煤礦斷層采動作用模擬分析

吳建蘭

（大同煤礦集團有限公司煤峪口礦地測科，山西 大同037041）

煤炭是重要的能源形式，在煤炭的開采過程中，由于斷層的存在，容易產生礦井的水害事故，對煤炭的安全生產造成嚴重的威脅。在發生的水害事故中，絕大部分多數是由于采動作用的存在，造成斷層的活化，從而造成了斷層的突水[1]。在進行煤礦的開采過程中，斷層是影響覆巖穩定性的重要因素，由于采動作用的存在，使得煤層的上覆巖層的穩定性遭到破壞，形成了礦山壓力作用于斷層上，引起斷層的應力重新分布，即有可能引起斷層的活化。對斷層在采動作用下的變形進行分析[2]，可以據此對煤礦開采過程中的斷層防水提供依據，防止煤礦發生突水事故，提高煤礦開采的安全性。

1 斷層采動作用模型的建立

對煤礦開采中采動作用對斷層的影響作用進行分析，采用FLAC 3D軟件進行數值模擬，在進行建模的過程中，模型的準確性是反應結果的重要因素。由于巖體環境的復雜性，在建模過程中，無法將全部因素進行考慮，對于地質模型的建立進行一定的簡化，重點考慮底板的破壞因素，考慮模型的邊界效應，選擇相應的邊界條件，并依據實際工況的開挖順序。

建立模擬地質模型，斷層帶的寬度為8 m，落差為130 m，呈75°傾角分布，工作面的寬度為150 m，建立地質模型尺寸為300 m×250 m×120 m（長×寬×高），巖層傾角為0°，對地質模型進行網格劃分處理[3]，得到所建立的地質模型如圖1所示。

對所建模型的邊界進行設定，底部為固定約束，左右及前后位置邊界限制，頂部為自由邊界，并在模型的頂部施加覆巖載荷，對模型的施加漸變的內部應力，以此來分析地板巖體的應力及變形情況[4]。在模擬過程中，設定模型的開采條件為一次采全高開采，工作面推進90 m，初次來壓30 m，由此對回采對斷層的影響進行分析。

圖1 地質模型的建立

2 斷層采動作用仿真分析

對開采推進過程中的頂板巖體的位移及變形進行仿真分析，設定不同的斷層煤柱寬度，通過數值分析，研究在回采過程中的底板的應力分布、垂向位移等因素，由此來對斷層的影響進行判定，作為斷層是否發生斷層活化的依據。在模擬過程中，選定煤柱的預留寬度分別為70 m、50 m及30 m，隨著工作面的推進，頂底板會產生不同的應力變化及變形，分析工作面推進90 m時煤層頂底板的變化規律[5]，進行對斷層采動效應的影響研究。

2.1 不同煤柱寬度下主應力仿真結果分析

如圖2所示為在不同煤柱寬度下的主應力的變化情況，從圖2中可以看出，隨著煤炭開采的挖掘，由于支撐力及覆巖壓力的存在，在工作面的兩端存在著應力集中的現象，且隨著開采過程的進行，集中應力存在的范圍逐漸增加，并且應力集中程度也逐漸加劇，在采空區煤層的頂底板位置處出現卸壓的現象，并且由于斷層的存在，從圖2中可知，在斷層煤柱為30 m時，工作面的應力集中位于超前的位置，出現在斷層帶上，不利于斷層帶的租稅，且采空區頂板處于受拉狀態，隨著工作面的推進，受拉應力的范圍逐漸增加，同時底板也存在一定的卸壓區，主應力的最大值為拉應力的底鼓區[6]。

圖2 不同煤柱寬度下主應力變化

2.2 不同煤柱寬度下剪應力仿真結果分析

如圖3所示為不同煤柱寬度下的剪應力的變化情況，從圖3中可以看出，在進行煤炭開采時，工作面的兩端形成剪應力區，其中右下端及左上端的位置處，為壓剪性破壞區，而工作面的右上端及左下端的位置處為拉剪性破壞區，且隨著煤層的開采，剪應力的范圍逐漸增加，煤柱寬度的減小，右下端位置處的壓剪性破壞區的范圍增加，逐漸靠近斷層帶，當煤柱寬度為30 m時，剪應力進入到斷層帶中，造成斷層帶周邊的底板受剪切破壞，容易造成斷層帶的突水事故。

2.3 不同煤柱寬度下垂直位移仿真結果分析

如圖4所示為不同煤柱寬度下的垂直位移的變化情況，從圖4中可以看出，在煤層開采的過程中，隨著工作面的推進，采空區頂板的位移量逐漸增加，并在底部出現了底鼓，由于斷層帶的存在，使得斷層帶兩側的位移量變化不一致，呈現出一定的差別，斷層上盤的位移大，造成斷層帶的錯動，容易引發斷層的活化；且隨著工作面的推進，下盤的位移逐漸增加，使得相對的錯動變小，從而逐漸趨于穩定。工作面進行開采的初期階段是斷層帶錯動產生的危險期，同時也是發生突水災害的危險期。隨著煤柱寬度的減小，斷層逐漸開始出現活化的趨勢，當煤柱寬度減小到30 m時，斷層帶出現明顯的位移差，此時斷層出現活化，容易引發突水災害。

圖3 不同煤柱寬度下剪應力變化

圖4 不同煤柱寬度下垂直位移變化

3 結語

在煤炭的開采過程中，由于斷層的存在，容易引發礦井的突水災害，對煤礦的安全生產造成影響。采用FLAC 3D軟件，針對實際的工程地質條件，建立工程地質模型，對開采過程中頂底板的主應力、剪切應力及垂直位移進行模擬，從而對斷層的采動效應作用進行分析。通過仿真運算的結果顯示，在煤層開采的過程中，不同的煤柱寬度下，隨著煤柱寬度的減小，斷層逐漸受到開采產生的采動效應的影響，在煤柱寬度減小的過程中，斷層受到的采用作用影響逐漸增加，使得斷層容易發生活化現象，斷層帶附近的頂底板的垂直位移出現了兩側明顯的差異，并且在煤柱寬度減小的過程中，這種位移差逐步加大，加劇了斷層的活化，容易引起突水事故。在進行煤礦的開采過程中，要依據實際的地質條件，結合斷層帶的分布，合理的制定預留煤柱的寬度，避免斷層的活化，保證煤礦的開采安全。