積沉降，煤巖體彈性能突然釋放，極容易誘發(fā)沖擊地壓。

4 結(jié) 論

(1)下盤向正斷層推進(jìn)過程中，斷層對采動應(yīng)力傳遞的阻隔作用顯著，隨著斷層煤柱尺寸減小，應(yīng)力峰值增大，且存在應(yīng)力峰值突增

圖6 下盤工作面向斷層推進(jìn)時(shí)頂板下沉曲線

點(diǎn)，致使斷層煤柱發(fā)生塑性破壞，斷層失穩(wěn)活化。

(2)下盤開采隨斷層保護(hù)煤柱的減少，采空區(qū)頂板下沉曲線由對稱“U”盆地狀轉(zhuǎn)化為非對稱“√”盆地狀，最大沉降值位于斷層側(cè)，當(dāng)斷層煤柱減少為15 m時(shí)，頂板突降，極易造成壓架、圍巖大變形等情況，應(yīng)加強(qiáng)相應(yīng)支護(hù)。

[1] 盧興利,尤春安,孫 鋒,等.斷層保護(hù)煤柱合理留設(shè)的數(shù)值模擬分析[J].巖土力學(xué),2006(S1):239-242.

[2] 王其芳.斷層保護(hù)煤柱留設(shè)方法研究[J].有色金屬：礦山部分,2006,58(5):6-7.

[3] 趙華安,趙光明,孟祥瑞.斷層下盤留煤柱開采數(shù)值模擬[J].煤礦安全,2014，10(11):27-29.

[4] 李 偉,張廣鵬,劉志達(dá),等.斷層保護(hù)煤柱合理寬度及工作面合理寬度數(shù)值模擬研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2014(1):16-19.

[5] 董 永,孟祥瑞,高召寧.斷層影響下防水煤柱留設(shè)合理寬度研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2014(S1):241-243.

[6] 徐傳偉,蔣金泉,王 普,等.逆斷層下盤不同采高工作面支承應(yīng)力演化規(guī)律研究[J].中國煤炭,2016(8)：39-42.

[7] 黃福明.斷層力學(xué)概論[M].北京：地震出版社,2013.

2016-10-11)

和國瑞(1976—)，男，助理工程師，717300 陜西省延安市子長縣。