正斷層煤層開挖煤巖體的力學(xué)特性研究

周 勇，程建圣，張占國(guó)，冀超輝

（1.國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011；2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；4.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

當(dāng)在煤層斷層附近開挖時(shí)，開挖區(qū)上覆巖體存在冒頂、塌落等安全生產(chǎn)隱患。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者已注意到斷層對(duì)開挖的影響。如張景公[1]認(rèn)為過(guò)斷層構(gòu)造帶施工中，缺乏有效的臨時(shí)支護(hù)手段和設(shè)備，將會(huì)引起上覆巖層冒頂或抽冒。張衛(wèi)強(qiáng)等[2]研究表明，隨著開挖區(qū)不斷接近斷層帶，斷層帶附近應(yīng)力不斷集中，等效于對(duì)斷層帶及周圍介質(zhì)組成的系統(tǒng)進(jìn)行的1個(gè)不斷加載的過(guò)程，達(dá)到臨界條件，系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)；趙海軍[3]、唐東旗[4]研究表明，斷層上下盤開挖將會(huì)引起巖體的下移，會(huì)導(dǎo)致巖移效應(yīng)，對(duì)施工安全造成危害；蔣建平[5]認(rèn)為隨著隧道離斷層距離的不同，隧道兩側(cè)受到的應(yīng)力不同；張健儒[6]、王學(xué)忠[7]、李洪等[8]對(duì)隧道過(guò)斷層時(shí)的施工工藝進(jìn)行了探究，為隧道的布置提供依據(jù)；與隧道開挖相對(duì)應(yīng)，白海波[9]對(duì)逆斷層下煤層的安全開采進(jìn)行了研究。但由于受觀察條件的限制，對(duì)斷層帶介質(zhì)的分布特征缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)有的巖層力學(xué)特性基本上都是建立在均勻連續(xù)介質(zhì)基礎(chǔ)上，沒有考慮巖層中存在的不連續(xù)面，如節(jié)理、裂隙以及斷層的影響，而實(shí)際上巖層中存在大量的節(jié)理裂隙和規(guī)模不等的斷層，這些不連續(xù)面的存在，在采動(dòng)影響下易于發(fā)生“活化”[9-10]，煤頂板巖層難以控制，尤其是當(dāng)開采區(qū)域斷層比較發(fā)育時(shí)，斷層對(duì)煤巖力學(xué)分布規(guī)律的影響十分明顯[11-13]。正斷層是在煤礦開采過(guò)程中經(jīng)常遇到的一類構(gòu)造，嚴(yán)重影響煤礦開采[14]，因此，研究正斷層煤層上下盤開挖煤巖體的力學(xué)特性，為正斷層煤體開挖的危險(xiǎn)性防護(hù)提供理論依據(jù)。

1 正斷層煤層開挖模型

1.1 力學(xué)模型的建立

正斷層煤層模型長(zhǎng)100 m，寬50 m（上部22 m砂巖，中間6 m煤層，下部22 m砂巖），正斷層示意圖如圖1，煤層距離地表大約400 m（按上覆巖體平均密度2 500 kg/m3計(jì)），上部施加10 MPa的壓力。模型底部固定，左右受拉，取側(cè)壓系數(shù)0.9，即左右拉應(yīng)力9.0 MPa。正斷層面是弱面，厚1 m，巖體力學(xué)性能較低，可塑性較強(qiáng)[15]。

圖1 正斷層示意圖（單位：m）

1.2 基本參數(shù)

模型中煤巖體分為3種：砂巖、煤體和斷層面，它們的基本參數(shù)見表1。

2 數(shù)值模擬及分析

以正斷層落差為1 m為例，分別對(duì)正斷層煤層上盤開挖和下盤開挖2種情況下的煤巖體力學(xué)特性（最大豎向應(yīng)力、最大豎向位移、最大水平應(yīng)力、最大水平位移）進(jìn)行計(jì)算分析。

表1 基本參數(shù)

2.1 煤層上下盤開挖數(shù)值模擬

從上盤開挖，距斷層（水平距離）40 m的豎向應(yīng)力、豎向位移、水平應(yīng)力、水平位移、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力如圖2。

圖2 上盤開挖距斷層40 m應(yīng)力、位移云圖

從圖2可以看出，隨著開挖區(qū)與斷層之間距離的減小，開挖區(qū)周圍的豎向應(yīng)力不斷增大，且在與斷層同一距離下的豎向應(yīng)力由開挖頂端向前方逐漸減小，并呈啞鈴形放射狀分布，即最大豎向應(yīng)力位于開挖區(qū)頂端；隨著開挖區(qū)與斷層之間距離的減小，開挖區(qū)周圍的豎向位移逐漸增大，且在與斷層同一距離下的豎向位移由開挖后方上端順著開挖方向呈弧狀逐漸減小，即最大豎向位移位于開挖后方上端；開挖區(qū)周圍的水平應(yīng)力為壓應(yīng)力，隨著開挖區(qū)與斷層之間距離的減小，壓應(yīng)力在開挖區(qū)前部呈鉗狀向未開挖區(qū)逐漸減小，即最大水平應(yīng)力在開挖頂端上邊緣，其周圍則是拉應(yīng)力；隨著開挖區(qū)與斷層之間距離的減小，開挖區(qū)周圍的水平位移在開挖區(qū)頂端有向開挖區(qū)膨脹的趨勢(shì)，即最大水平位移在開挖頂端，其余部分則受拉伸長(zhǎng)，但伸長(zhǎng)量較小。

