薄煤層工作面對斷層活化的數值模擬研究

郝瑞云, 郭五平

(山西煤炭進出口集團 科學技術研究院有限公司,太原 030006)

薄煤層工作面對斷層活化的數值模擬研究

郝瑞云, 郭五平

(山西煤炭進出口集團 科學技術研究院有限公司,太原 030006)

針對煤層較薄而頂板較厚較堅硬的情況,在回采工作面推進過程中對斷層活化的影響。采用數值模擬方式進行分析,通過對不同推進距離、頂板管理方式、斷層傾角、斷層內摩擦角、斷層內聚力進行比較研究,得到采取放頂充填方式,斷層內聚力為2 MPa,活化起始推進距離為90 m,斷層活化深度為21.5 m。不采取放頂充填方式,斷層內聚力為0.5 MPa,活化起始推進距離為60 m,斷層活化深度為52.1 m,斷層面破壞嚴重,有可能形成導水通道。

薄煤層;斷層活化;內摩擦角;推進距離

我國煤礦企業存在特別嚴重的安全問題,斷裂構造嚴重制約著礦井的安全生產,尤其是中小斷層的危害影響更為多發[1-2]。斷層附近的應力分布有很大的不同,開挖的擾動會引起斷層周邊的位移場、塑性區及應力場重新分布[3]。孟召平、彭蘇平[4-5]采用空隙觀測、顯微預裂以及力學實驗的方法,對正斷層周圍巖層的物理力學進行了研究,并通過數值模擬實驗對正斷層周圍巖層的應力分布狀態進行了深入的研究。孫玉寧[6]等人經過長期實驗研究發現:巖層頂板的垮落現象與斷層有著一定的聯系。王金安[7]利用數值模擬的手段,研究了開采地層中由于斷層構造引起的地表沉陷現象,采用經典概率積分法有效地預測了地層受到斷層影響之后的地表沉陷量大小。目前國內鮮有對工作面前方遇到斷層的現象進行深入研究,以及未能對回采工作面前方斷層進行危險評定。本文針對鹿臺山礦普采面過斷層問題,采用及數值模擬的手段對工作面斷層活化影響進行分析研究,從理論上為薄煤層工作面過斷層提供指導。

1 工程地質背景

鹿臺山礦2號煤厚度在1.57 m～2.04 m之間,平均厚度約為1.97 m,工作面走向長度約為1 401 m,傾向長度約為217 m。通過鉆孔揭露狀況以及探測結果可知,在對一采區首采面2201工作面進行開采時會遇見若干斷層,主要包括推進距離984 m處5 m落差的正斷層以及若干小正斷層。在進行巷道掘進與工作面回采的同時,將對施工造成一定的影響。表1為9#煤層巖石力學參數表。

表1 巖石物理力學試驗成果表Table1 Rock physical and mechanical test results

2 數值模型的建立

本次數值模擬采用FLAC3D5.00對影響斷層活化深度的因素進行分析[8-10]。以下為本次數值計算模型的建模方法:

由于鹿臺山煤礦地層傾角較小,假定模型內各地層水平,厚度均勻,巖層內部各向同性,并根據煤層頂底板巖層的物理力學參數表建立研究范圍內的井田模型。模型共35 800個單元體,尺寸為長×寬×高=286 m×2 m×86 m,其中煤層厚度1.3 m。斷層落差取已知最大的斷層落差5 m,并采用庫倫滑動分界面(Interface)進行模擬。模型網格采用莫爾-庫倫本構模型進行分析計算,考慮重力g=-9.81 m/s2。模型邊界條件為:底部固支,側面限制水平位移,上部利用應力邊界來模擬上覆巖層對模型的壓應力。

本次數值模擬共建立如表2所示的3種不同參數的數值模型,以分析采空區管理方法和斷層本身性質對斷層活化深度的影響。

表2 三種斷層活化數值模型參數表Table2 Parameters of three fault activation models

3 數值模擬結果

3.1充填對斷層活化的影響

圖1 模型1開挖30 m模擬結果圖Fig.1 Simulation results of mining 30 m of Model 1

圖2 模型1開挖90 m模擬結果圖Fig.2 Simulation results of mining 90 m of Model 1

圖1為模型1開挖30 m模擬結果圖,圖2為模型1開挖90 m模擬結果圖。斷層內聚力取0.5 MPa,開挖30 m即對采空區進行充填,以防止老頂懸露面積過大。工作面推進30 m時,采空區對原巖應力的擾動未達到斷層,未對斷層產生顯著影響。此時斷層內最大剪應力為0.73 MPa,未開始活化。工作面推進60 m時,采空區對原巖應力的擾動已達到斷層,對斷層已產生一定影響。此時斷層內最大剪應力為3.24 MPa,但未超過斷層極限剪應力,斷層未開始活化。工作面推進90 m時,采空區松動圈已包絡斷層,此部分斷層附近垂直應力近似于0,而水平應力還維持在5 MPa～15 MPa之間,二向應力之差使得斷層內最大剪應力峰值達到13 MPa左右,超過斷層極限剪應力,斷層開始活化,斷層剪切運動方向為上盤上升,活化深度為0 m～31.2 m。

