不同傾角下工作面沿正斷層開采斷層煤柱應力演化規律研究

丁 楠 馬 寧 蔣力帥

(山東科技大學礦業與安全工程學院，山東省青島市，266510)

斷層作為常見的礦山地質構造，與采礦活動有著緊密的聯系。當工作面布置在斷層附近時，由于斷層構造破壞原巖應力，造成應力重新分布，局部區域會形成應力集中，沖擊地壓發生的可能性顯著增加。

長期以來，國內外專家學者對斷層附近的采礦活動進行了大量的研究，并取得了豐碩的研究成果。孔朋采用數值模擬的方法研究了工作面沿斷層走向推進和工作面過斷層期間，斷層帶及工作面特征參數對工作面沖擊危險性的影響。代進等研究了回采巷道沿斷層邊界布置時先采斷層上盤或先采斷層下盤兩種開采順序下，對斷層煤柱采動應力的影響。孔朋等以工作面沿正斷層走向布置時斷層兩側工作面開采為背景，采用數值模擬研究了下盤工作面接替上盤工作面開采及上盤工作面接替下盤工作面開采時，斷層兩盤煤柱應力及接替面超前支承應力的演化規律。張國龍等以趙樓煤礦斷層下盤一側采空的11303(東)工作面地質條件為背景，采用數值模擬軟件模擬分析了斷層下盤工作面背向斷層推進時，斷層煤柱應力、工作面中部及采空側斷層超前支承應力演化規律。蔣金泉、王濤等采用三維數值模擬方法，分別研究了工作面向正斷層和逆斷層推進過程中斷層煤柱應力演化特征等、煤層頂板運動特征以及斷層活化規律。

綜上所述，目前對于斷層影響區采礦活動的研究主要建立在巷道圍巖穩定性、斷層煤柱支承應力規律的基礎上。對于工作面沿斷層走向推進期間斷層傾角對煤柱穩定影響研究較少，為此，本文通過FLAC3D數值模擬研究不同斷層傾角條件下，工作面沿斷層走向回采時斷層煤柱應力演化規律，為類似條件下的采礦生產活動提供相應的理論依據。

1 工程背景與數值模擬

1.1 工程背景

趙樓煤礦5310工作面位于礦井中南部，地面標高為+43.87～+44.98 m，工作面煤層底板標高為-748.4～-861.1 m，平均開采深度635～670 m。5310工作面長度130 m(兩平巷內幫垂直平距)，工作面平均推進長度634.3 m，為五采區北翼首采工作面。運輸平巷沿DF46斷層開采，工作面具體布置方式如圖1所示。

圖1 5310工作面布置圖

1.2 數值模擬

以趙樓煤礦5310工作面地質條件為研究背景，通過FLAC3D數值模擬軟件，建立工作面沿不同斷層傾角推進的數值模型，研究斷層煤柱的應力演化規律。模擬斷層傾角分別為45°、50°、55°和60°，斷層落差12 m，模型尺寸520 m×360 m×220 m，工作面寬度為130 m，埋深650 m。為保證斷層帶兩側完整性，防止模型網格變形，采用弱化帶模擬斷層，如圖2所示。

本構模型采用Mohr-Coulomb準則，模型頂部為自由邊界，施加12.25 MPa的均布載荷，水平方向施加8.75 MPa的分布載荷，底部垂直方向及左右兩側采用位移限定邊界。煤巖物理力學參數見表1。

圖2 斷層模擬模型

巖性 密度/kg·m-3剪切模量/1010Pa抗拉強度/MPa內聚力/MPa內摩擦角/(°)泥巖23400.32.152.525粉砂巖27500.4844.472.330中砂巖27000.3384.194.2628煤13500.31.201.425.2細砂巖27000.4382.152.528斷層帶20000.000350.400.0015

2 不同傾角上盤煤柱應力演化規律

上盤工作面沿斷層開采時，不同傾角條件下斷層煤柱寬度為30 m和40 m時垂直應力分布如圖3和圖4所示。同時，沿工作面傾向布置應力監測線，每5 m布置1個測點，得出不同傾角下煤壁與斷層之間不同距離的垂直應力變化曲線，如圖5所示。

