義橋煤礦3305 工作面斷層防水煤柱安全評價

左常清 劉亞楠 田曉偉

（汶上義橋煤礦有限責任公司，山東 濟寧 272100）

1 工程概況

3305 工作面北面為3303 工作面采空區(qū)，東面為三采區(qū)膠帶下山，南面為斷層SF21，西面為YF7斷層。3305 工作面寬度為155/230 m，走向推進長度平均1120 m。煤層厚度為3.10～5.80 m，煤層傾角為8°～23°。3305 工作面受斷層構造應力和采動應力的疊加影響，如果斷層發(fā)生活化，可能會釋放大量能量，造成煤柱破壞，存在誘發(fā)斷層沖擊地壓、斷層突水等災害的危險，帶來極大的生命及財產(chǎn)威脅[1-4]。研究3305 工作面采動與YF20 斷層相互影響下工作面覆巖“三場”的空間演化規(guī)律，是保證3305 工作面安全開采的前提。3305 工作面布置圖如圖1。

圖1 3305 工作面布置圖

2 數(shù)值模型

選定頂?shù)装鍘r層物理力學參數(shù)見表1，斷層面物理力學參數(shù)見表2，建立如圖2 所示的三維FLAC3D數(shù)值模型。數(shù)值模型長2300 m、寬1400 m、高1240 m，模擬的煤層埋深為460～800 m。3305 工作面開挖范圍為160/250 m（傾向寬度）×1150 m（走向長度），每次開挖50 m 直至全部采完。

表1 巖層物理力學參數(shù)

表2 斷層面物理力學參數(shù)

圖2 數(shù)值模型

3 工作面開采對采空覆巖空間演化特征的影響

3.1 采空覆巖破壞場演化規(guī)律

圖3 為3305 工作面回采結束后塑性區(qū)剖面圖，自工作面直接頂至工作面上方327 m 范圍內巖層呈現(xiàn)剪切破壞狀態(tài)，在工作面推進過程中YF20 斷層近工作面處發(fā)生滑移，滑移區(qū)域范圍長度超過960 m。在3305 工作面傾向500 m 處，工作面中部塑性區(qū)發(fā)育至上方約280 m，兩側塑性區(qū)發(fā)育至92 m，3305 工作面近斷層側上方約97 m 處。在3305 工作面傾向900 m 處，3305 工作面塑性區(qū)逐漸向上發(fā)育至工作面上方約345 m 處，相對推進500 m 時增加75 m，工作面近斷層上方塑性區(qū)與斷層溝通面積繼續(xù)增大，拉剪混合破壞區(qū)域面積減少。在3305 工作面傾向1100 m 處，拉剪混合破壞區(qū)變化小，塑性區(qū)逐漸趨于穩(wěn)定。但是，3305 工作面塑性區(qū)與斷層溝通區(qū)域由900 m 時的83 m 急劇增加到199 m。

圖3 3305 工作面采空覆巖破壞場演化特征

3.2 采空覆巖位移場演化規(guī)律

圖4 為3305 工作面回采結束后位移場剖面圖。工作面回采后，受YF20 斷層影響，3305 工作面距斷層約297 m 處出現(xiàn)大范圍位移，最大位移量約為2.5 m。YF20 斷層變形量整體較小，近3305 工作面處斷層及其上方約702 m 范圍內最大剪切位移約為0.36 m，其他部分剪切位移量均在0.36 m 以下。在3305 工作面傾向500 m 處，頂、底板最大位移量分別約為2.4 m、0.6 m。SF21 斷層最大剪切位移量約為0.45 m，SF6 斷層最大剪切位移量約為0.2 m。在3305 工作面傾向900 m 處，3305 工作面頂板最大位移量約為3.55 m，底板最大位移量約為1.0 m。工作面推進過程中SF21 斷層繼續(xù)發(fā)生剪切位移，最大位移量約為0.72 m。在3305 工作面傾向1100 m 處，3305 工作面頂板最大位移量約為3.55 m，逐漸趨于穩(wěn)定，底板最大位移量約為1.2 m。工作面推進過程中SF21 斷層繼續(xù)發(fā)生剪切位移，最大位移量約為0.72 m。受3305 工作面采動影響，工作面走向YF20 斷層上盤區(qū)域巖層向3305 工作面采空區(qū)移動區(qū)域明顯增大；3305 工作面傾向的SF6 斷層上下盤巖層受采動影響較小；3305 工作面傾向的SF21 斷層下盤區(qū)域巖層明顯向采空區(qū)移動且明顯增大，相比YF20 斷層，SF21 斷層移動位移較大；SF21 斷層上下盤區(qū)域巖層移動范圍超過500 m。

