鐘 勇

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司；2.洛陽(yáng)坤宇礦業(yè)有限公司)

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斷層條件下開(kāi)采時(shí)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的數(shù)值模擬

鐘 勇1,2

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司；2.洛陽(yáng)坤宇礦業(yè)有限公司)

為了弄清朱集東礦1111(1)綜采作業(yè)面在斷層條件下推進(jìn)過(guò)程中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，采用RFPA2D-Strata軟件,對(duì)比模擬分析了工作面從斷層上盤(pán)、下盤(pán)向前推進(jìn)過(guò)程中斷層對(duì)工作面支承壓力的影響。結(jié)果表明：在斷層條件下，無(wú)論從上盤(pán)還是下盤(pán)開(kāi)采，工作面離斷層較近時(shí)，工作面前方都會(huì)產(chǎn)生較高的應(yīng)力峰值，形成沖擊危險(xiǎn)；相較于在上盤(pán)斷層開(kāi)采，工作面位于下盤(pán)斷層時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)更高，沖擊危險(xiǎn)性也更高。

斷層 RFPA2D-strata 支承壓力 數(shù)值模擬

斷層是廣泛分布在地殼中的一種主要地質(zhì)構(gòu)造。在煤層開(kāi)采過(guò)程中，斷層的存在易造成地下開(kāi)采礦山中采場(chǎng)的回采工作面及巷道礦壓顯現(xiàn)異常，對(duì)井下的施工人員造成較大的安全隱患。由于采掘作業(yè)是在各種巖石組成的地質(zhì)體中進(jìn)行，當(dāng)在斷層條件下開(kāi)采煤層時(shí)，煤層的整體性被切斷，正在推進(jìn)的綜采作業(yè)面附近的礦壓會(huì)受到影響，進(jìn)行重新分布。故研究分析礦壓再分布變化規(guī)律，有助于預(yù)測(cè)和防治煤層開(kāi)采過(guò)程中斷層誘發(fā)的沖擊危險(xiǎn)性。

1 工程概況

朱集東礦 1111(1) 工作面為首采工作面，分布在北回風(fēng)巷北側(cè)11～12勘察線，走向長(zhǎng)度1 879 m，傾向長(zhǎng)230 m。目前在11-2#煤層開(kāi)采，煤層厚度0.95～1.6 m ，平均煤厚1.37 m， 煤層傾角0°～6°，平均傾角3.5° ，埋深約900 m。巖層相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。煤層開(kāi)采工作面有一部分處于斷層Fx斷裂帶中，斷裂帶煤巖不穩(wěn)定，巷道頂板管理困難，斷裂帶為正斷層，傾角70°，平均落差1.5 m。

2 數(shù)值模型建立

1111(1)工作面由Fx正斷層上盤(pán)向前推進(jìn)，為了弄清采掘期間斷層對(duì)工作面支承壓力的影響程度，決定采用RFPA2D-Strata軟件進(jìn)行應(yīng)力分布的數(shù)值模擬，分析正斷層情況下工作面從斷層上盤(pán)向前推進(jìn)過(guò)程中斷層對(duì)工作面支承壓力的影響。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)工作面布置，還需模擬在正斷層情況下，工作面從斷層下盤(pán)向前推進(jìn)過(guò)程中斷層對(duì)工作面支承壓力的影響，比較分析工作面如何推進(jìn)斷層周邊區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性最低。

以采場(chǎng)縱剖面為計(jì)算區(qū)域，建立煤層開(kāi)挖數(shù)值模型，分別記為SⅠ、SⅡ(圖1、圖2)。SⅠ、SⅡ模型高度和寬度均為55 m×200 m，由110×400個(gè)細(xì)觀單元組成，采用平面應(yīng)變模型。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

圖1 在斷層上盤(pán)開(kāi)采的模型SⅠ

圖2 在斷層下盤(pán)開(kāi)采的模型SⅡ

(1)斷層模擬方法。在模型中通過(guò)在斷層上下盤(pán)間添加弱結(jié)構(gòu)面來(lái)模擬，假設(shè)弱結(jié)構(gòu)面的均值度為1，取內(nèi)摩擦角20°，彈性模量取10 GPa。

