井下地質(zhì)構(gòu)造受采動影響下的力學(xué)響應(yīng)分析

范慧琪

(山西潞安集團(tuán) 潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036700)

0 引言

煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，其中斷層是礦產(chǎn)開采過程中常見的一種地質(zhì)構(gòu)造。斷層破壞巖層的完整性和連續(xù)性，被視為影響礦產(chǎn)安全開采的重要因素之一[1-2]。在含有斷層的井下條件中，采掘可能造成沖擊地壓、礦井突水、地表臺階式下沉等災(zāi)害[3]。文獻(xiàn)[4]利用聲發(fā)射監(jiān)測與采場應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，研究了義馬礦由于開采造成斷層活化前后的采場頂?shù)装宓V壓顯現(xiàn)規(guī)律。文獻(xiàn)[5]利用數(shù)值模擬，研究了斷層傾角、煤柱留設(shè)寬度對斷層滑移的影響。本文簡述了斷層力學(xué)模型，并利用離散元軟件模擬了井下斷層地質(zhì)受工作面推采的影響。

1 斷層力學(xué)模型

以斷層走向所在面為剖面，取位于斷層上盤且與斷層下盤接觸的微三角形單元為研究對象，建立如圖1所示的力學(xué)模型。

對所選單元進(jìn)行受力分析，有[6]：

(1)

圖1 斷層滑移力學(xué)模型

式中：Fx為單元沿x方向合力；Fy為單元沿y方向合力；ds為單元體與斷層下盤的接觸面積；φ為斷層面巖體的內(nèi)摩擦角，°；c為斷層面內(nèi)聚力，MPa，由于通常斷層面巖體破碎，取c=0。

由于斷層上下盤的限制，所選單元體只能沿斷層面滑動，則有[7]：

(2)

從式(1)、式(2)看出，當(dāng)Fx>0時，單元體有向上移動的趨勢；當(dāng)Fx<0時，單元體有向下移動的趨勢。因ds非負(fù)，故斷層滑移主要受斷層傾角、斷內(nèi)摩擦角及內(nèi)聚力影響。當(dāng)斷層物理力學(xué)參數(shù)已知時，則其所受豎直、水平應(yīng)力影響。

2 斷層構(gòu)造數(shù)值模擬實例分析

2.1 斷層面數(shù)值模型

以潞安某礦所處的斷層構(gòu)造為背景，建立離散元模型，模型使用摩爾庫倫本構(gòu)。模型的長×高=300 m×140 m，開采的煤層厚4 m，巷道位于煤層中。斷層傾角60 °，落差5 m，斷層帶寬度4 m，建立的數(shù)值模擬模型見圖2。模型中巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 數(shù)值模型

巷道左側(cè)與斷層之間留25 m煤柱，工作面從距巷道右?guī)?05 m處向右推進(jìn)，第一階段推進(jìn)70 m，第二階段分3次共推進(jìn)30 m，第三階段推進(jìn)5 m。

模擬中從斷層在基巖露頭開始，沿斷層面每隔20 m高度方向上不止一個測點(diǎn)。令測點(diǎn)至斷層露頭豎直距離為L，L取值為0、20、40、60、80、100、120

表1 模擬中采用的材料物理力學(xué)參數(shù)

m。在巷道頂?shù)装寮皟蓭椭悬c(diǎn)處布置測點(diǎn)。

2.2 斷層面應(yīng)力特征分析

根據(jù)監(jiān)測所得斷層面水平與豎直應(yīng)力，可得斷層面正應(yīng)力和切應(yīng)力，如表2所示。

表2 斷層面水平應(yīng)力與豎直應(yīng)力數(shù)值表

圖3是根據(jù)表2計算得到的斷層面正應(yīng)力、切應(yīng)力值隨測點(diǎn)至斷層露頭的豎直距離的變化趨勢圖。由圖3看出，正應(yīng)力和切應(yīng)力均呈線性，但正應(yīng)力的變化趨勢比切應(yīng)力的變化趨勢明顯。這是因為斷層面上的正應(yīng)力與切應(yīng)力主要取決于巖體彈性模量，而斷層帶巖體彈性模量相差較小。

圖3 斷層面應(yīng)力與至斷層露頭垂直距離的關(guān)系

2.3 斷層面滑移結(jié)果分析

將監(jiān)測數(shù)據(jù)代入式(1)、式(2)，可計算出各監(jiān)測點(diǎn)上沿斷層面方向的合力Fx如表3所示。

表3 各測點(diǎn)值

從表3看出，工作面推進(jìn)結(jié)束后，至斷層露頭豎直距離小的測點(diǎn)處巖體有向下滑動趨勢，豎直距離較大處的斷層面巖體有向上滑動趨勢。這是因為工作面在斷層上盤，上盤巖體有向采空區(qū)偏移的趨勢，同時斷層下盤巖體對斷層面巖體產(chǎn)生反力而導(dǎo)致斷層面上部巖體受拉，下部巖體受壓。

3 結(jié)論

本文簡述了礦井下斷層構(gòu)造的力學(xué)模型，分析了其力學(xué)響應(yīng)機(jī)制；利用離散元軟件模擬了井下斷層構(gòu)造在采動影響下的力學(xué)響應(yīng)，得出結(jié)論：

1) 斷層面上正應(yīng)力和切應(yīng)力基本呈線性增長，且正應(yīng)力增率明顯。

2) 工作面推采完畢后，至斷層露頭豎直距離小的測點(diǎn)處巖體有向下滑動趨勢，豎直距離較大處的斷層面巖體有向上滑動趨勢。