由圖3和圖4可知，由于斷層對支承應力傳播的阻隔作用，上下盤應力分布差異較大。當斷層煤柱寬度為30 m和40 m時，煤壁與斷層之間的支承應力峰值都隨著傾角的增大而增大。當斷層煤柱寬度為30 m時，不同傾角下斷層煤柱支承應力峰值分別為48.83 MPa、50.23 MPa、51.36 MPa和52.30 MPa；當斷層煤柱寬度為40 m時，其應力峰值分別為40.65 MPa、46.51 MPa、47.41 MPa和48.51 MPa；工作面沿斷層推進時，工作面煤壁前方超前支承應力沿傾向越靠近斷層，應力集中程度越大。由上述分析可知，在相同的斷層煤柱寬度條件下，隨著傾角的增大，斷層煤柱應力集中峰值逐漸變大，沖擊危險相應增大。工作面煤壁靠近斷層一側應做好加強支護，保證安全高效生產。

圖3 不同傾角下30 m斷層煤柱垂直應力分布云圖

圖4 不同傾角下40 m斷層煤柱垂直應力分布云圖

圖5 上盤不同傾角下膠帶平巷距斷層不同距離支承應力分布曲線圖

上盤工作面沿斷層開采時，不同傾角下膠帶平巷距斷層不同距離支承應力分布曲線如圖5所示。由圖5可知，不同傾角下當斷層煤柱寬度相同時，斷層傾角越大其應力集中程度越大。因此，在實際施工過程中，靠近較大傾角的斷層構造采掘時要尤其注重沖擊地壓的防治工作。斷層煤柱寬度為30 m時，斷層煤柱所受垂直應力達到最高值，之后隨著斷層煤柱的減小，在高應力作用下煤柱發生塑性破壞并開始卸壓。當斷層煤柱寬度≥30 m時，應力集中區域在斷層煤柱上；當斷層煤柱寬度<30 m時，支承應力峰值逐漸向煤壁轉移，當斷層煤柱寬度為20 m時，最高應力集中區域集中靠近回采巷道，具有沖擊地壓發生的可能性，因此當工作面沿斷層回采時，應在斷層煤柱寬度大于30 m的基礎上進行施工，保證工作面安全回采。

3 不同傾角下盤煤柱應力演化規律

下盤工作面沿斷層開采時，應力監測線布置方式與上盤一致，所得不同傾角下煤壁與斷層之間不同距離的垂直應力變化曲線如圖6所示。

由圖6可知，工作面沿斷層下盤開采時，不同斷層傾角下斷層煤柱應力分布差異顯著。當斷層傾角為45°時，斷層煤柱應力分布呈雙峰狀且煤壁應力集中程度高于斷層側。當斷層煤柱寬度≥20 m時，應力分布基本一致，最高支承應力峰值為25 MPa，當斷層煤柱<20 m時，斷層煤柱發生塑性破壞，最高應力峰值降為20 MPa，故當斷層傾角為45°時，斷層煤柱寬度應保證大于20 m情況下進行開采；斷層煤柱為50°時，當斷層煤柱寬度≥30 m時，煤柱支承應力曲線呈雙峰狀且最高應力峰值達30 MPa，當斷層煤柱寬度<30 m時，煤柱已發生塑性破壞釋放彈性能。

因此當斷層傾角為50°時，應保證斷層煤柱寬度≥30 m；當斷層傾角為55°和60°時，斷層煤柱支承應力分布呈單峰狀且應力峰值曲線分布基本一致，受斷層煤柱影響不大。當斷層煤柱寬度<30 m時，斷層煤柱釋放彈性能失去承載能力，此時，應保證斷層煤柱寬度≥30 m。

圖6 下盤不同傾角下平巷距斷層不同距離支承應力分布曲線圖

4 結論

(1)工作面沿斷層上盤走向推進時，斷層應力阻隔效應顯著，斷層煤柱支承應力峰值隨斷層傾角的增大而增大，工作面前方應力峰值主要積聚于靠近斷層一側。

(2)工作面沿斷層下盤走向推進時，當斷層傾角為45°和50°時，煤柱應力峰值曲線呈雙峰狀，當斷層傾角為55°和60°時，煤柱應力峰值曲線呈單峰狀。

(3)工作面沿斷層走向推進時，上盤斷層煤柱支承應力峰值高于下盤且上盤斷層煤柱應力峰值受斷層傾角影響較大，下盤斷層煤柱支承應力峰值受斷層傾角影響較小，上下盤斷層煤柱寬度應保證不小于30 m。