斷層影響區煤厚變異帶對煤巖動力災害的影響分析

譙永剛

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

斷層作為煤礦生產中一種常見的地質構造，它不僅破壞了煤層的連續性、完整性與可采性，還會誘發重大的惡性事故，威脅煤炭的安全回采。大量研究表明[1-6]，斷層周圍構造應力集中區域通常會出現較為發育的構造煤以及封閉著高能瓦斯，為煤與瓦斯突出創造了良好條件。在采掘過程中，所形成的高采動應力使煤巖體易于發生失穩破壞，同時由于卸載的作用，會造成瓦斯大量解吸而異常涌出，這就會誘發煤與瓦斯突出、沖擊地壓、瓦斯爆炸等煤巖動力災害。如，阜新孫家灣煤礦“2·14”特大事故，直接原因是斷層構造誘發了沖擊地壓，導致瓦斯異常涌出而發生瓦斯爆炸。另外，在形成斷層的地層運動中，煤層會發生塑性流動，造成斷層影響范圍內出現煤層厚度變異區，在煤厚變異區與斷層疊加作用下往往會出現地應力異常，在煤層回采期間更容易引發煤巖動力災害[7-8]。目前大多數研究把斷層、煤層厚度進行單獨考慮，而沒有充分考慮斷層與煤層厚薄突變的疊加作用。如，李志華[4]通過相似模擬實驗分析了開采上下盤對超前支承壓力、頂板下沉量等影響。孟召平、彭蘇萍等人[5-6]通過現場觀察和數值模擬等方法分析了采動影響下斷層帶應力場的變化。孫振武[7]通過數值模擬研究了原巖應力狀態下煤厚變異區垂直應力的分布規律。趙同彬[8]研究了煤厚變異區內發生沖擊地壓的力學機制，初步探討了超前支承壓力對煤厚變異區的影響。為此，以潘一礦1361（3）工作面為工程背景為，針對鄰近F5斷層回采時發生的煤與瓦斯突出事件展開詳細分析，利用FLAC3D數值模擬分析鄰近斷層由厚煤區向薄煤區和由薄煤向厚煤區回采時，工作面超前移動支承壓力的分布規律，這將對煤巖動力災害預警與防治提供一定的理論依據。

1 潘一礦煤與瓦斯突出共性因素分析

潘一礦是典型的煤與瓦斯突出礦井，位于潘集背斜南翼及東南部轉折端南翼。地層走向自東向西為 N30°E-N60°W，傾向 SE-SW，傾角由淺入深逐漸變緩。井田內以斜切張扭性斷層為主，壓扭性斷層次之。自1979年到1997年在一水平共發生煤與瓦斯突出14次，采用克里金插值方法生成煤層等厚線圖，通過統計分析事故發生地點的地質因素（圖1），事故大多集中在煤厚變化較大的區域與F4、F5斷層構造附近。也就是說，斷層、煤厚變化突變或二者疊加作用是煤與瓦斯突出的主要影響因素。

圖1 潘一礦一水平13-1煤層厚度等值線與突出點分布圖

2 1361(3)工作面煤與瓦斯突出典型事故分析

2.1 事故工作面概況

在眾多突出事件中，選取其中1件典型的突出案例展開研究，即1986年11月14日在1361（3）工作面回采時發生的煤與瓦斯突出事件。

1361（3）回采工作面主采煤層13-1，煤層傾角為6°，煤厚2.02～8.18 m，平均4.44 m，變異系數25.26%，可采性指數為1，較穩定。煤層結構由簡單至復雜，半數以上見煤點有1~2層夾矸，夾矸為炭質泥巖、泥巖；煤層有東厚西薄、下厚上薄的趨勢。該工作面近鄰F5逆斷層，此斷層為跨潘一、潘三井田及西北部邊界斷層，其產狀為自東向西，走向SEEW-SW，變化較大，傾向由SW逐漸變為SSE，落差20～80 m，井田內水平延展長度約8 000 m，貫穿井田東西。斷層面有扭曲現象，斷層破碎帶一般寬3~5 m，帶內多為黏土巖屑及煤屑充填。斷層兩盤煤巖層牽引明顯，斷層附近煤巖傾角明顯增大至50°以上，但影響范圍不大，一般不大于50 m。具體突出事件發生位置如圖2。

圖2 突出事件位置

鉆孔柱狀圖如圖3。工作面距離距離地表540 m，13-1煤層直接頂巖性多以泥巖和砂質泥巖為主；底板為泥巖、砂質泥巖；基本頂巖性以粉砂巖、細砂巖為主，致密性較好，對煤層瓦斯具有良好的封存作用。

圖3 鉆孔柱狀圖

2.2 事故分析

F4斷層為斜切平移正斷層，F5斷層為壓扭性逆斷層，壓扭性斷層主要受水平壓應力擠壓作用，該類斷層附近往往存在較大的構造應力，可以有效地封存瓦斯。2斷層的形成說明此區域經過較為強烈的地質運動，會產生煤層厚薄變化帶。從突出事件的統計來看，煤層厚度變化劇烈區域與斷層構造附近的疊加影響區是煤巖動力災害的多發危險區域。

