斷層影響區工作面埋深對煤柱穩定性影響研究

蔣金泉 李小裕 丁 楠 徐傳偉

(1.山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東省泰安市，271000；2.濟南城建集團有限公司，山東省濟南市，250031)

斷層是煤礦開采中最為常見的地質構造之一，它的存在破壞了煤巖體的完整性，在其附近會產生地應力的局部不連續及集中，尤其是在工作面開采推進過程中遇到斷層時，工作面前方的煤柱受到斷層的應力阻隔效應會產生遠遠超出正常工作面超前支承應力大小的應力集中。這種應力集中在淺埋深煤礦開采中體現得不太明顯，但是在深井煤礦開采中顯現得非常明顯，特別是在工作面接近斷層影響區時，開采活動會對斷層煤柱的穩定性造成擾動，斷層煤柱存在失穩的可能性，一旦斷層煤柱失穩會瞬間釋放大量的能量，形成沖擊地壓，造成明顯的礦壓顯現。這些集聚的能量對工作面的支架等機械設備造成嚴重的破壞，如人員撤離不及時，會造成人員安全事故，產生巨大的經濟損失，形成惡劣的社會影響。代進等采用理論推導與現場實測的方法研究了上盤先開采和下盤先開采兩種情況下煤柱應力演化的差異，得出斷層上盤開采時，載荷傳遞至下盤的能力強，下盤先開采時，載荷傳遞與斷層傾角有關。蔣金泉等采用三維數值模擬的方法研究了工作面向正斷層推進、上盤工作面沿正斷層布置的采動應力演化特征。王濤等采用數值模擬和微震監測結合的方式研究了正斷層條件下工作面推進方式與斷層活動的相關性。姜耀東等采用數值模擬的方法研究了工作面從斷層上盤和下盤向斷層逐漸回采過程中斷層接觸面的法向應力和剪切應力的時空演化規律，斷層上下盤的運動規律。上述研究均側重于對斷層這一地質情況存在時工作面開采所表現出來的應力應變的奇異性，對于工作面埋深影響下斷層工作面開采時煤柱應力演化規律的研究較少，因此有必要對不同埋深條件下工作面推進至斷層影響區時煤柱的穩定性進行一些研究。本文通過三維數值模擬軟件FLAC3D模擬研究不同埋深下正斷層上盤工作面推進至距斷層10 m、20 m、30 m、40 m、50 m不同寬度煤柱時煤柱垂直應力演化特征及垂直應力集中系數演化規律。

1 工程背景及數值模型

1.1 工程背景

楊柳礦10416工作面位于104采區東邊界，工作面中存在多條斷層，分別為F104-23、F104-43、F104-44、104DF52，工作面開采時先推過F104-23斷層。

1.2 數值模型

以楊柳礦10416工作面地質情況為背景實例，采用FLAC3D數值模擬軟件建立相似三維數值模型，模型X方向長500 m，Y方向300 m，Z方向200 m，采用軟件內置Interface功能建立接觸面模擬斷層，斷層傾角45°，為摩爾—庫倫力學模型。采用軟件內置的Software應變軟化力學本構模型，模型水平方向四周及底面采用位移限定，模型頂面分別施加0 MPa、2.5 MPa、5 MPa、7.5 MPa、10 MPa、12.5 MPa、15 MPa、17.5 MPa的均布荷載，方向與Z坐標軸負方向一致，模型四周施加側壓系數0.73的水平應力，分別模擬工作面埋深150 m、250 m、350 m、450 m、550 m、650 m、750 m、850 m。建立三維模型如圖1所示，模型各巖體巖性物理力學參數見表1。

工作面位于斷層上盤，向斷層開挖推進，單步開挖10 m，直至開挖至斷層，在工作面中間煤層中間隔5 m布置測點，監測工作面前方煤柱垂直應力隨工作面回采推進的演化特征。

表1 巖體物理力學參數

1.3 計算方案

工作面布置于上盤，寬度100 m，以距離模型左邊界100 m作為上盤開采的起始位置，向斷層開采，直至開采到達斷層，表示實際開采中工作面由遠到近逐漸向斷層靠近，考察不同采深條件下工作面在逐漸接近斷層影響區過程中工作面前方煤柱垂直應力及應力集中隨采深逐漸加深的演化規律。

圖1 巷道與斷層三維數值模型

2 斷層上盤開采垂直應力演化規律

2.1 斷層煤柱垂直應力演化特征

工作面不同推進長度下前方不同寬度煤柱垂直應力峰值隨采深變化演化曲線如圖2所示。由圖2可知，工作面前方的垂直應力集中并不隨采深增加呈線性變化，而是呈現臺階形的階梯上升然后出現突然的下降，最后呈近似平直的直線小斜率緩慢上升。導致垂直應力非線性變化的主要原因是：隨著埋深的增加，巖層集聚的彈性能與埋深的平方是一種正比關系增長；導致應力突然下降是因為埋深一定的條件下，工作面向前推進導致工作面前方煤柱的尺寸逐漸減小，煤柱不能承受工作面前方及斷層阻隔效應帶來的交叉應力疊加的作用，使得煤柱失穩發生破壞，應力因而突降。

