工作面過多斷層支承壓力演化規律研究

摘? 要：針對工作面過多斷層開采易發生沖擊地壓等動力災害問題，以姚橋煤礦7263工作面為原型，采用Flac3D數值模擬軟件，對工作面過多斷層開采時支承壓力演化規律進行研究。研究結果表明：由于斷層構造切割阻隔作用，使得工作面向斷層推進時，支承壓力在斷層附近不斷增加形成較高的應力集中區，部分應力通過斷層傳遞到對盤，形成“雙峰”狀應力形態。受上盤開采擾動和多斷層構造影響，兩斷層間圍巖應力較初始應力明顯升高。

關鍵詞：多斷層;采動;支承壓力;沖擊地壓;數值模擬

中圖分類號：TD325? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1671-2064（2020）03-0000-00

0 引言

斷層的存在破壞了巖層的完整性和連續性，導致斷層附近煤巖體初始應力異于常規地應力場，易產生局部附加應力[1]。當工作面向斷層推進時，采場上覆巖層應力變化表現出明顯的時空特性[2]。特別是當工作面推進至距斷層一定距離時，支承壓力峰值將達到極限并伴隨著巨大能量釋放，輕者開采盤易沿斷層面發生剪切滑移，重則兩盤突發相對錯動失穩引起沖擊地壓災害事故發生，造成人員傷亡和財產損失[3]。鑒于此，國內外大量學者對斷層附近采動應力進行了大量研究，但是對工作面過多斷層開采研究相對較少。

因此，本文將采用數值模擬研究方法，模擬工作面過多斷層開采時的支承壓力演化規律，對保證煤礦合理、安全、高效開采具有重要的指導意義。

1 地質概括

7263綜采工作面位于姚橋煤礦西九采區，工作面標高為-627～-708m，走向長度777.2m，傾向長度為253.5m，煤層厚度為2.2～5.2m，平均3.7m。7263工作面中部有兩條較大斷層（f216∠60°H=8m、f602∠85°H=17m），對工作面開采影響較大，存在較大的沖擊危險性，不利于安全開采。

2 Flac3D數值模型

2.1模型建立

根據7263工作面鉆孔資料，采用Flac3D模擬軟件，模擬工作面過多斷層開采時應力演化規律。斷層屬于復雜的地質構造，為較真實還原現場情況，對模型進行適當調整優化。模型傾向和走向各留設75m和50m保護煤柱消除模型邊界效應影響，邊界條件設置：采用Fix命令固定模型左右邊界和底部邊界，模型頂部設置為自由邊界施加均布載荷模擬煤層上覆巖層自重載荷（15.25MPa），兩盤之間利用Interface命令建立接觸面表示斷層軟弱面。幾何模型長500m、寬250m，高120m，模型共有384000單元，412126節點。所構建的多斷層構造模型如圖1所示。

2.2巖石力學參數

根據現場地質調查及實驗室測試結果，初步確定煤巖石力學屬性，考慮到井下巖石的復雜性常表現出較高的抗壓強度和極低抗拉和抗剪強度，其應力—應變關系也呈現出不規則特征。因此，對相關參數進行適當調整，模擬計算所采用的巖體力學參數見表1。

2.3模擬方案

以模型的左端邊界50m位置處為起始點，從左往右依次開采，每次開挖10m待模型平衡后再延續上一工作面進度繼續推進直至完全推至模型右端邊界。為了便于研究工作面過斷層前后支承壓力演化規律，通過History命令設置應力檢測線并記錄工作面開采后應力變化特征。

3 工作面過斷層開采時應力演化規律

3.1工作面過f602斷層時應力變化特征

根據上述構造模型，分別模擬工作面距f602斷層80m、50m、40m、30m、20m和10m等不同位置時超前支承壓力分布及其演化規律，超前支承壓力云圖及應力變化特征曲線如圖2和3所示。