3.2不充填對斷層活化的影響

圖3 模型2開挖30 m模擬結果圖Fig.3 Simulation results of mining 30 m of Model 2

圖4 模型2開挖90 m模擬結果圖Fig.4 Simulation results of mining 90 m of Model 2

圖3為模型2開挖30 m模擬結果圖,圖4為模型2開挖90 m模擬結果圖。斷層內聚力取0.5 MPa,不對采空區進行充填,因9號煤較薄(1.3 m)而頂板較堅硬且較厚(石灰巖8.6 m,砂質泥巖7.0 m),采空區內極易形成大面積老頂懸露。工作面推進30 m時,采空區對原巖應力的擾動未達到斷層,未對斷層產生顯著影響。此時斷層內最大剪應力為0.74 MPa,未開始活化,類似于模型1。工作面推進60 m時,采空區對原巖應力的擾動已達到小部分斷層,對小部分斷層已產生一定影響。此部分斷層附近垂直應力約為20 MPa,而水平應力約為6 MPa,二向應力之差使得斷層內最大剪應力峰值達到5.31 MPa左右,超過斷層極限剪應力,斷層開始活化,斷層剪切運動方向為上盤下降,活化深度為18.9 m～24.0 m。工作面推進90 m時,采空區松動圈已包絡全部底板斷層,此部分斷層附近垂直應力近似于0,而水平應力還維持在3 MPa～12 MPa之間,二向應力之差使得斷層內最大剪應力峰值達到11 MPa左右,超過斷層極限剪應力,斷層開始活化,斷層剪切運動方向為上盤上升,活化深度以達到模型下部邊界,即>52.1 m。

3.3內聚力對斷層活化的影響

圖5為模型3開挖30 m模擬結果圖,圖6為模型3開挖90 m模擬結果圖。斷層內聚力取2 MPa,開挖30 m即對采空區進行充填,以防止老頂懸露面積過大。工作面推進30 m時,采空區對原巖應力的擾動未達到斷層,未對斷層產生顯著影響。此時斷層內最大剪應力為0.72 MPa,未開始活化,類似于模型1。工作面推進60 m時,采空區對原巖應力的擾動已達到斷層,對斷層已產生一定影響。此時斷層內最大剪應力為3.24 MPa,但未超過斷層極限剪應力,斷層未開始活化,類似于模型1。工作面推進90 m時,采空區松動圈已包絡斷層,此部分斷層附近垂直應力近似于0,而水平應力還維持在5 MPa～13 MPa之間,二向應力之差使得斷層內最大剪應力峰值達到12 MPa左右,超過斷層極限剪應力,斷層開始活化,斷層剪切運動方向為上盤上升,活化深度為0 m～21.5 m。

圖5 模型3開挖30 m模擬結果圖Fig. 5 Simulation results of mining 30m of Model 3

4 結論

1)采取放頂充填方式,斷層內聚力為0.5 MPa,活化起始推進距離為90 m,斷層活化深度為31.2 m;斷層內聚力為2 MPa,活化起始推進距離為90 m,斷層活化深度為21.5 m。

圖6 模型3開挖90m模擬結果圖Fig.6 Simulation results of mining 30m of Model 3

2)不采取放頂充填方式,斷層內聚力為0.5 MPa,活化起始推進距離為60 m,斷層活化深度為52.1 m,斷層面破壞嚴重,有可能形成導水通道。

3)針對煤層較薄而頂板較厚較堅硬的情況,采空區頂板管理方法和斷層自身性質為斷層活化深度的主要影響因素,工作面在過斷層時應采區放頂措施對采空區進行填充,降低斷層的活化對工作面的影響。

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NumericalSimulationofFaultActivationonThinCoalSeamWorkingFace

HAORuiyun,GUOWuping
(InstituteofScienceandTechnologyCo.,Ltd.,ShanxiCoalImport&ExportGroup,Taiyuan030006,China)

With thin coal seams as well as thicker and harder roofs, the caving face was affected by fault activation in the advancing process. Numerical simulation was used to compare the different advancing distances, roof management approaches, fault inclination angles, fault internal friction angles, and fault cohesion. The results show, with the top coal filling method, the cohesive force is 2 MPa, the starting advancing distance of the fault activation is 90 m, and the depth is 21.5; without the top coal filling method, the cohesive force is 0.5 MPa, the starting advancing distance of the fault activation is 60 m, and the depth is 52.1.In addition, since the fault face is severely damaged, it is possible to form water channels.

Thin coal seam; Fault activation; internal friction Angle;forward distance

1672-5050(2017)03-0015-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.005

2017-04-03

郝瑞云(1989-),男,山西交城人,碩士,從事煤礦安全管理工作。

TD823.81

A

(編輯:劉新光)