圖2 不同煤柱垂直應力峰值隨采深演化曲線

煤柱尺寸為50 m時，以此次模擬結果為例，當埋深小于250 m時，曲線斜率較大，表明工作面前方煤柱超前垂直應力增速隨著埋深增加增速很快，呈直線型線性增大；埋深250～750 m時，曲線斜率小于淺埋深斜率，近似于階梯型緩慢上升，說明隨著埋深的增加，垂直應力逐階上升，但是增加速度要小于淺埋深。當埋深大于750 m時，應力出現斷崖式陡降，主要是因為采深大，垂直應力增加使得煤柱發生了塑性破壞，失去了承載能力，說明工作面埋深為750 m時，工作面開采影響范圍到達前方50 m，即斷層邊界。

煤柱尺寸為40 m和30 m時，垂直應力演化曲線基本重疊，整體變化趨勢與煤柱為50 m時相同，淺埋深條件下為直線型上升，中等埋深條件下為階梯型上升，但是其峰值出現在埋深為650 m時，表明在當前模擬條件下，當工作面采深為650 m，煤柱保持承載能力的最窄寬度為30 m。在煤柱寬度為30 m條件下，埋深超過650 m時，煤柱發生塑性破壞，承載能力降低為煤體殘余支承應力大小，埋深為550～650 m時，應力增速加快，說明在煤柱在即將達到承載極限時對于埋深變化較為敏感。

煤柱尺寸為20 m，垂直應力演化曲線整體變化趨勢與40 m和30 m煤柱相同，但是在中等埋深情況下呈近似直線型上升，表明煤柱對于工作面埋深的變化較為敏感，這是煤柱留設較窄、承載能力不足的表現。

煤柱尺寸為10 m，曲線變化趨勢與上述一致，但是煤柱在工作面埋深超過550 m時開始發生塑性失穩破壞，承載能力逐漸降低，采深達到650 m及更大時降低為煤體殘余支承應力。

2.2 斷層煤柱垂直應力集中系數演化規律

工作面不同推進長度下工作面前方煤柱垂直應力集中系數隨采深變化演化曲線如圖3所示。

圖3 不同煤柱垂直應力集中系數隨采深演化曲線

由圖3可知，曲線總體上呈先直線式增加，中期階梯式逐級下降，最后斷崖式下降并維持在一定數值附近。

以本模擬為例，埋深小于250 m時，工作面超前支承應力集中系數線性直線上升，表明工作面前方煤柱垂直應力集中增長速度要高于工作面埋深增加而引起的原巖應力增加速度，此時應力集中系數較大，但是因為埋深小，原巖應力較小，應力集中數值相對偏小，工作面開采引起的煤體應力集中影響要高于埋深引起的應力增加，也就是說在淺埋深開采時，工作面發生沖擊地壓的主要因素并不是埋深。依據實際統計資料，工作面淺埋深時，引起沖擊地壓多是工作面開采布置的不合理及地質構造所致，因此淺埋深礦井開采應該合理進行工作面開采布置設計，在遇到特殊地質構造時加強針對性措施。

埋深大于250 m時，工作面超前支承應力集中系數逐階降低，表明垂直應力集中增長速度要低于工作面埋深增加引起的煤體應力增加速度，此時應力集中系數減小，但是埋深大，原巖應力較高，應力集中數值比較大，工作面開采引起的煤體應力集中影響程度要低于埋深引起的應力增加，即中等埋深及深井開采時，由于工作面上覆巖層厚度大的天然影響，工作面發生沖擊地壓的可能性要高于淺埋深礦井。

3 結論

通過數值計算模擬不同埋深條件下正斷層上盤工作面開采，得到了工作面與斷層之間留設不同寬度的煤柱時煤柱承載的工作面超前支承應力及應力集中系數隨埋深增加的演化特征規律。

(1)模擬研究數據表明，煤柱承載的支承應力及應力集中系數并不是隨埋深顯現線性增加或減小變化，煤柱支承應力在淺埋深開采時呈直線型線性上升，中等及深埋深呈階梯型逐漸緩慢上升，淺埋深工作面開采時支承應力增加速度快于中等及深埋深。

(2)煤柱支承應力集中系數在淺埋深時線性快速上升，應力集中系數較中等及深埋深大，但是應力集中數值偏小，工作面開采影響是工作面沖擊地壓發生的主要影響因素；在中等及深埋時應力集中系數呈現臺階型減小，但是應力集中數值大，主要是由于上覆巖層較厚，表明埋深是工作面發生沖擊地壓的主要影響因素，且工作面易發生沖擊地壓。