圖4 3305 工作面采空覆巖位移場演化特征

3.3 采空覆巖應力場演化規(guī)律

圖5 為3305 工作面回采結束后應力場剖面圖。工作面回采后，頂?shù)装逍秹海ぷ髅鎯蓚葢校h斷層側應力集中程度相對較小，最大40 MPa。受斷層影響，工作面近斷層側應力集中程度相對較大，主應力最大達85 MPa。YF20 斷層應力場受工作面回采影響較大，近工作面處剪切應力集中程度最大3.5 MPa，影響范圍405 m。在3305 工作面傾向500 m 處，3305 工作面近斷層側出現(xiàn)明顯應力集中，最大應力約為60 MPa。3305 工作面近斷層側應力場與下部巖層應力場溝通。在3305 工作面傾向900 m 處，近斷層側應力最大約為70 MPa，遠斷層側最大應力約為60 MPa，工作面近斷層及遠斷層側應力場繼續(xù)向下發(fā)育。在3305 工作面傾向1100 m 處，3305 工作面近斷層側應力場繼續(xù)發(fā)育。3305工作面在推進過程中對SF21 和SF6 斷層應力場影響不明顯。受3305 工作面采動影響，YF20 斷層近工作面處剪切應力集中程度和影響范圍變化較小，而SF21 斷層、SF6 斷層剪切應力集中現(xiàn)象較小。

圖5 3305 工作面采空覆巖應力場演化特征

4 基于“三場”演化規(guī)律的YF20 斷層防水煤柱安全評價

受3305 工作面采動影響，YF20 斷層位于3305工作面?zhèn)认蛴绊憛^(qū)域存在剪切滑移現(xiàn)象；3305 工作面塑性區(qū)側向邊界隨著埋深的增加逐漸與SF21 斷層面溝通且范圍逐漸增大，SF21 斷層區(qū)域剪切滑移范圍逐漸增大；而SF6 斷層未出現(xiàn)剪切滑移現(xiàn)象。3305 工作面走向方向上，3305 工作面采動與YF20斷層滑移疊加影響采空覆巖應力場演化規(guī)律。對于應力場，當工作面推進至990 m 時，3305 工作面超前應力開始影響YF20 斷層，此時3305 工作面與YF20 斷層間的距離為120 m。當3305 工作面與YF20 斷層間的距離為120 m 時，3305 工作面采動會對YF20 斷層活化運動產(chǎn)生顯著影響。因此，基于采空覆巖“三場”演化規(guī)律，為了確保三采區(qū)3305 工作面開采不影響YF20 斷層防水煤柱，3305工作面停采線位置應與YF20 斷層面間的距離不小于120 m，與現(xiàn)場實際留設YF20 斷層保護煤柱寬度125 m 相符合，說明數(shù)值模擬結果比較符合工程實踐。

5 結論

利用FLAC3D建立三維數(shù)值模型，從覆巖破壞場、位移場和應力場三方面來研究3305 工作面開采與斷層疊加對采空覆巖空間演化特征的影響。基于采空覆巖“三場”演化規(guī)律數(shù)值模擬結果，3305工作面停采線位置與YF20 斷層面間的距離不小于120 m，與現(xiàn)場實際留設YF20 斷層保護煤柱寬度相符合，實現(xiàn)了工作面斷層防水煤柱安全評價。