（1） 工作面距f602斷層80m位置

（2）工作面距f602斷層10m位置

根據現場實測，斷層是由一條松散破碎巖石、泥巖等充填物組成的破碎帶，斷層帶及其兩側巖體的物理力學特性上具有顯著差異，對支承壓力的傳遞起到了一定的阻隔效應。隨著工作面逐漸推向斷層，支承壓力峰值不斷增加，應力峰值位于煤壁前方約5m位置處，且支承壓力隨著工作面推進持續前移并逐漸靠近斷層。與此同時，對盤應力也隨之增加，故在圖3中呈現出一大一小“雙峰”狀應力曲線。該研究結果與代進教授[4]現場實測結果相吻合，間接證明本次數值模擬的合理性。

當工作面從距斷層80m推進至50m期間時，支承壓力曲線增幅較小幾乎無明顯變化，表明當前工作面受斷層影響較小，應力峰值由33.7MPa增至35.6MP，應力集中系數由1.92增至2.03，影響范圍約為45m。當工作面從距斷層50m位置處繼續推進時，受采動和斷層的影響，應力峰值增幅較為顯著。在距斷層20m位置時，應力峰值達到最大值，應力峰值由35.6MPa增至43.7MPa，應力集中系數達到2.50，斷層剩余煤體內積聚了大量彈性應變能。當工作面繼續推進時，應力峰值迅速減小至34.9MPa，應力集中系數只有1.9，斷層剩余煤柱的集中應力超過自身極限破壞強度，剩余煤體不再具有承載載荷效應且極易誘發沖擊地壓等災害事故發生。因此，當超前支承壓力峰值由最大值突然減小前，應停止繼續向前開采，將剩余未開采的煤體留設為斷層保護煤柱，工作面向下掘巷道過斷層的同時，還需加強斷層影響范圍內巷道、硐室等維護，預防礦壓災害事故發生。

3.2工作面過f216斷層時應力變化特征

同理，分別模擬分析了工作面距f216斷層90m、70m、50m、40m、30m和20m等不同位置時超前支承壓力分布及其演化規律。

受上盤工作面開采和多斷層影響，兩斷層之間圍巖應力較初始應力明顯升高。當工作面繼續向f216斷層開采時支承壓力變化趨勢基本相似，當工作面由距f216斷層 90m推進至50m位置時，支承壓力緩慢增加且保持著較高水平，應力峰值由34.6MPa增至37.9MPa，應力集中系數由2.0增至2.2。當工作面由距f216斷層50m推進至30m位置時，支承壓力增幅程度較為顯著，且在距f216斷層30m位置時，支承壓力達到頂峰44.4MPa，應力集中系數增至2.5。當工作面繼續推進時，支承壓力發生驟降，表明剩余斷層煤巖體將不再具有承載效應并發生塑性破壞。此時工作面應停止開采，將剩余煤體留設為斷層保護煤柱，工作面過斷層時應采取相應的安全措施。

4 結語

大量實踐證明，斷層附近工作面開采往往具有高沖擊危險性，經數值模擬，本文得到如下結論：

（1）隨著工作面向斷層推進，斷層的阻隔效應越發顯著，超前支承壓力在斷層附近不斷增加形成較高的應力集中區，并傳遞到對盤形成一大一小“雙峰”狀應力狀態;

（2）兩斷層之間形成了局部應力集中區，工作面距f216斷層30m位置時支承壓力達到頂峰，較工作面距f602斷層20m位置時礦壓顯現更加劇烈;

（3）當斷層剩余煤體積聚的彈性勢能達到極限時，將不再具有承載載荷效應并發生塑性破壞。使得工作面超前支承壓力迅速下降并伴隨著大量能量釋放，極易誘發沖擊地壓等動力災害事故發生。

參考文獻

[1]楊繼強，張照允，王珂.正斷層上盤邊角煤開采誘發斷層活化規律[J].煤礦安全，2018，49 （12）：204-207+211.

[2]姜耀東，王濤，趙毅鑫，等.采動影響下斷層活化規律的數值模擬研究[J].中國礦業大學學報，2013，42（01）：1-5.

[3]宋義敏，馬少鵬，楊小彬，等.斷層沖擊地壓失穩瞬態過程的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30（04）：812-817.

[4]代進，蔣金泉.上下盤開采順序對斷層煤柱采動應力的影響[J].采礦與安全工程學報，2016，33（01）：35-41.

收稿日期：2019-01-03

作者簡介：宋香凱（1987—），男，河北邢臺人，本科，主要從事煤礦設計工作。