(2)模型加載方式。模型的左右邊界和下部采用約束方式，采用先加載后分步開(kāi)挖，每步開(kāi)挖5 m，共8步。由于煤層埋藏較深(約900 m)，在模型上部施加22 MPa恒定應(yīng)力，另外巖層還受自重作用，在開(kāi)挖煤層以上的每?jī)蓭r層間加不同強(qiáng)度的節(jié)理。模型最頂層采用彈模和強(qiáng)度均較大的材料，保證模型不被過(guò)高應(yīng)力壓壞。根據(jù)各巖層進(jìn)行賦值，巖層力學(xué)參數(shù)假設(shè)與韋伯分布相符，巖層破裂采取莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則判斷。

(3)模擬步驟。在正斷層的情況下，首先模擬工作面從斷層上盤(pán)向前推進(jìn)時(shí)，距斷層43，38，33，28，23，18，13 m時(shí)支承壓力的分布規(guī)律；模擬工作面從斷層下盤(pán)向斷層推進(jìn)時(shí)，距斷層43，38，33，28，23，18，13 m時(shí)支承壓力的分布規(guī)律。

3 斷層條件下開(kāi)采時(shí)的動(dòng)態(tài)規(guī)律

3.1 位于斷層上盤(pán)開(kāi)采時(shí)的應(yīng)力動(dòng)態(tài)規(guī)律

根據(jù)模型SⅠ，對(duì)1111(1)工作面及其上覆巖層內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)在距斷層不同距離的情況下進(jìn)行了模擬，其結(jié)果見(jiàn)圖3所示。

由圖3可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層43 m時(shí)，應(yīng)力峰值達(dá)到26.2 MPa；當(dāng)工作面逐漸推移至28 m時(shí)，應(yīng)力峰值到達(dá)47.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.01。故當(dāng)回采面在斷層上盤(pán)向斷層推移時(shí)，回采面支承壓力隨回采面的推進(jìn)而向煤壁前方移動(dòng)，且煤壁前方支承力逐漸增加。當(dāng)回采面繼續(xù)向前推進(jìn)距離斷層18 m時(shí)，煤壁前方支撐壓力增強(qiáng)到53.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)一步提高，增大至2.26；當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層13 m時(shí)，由于在斷層與煤壁之間只有13 m的煤體，相當(dāng)于小煤柱，在煤柱中形成了很高的應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值達(dá)到62.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)增加到2.67，在斷層以外垂直應(yīng)力迅速減小到48.6 MPa，在工作面前方煤柱中不僅形成了很高的應(yīng)力集中，而且還形成了很高的應(yīng)力梯度，具有很高的沖擊危險(xiǎn)性。

圖3 工作面在斷層上盤(pán)推進(jìn)時(shí)的支承壓力

3.2 位于斷層下盤(pán)開(kāi)采時(shí)的應(yīng)力動(dòng)態(tài)規(guī)律

根據(jù)模型SⅡ，對(duì)1111(1)工作面及其上覆巖層內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)在距斷層不同距離的情況下進(jìn)行了模擬，其結(jié)果見(jiàn)圖4所示。

圖4 工作面在斷層下盤(pán)推進(jìn)時(shí)的支承壓力

由圖4可以看出，當(dāng)工作面離斷層43和38 m時(shí)，工作面超前支承壓力曲線基本一致，當(dāng)工作面距離斷層43 m時(shí)，應(yīng)力峰值為33.5 MPa；當(dāng)工作面推移至與斷層相距38 m時(shí)，應(yīng)力峰值上升到38.9 MPa，證明此時(shí)斷層對(duì)工作面支承壓力的影響還很微弱。由于工作面頂板為較軟弱的泥巖，而工作面煤層厚度也較薄，所以在工作面前方實(shí)體煤中形成的應(yīng)力集中不高。

隨著工作面進(jìn)一步向斷層推進(jìn)，斷層對(duì)工作面支承壓力的影響程度逐步增加，應(yīng)力峰值逐步升高，當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層28 m時(shí)，應(yīng)力峰值達(dá)到56.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到了2.4；當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層18 m時(shí)，應(yīng)力峰值增加到64.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)也增大到2.74；而當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至斷層13 m時(shí)，由于在斷層與煤壁之間只有13 m的小煤柱，在煤柱中形成了很高的應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值高達(dá)68.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)一步增大到2.92，由于在煤壁與斷層之間的煤柱中產(chǎn)生了很高的應(yīng)力集中，故極易產(chǎn)生沖擊危險(xiǎn)。而在斷層以外的煤體中，應(yīng)力峰值迅速降為36.8 MPa。