分別采用上述模型計(jì)算分析煤層上盤開挖距斷層30、20 m時(shí)煤巖體的應(yīng)力云圖和位移云圖，上盤開挖區(qū)煤巖體應(yīng)力、位移極值見表2。

表2 上盤開挖區(qū)煤巖體應(yīng)力、位移極值

與從上盤開挖的數(shù)值模擬相似，數(shù)值計(jì)算分析煤層下盤開挖距斷層40、30、20 m時(shí)煤巖體的應(yīng)力云圖和位移云圖，發(fā)現(xiàn)其云圖的位移和應(yīng)力分布及變化趨勢(shì)均與從上盤開挖時(shí)相似。下盤開挖區(qū)煤巖體應(yīng)力、位移極值見表3。

表3 下盤開挖區(qū)煤巖體應(yīng)力、位移極值

通過(guò)對(duì)圖2和表2、表3的分析可知：當(dāng)斷層落差1 m時(shí)，無(wú)論是從上盤開挖還是從下盤開挖，煤巖體的豎向應(yīng)力、豎向位移、水平應(yīng)力、水平位移、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力均隨與斷層距離的減小而增大。又由圖2可知，開挖頂端容易應(yīng)力集中，所以可利用第三強(qiáng)度理論：

式中：σ1為開挖頂端最大主應(yīng)力；σ3為最小應(yīng)力；[σ]為砂巖的許用拉應(yīng)力。

因此，由表2和表3可知，當(dāng)斷層落差1 m時(shí)，開挖區(qū)越接近斷層面，開挖區(qū)頂端的相當(dāng)應(yīng)力（σ1-σ3）越大，說(shuō)明開挖進(jìn)程越靠近斷層面越危險(xiǎn)。

2.2 上盤和下盤開挖煤巖體力學(xué)特性對(duì)比分析

煤層上盤和下盤開挖時(shí)煤巖體的最大豎向應(yīng)力、最大豎向位移、最大水平應(yīng)力、最大水平位移、相當(dāng)應(yīng)力對(duì)比分析如圖3。

圖3 上盤和下盤開挖煤巖體力學(xué)性能對(duì)比

由圖3可知，隨著開挖區(qū)與斷層面之間距離的減小，不論是從上盤還是下盤開挖，煤巖體的最大位移、最大應(yīng)力及相當(dāng)應(yīng)力均呈逐漸增加的趨勢(shì)。水平位移的方向雖不同，但均較小，即對(duì)煤層開挖頂端煤巖體的影響較小。水平應(yīng)力對(duì)開挖工作面冒頂和巖體破壞的影響較小。因此，可只需考慮地應(yīng)力作用的影響，即豎向應(yīng)力和豎向位移（開挖后上覆巖層的沉降），開挖頂端相當(dāng)應(yīng)力是引起開挖工作面冒頂和巖體破壞的主要原因，因此從防止冒頂和開挖頂端巖體破壞的角度來(lái)看，可只需分析不同煤巖體豎向位移和開挖頂端相當(dāng)應(yīng)力。

由以上可知，與上盤開挖引起的豎向應(yīng)力、豎向位移和開挖頂端相當(dāng)應(yīng)力相比，從下盤開挖均較大，因此當(dāng)其他變量相同時(shí)，從上盤開挖比從下盤開挖更安全。

3 不同斷層落差上盤和下盤煤層開挖對(duì)比分析

斷層落差分別取3、5 m，開挖上盤和下盤煤層時(shí)開挖頂端相當(dāng)應(yīng)力和豎向位移綜合分析如圖4和圖5。

圖4 斷層落差3 m

由圖4和圖5可知，斷層落差3 m和5 m時(shí)，上盤和下盤開挖時(shí)，煤巖體的相當(dāng)應(yīng)力和豎向位移與斷層落差 1 m 時(shí)（圖3（b）、圖3（e））具有相同的變化規(guī)律，即正斷層煤層從上下盤開挖時(shí)，無(wú)論斷層落差多大，從下盤開挖時(shí)相當(dāng)應(yīng)力和豎向位移均比從上盤開挖時(shí)大，因此，從下盤開挖將增大煤巖體破壞的可能性，即增大了冒頂、開挖頂端煤巖體塌落的危險(xiǎn)性。進(jìn)而，對(duì)存在正斷層煤礦安全生產(chǎn)，從上盤開挖較從下盤開挖時(shí)安全性更高。

圖5 斷層落差5 m

4 結(jié)論

1）豎向位移和相當(dāng)應(yīng)力偏大是引起開挖頂端應(yīng)力集中的主要原因，也是冒頂?shù)闹饕颉?/p>

2）當(dāng)煤層中存在正斷層時(shí)，從上盤開挖引起開挖頂端的相當(dāng)應(yīng)力和豎向位移比從下盤開挖引起的小，且開挖區(qū)與斷層距離越近，開挖頂端相當(dāng)應(yīng)力和豎向位移越大。

3）從預(yù)防巷道冒頂和開挖頂端煤巖體破壞的角度考慮，正斷層的落差相同時(shí)，從上盤開挖較從下盤開挖安全。