3 斷層與煤厚變異影響區應力分布規律

3.1 原巖地應力環境

潘一礦-530 m水平的最大主應力值為17.14 MPa，方位角 235.4°，傾角為-3.0°；中間主應力為自重應力，應力值為10.01 MPa；最小主應力為近SN向水平應力，應力值為7.38 MPa[9]?？梢?，潘一礦地應力以水平壓應力占優。

3.2 數值模型

模型尺寸為 x×y×z為 600 m×100 m×100 m，煤巖層傾角取為0°。模型底部固定，頂端施加垂直向下載荷10 MPa，模型四周施加法向正應力與切向剪應力。本構模型采用Mohr-Column,數值模型如圖4。取斷層落差30 m，選取8 m長的煤厚變異區為研究范圍，變異區煤厚由5 m變為3 m。重點分析臨近斷層區域且由厚煤向薄煤帶回采以及由薄煤向厚煤帶回采過程中煤厚變異區附近的垂直應力分布規律。參考工程實際背景，確定頂板初次來壓30 m，周期來壓20 m。模型中的煤巖力學參數見表1。

圖4 數值模型

表1 力學參數表

3.3 結果分析

3.3.1 靠近斷層且由厚煤向薄煤區開采

工作面向薄煤層方向回采垂直應力分布規律如圖5。在斷層上盤且回采工作面由厚煤向薄煤區推進過程中，當工作面距煤厚變異區10 m左右時，超前工作面的變異區且臨近變異區的薄煤層出現了高度應力集中，垂直應力峰值達到28 MPa左右，此時主要是煤厚變異區對采場應力場的影響；當推進至變異區時，超前工作面應力峰值前移至變薄臨界點與薄煤層中，應力集中范圍增大，應力峰值達到29 MPa左右，此時斷層對采場應力場的作用開始顯現；當工作面進入變異區時，超前工作面應力峰值前移至薄煤層中，并超過了30 MPa，主要是受到煤厚變異區與斷層對采場應力場的疊加作用影響。當工作面越過變異區時，完全在薄煤層開采過程中，超前工作面應力在斷層附近產生集中現象，此時主要受到斷層對采場應力場的影響。

3.3.2 遠離斷層且由薄煤向厚煤區開采

在斷層上盤且回采工作面由薄煤向厚煤區推進過程中垂直應力分布規律如圖6，當工作面在距離變異區28 m處時，煤厚變異區出現應力集中，超前應力峰值達到18 MPa左右，但斷層對超前工作面應力場無影響，主要是對下盤斷層帶附近產生了很大影響，出現了高度應力集中現象；當工作面距離變異點20 m時，煤厚變異區的應力峰值達到20 MPa；當回采至變異區與越過變異區時，超前工作面應力集中帶前移至厚煤層中，應力峰值不超過25 MPa。

3.3.3 工作面應力分布規律

超前工作面垂直應力分布曲線圖如圖7。由圖7（a）可知，在厚煤層回采且遠離煤厚變異區時，即當工作面距離煤厚變異區大于20 m時，工作面前方應力峰值相對較小，煤厚變異區與斷層對采場應力場無明顯作用；當鄰近煤厚變異區回采時，即當工作面距變異區距離小于20 m時，煤厚變異區對工作面前方的應力場產生影響，此時斷層并無明顯作用，應力曲線呈“雙峰”形態，即在變異區附近位置出現應力突然升高，隨后在該位置前方迅速下降，最終應力在薄煤層中升高至峰值；當工作面推進至變異區時，逐漸靠近斷層，斷層對采場應力場影響開始顯現，超前工作面應力峰值增加；當越過變異時，斷層對采場應力場的影響起主導作用，此時應力曲線呈現“單峰”形態，應力峰值有所下降。

由圖7（b）可知，在薄煤層回采且遠離變異區時，即距離斷層20 m時，此時正遠離煤厚變異區20 m，斷層與煤厚變異區對采場應力場影響很小，應力峰值較小。當工作面距離變異區10 m時，受到變異區影響有所顯現；當回采至變異區時，在變異區內出現了應力升高，隨后應力下降，在厚煤層達到應力峰值，應力曲線呈“雙峰”形態；當工作面越過變異區進入厚煤層時，工作面應力峰值增大，但對比向薄煤層方向開采時，其峰值較小。

圖5 工作面向薄煤層方向回采垂直應力分布規律

圖6 工作面向厚煤層方向回采垂直應力分布規律

綜上所述，從應力場的角度出發，靠近斷層由厚向薄煤層開采較遠離斷層由薄煤向厚煤層開采時，應力集中程度更高，更容易使得煤巖體發生失穩破壞，破壞過程中會造成大量的瓦斯解吸，進而誘發煤巖瓦斯動力災害。因此，應該盡量使工作面遠離斷層以及由薄煤層向厚煤層開采。

4 結論

1）煤層厚度變化劇烈區域與斷層構造附近通常存在應力與瓦斯異常現象，尤其二者的疊加耦合作用更易誘發煤與瓦斯突出災害，成為煤巖瓦斯動力災害的高危區域。

圖7 超前工作面垂直應力分布曲線圖

2）在回采階段，靠近斷層由厚向薄煤層開采較遠離斷層由薄煤向厚煤層開采時，超前工作面應力集中程度更高，更易使得煤巖體發生失穩破壞，引發煤巖瓦斯動力災害。