3.3 斷層條件下開(kāi)采時(shí)的共性規(guī)律

3.3.1 覆巖垮落的共性規(guī)律

無(wú)論是在斷層上盤(pán)還是在斷層下盤(pán)開(kāi)采，由于煤體上覆巖層中節(jié)理和層理的存在，煤體上覆巖層不會(huì)隨工作面的推進(jìn)形成結(jié)構(gòu)破壞，而是產(chǎn)生破裂，導(dǎo)致冒落。通過(guò)采動(dòng)模擬圖5、圖6可以分析出：在垂直方向上，遵循自下而上的運(yùn)動(dòng)順序，即在重力的作用下，巖梁彎曲沉降，一旦超過(guò)允許的沉降值限度即發(fā)生冒落；在水平方向上，當(dāng)下位頂板冒落且達(dá)到極限跨距時(shí)，上位頂板將會(huì)產(chǎn)生斷裂，隨之下沉回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、觸矸，最終形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

3.3.2 支承壓力變化的共性規(guī)律

(1)煤層開(kāi)采破壞了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，使得應(yīng)力重新分布。因?yàn)楫?dāng)煤層被開(kāi)采后，采空區(qū)上覆巖層重量將轉(zhuǎn)向采空區(qū)周?chē)碌闹С悬c(diǎn)，從而在采空區(qū)周?chē)鷺?gòu)成支承壓力帶，工作面前方形成的超前支承壓力會(huì)隨著工作面推移而向前移動(dòng)。

圖5 工作面在斷層上盤(pán)開(kāi)采模擬

圖6 工作面在斷層下盤(pán)開(kāi)采模擬

(2)隨著工作面不斷向前推移，原本較穩(wěn)定的老頂巖梁傳遞給煤層上的壓力逐漸增大。但是因?yàn)楦鼽c(diǎn)的應(yīng)力沒(méi)有達(dá)到煤體的極限強(qiáng)度，故而包括煤壁在內(nèi)的所有煤層都處于彈性壓縮階段，此時(shí)支承壓力峰值在煤壁處出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

(3)在離斷層較遠(yuǎn)處，工作面向斷層推進(jìn)時(shí)，斷層對(duì)工作面超前支承壓力的影響不大；在離斷層較近時(shí)，斷層的存在誘使超前支承壓力應(yīng)力峰值急劇增加。

(4)當(dāng)工作面臨近斷裂破裂帶時(shí)，因頂板被割斷，導(dǎo)致應(yīng)力無(wú)法被傳遞，而位于工作面前方的頂板巖層將在工作面和斷層間的煤柱形成加壓現(xiàn)象，進(jìn)而積聚較高的應(yīng)力，并誘發(fā)大范圍的頂板運(yùn)動(dòng)，以至于常常會(huì)釋放較大的能量，引起沖擊危險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

(1)在斷層條件下時(shí)，無(wú)論在上盤(pán)還是在下盤(pán)開(kāi)采，隨著綜采作業(yè)面的推進(jìn)，工作面前方均會(huì)逐步形成較高的應(yīng)力集中，最后都會(huì)產(chǎn)生沖擊危險(xiǎn)，造成較大的安全隱患。

(2)在遠(yuǎn)離斷層一定距離的情況下開(kāi)采，工作面前方的應(yīng)力相對(duì)較小，產(chǎn)生沖擊危險(xiǎn)的可能性很?。浑x斷層越近，工作面前方的應(yīng)力越大，產(chǎn)生沖擊危險(xiǎn)的可能性越大。

(3)相較于工作面在斷層上盤(pán)向前逐漸推動(dòng)時(shí)，工作面在斷層下盤(pán)向前推動(dòng)，工作面支承壓力增加的幅度更大，更易于造成應(yīng)力集中，發(fā)生沖擊危險(xiǎn)的可能性更大。

(4)根據(jù)支承壓力的變化，可以判斷沖擊危險(xiǎn)性的強(qiáng)弱，從而對(duì)斷層條件下開(kāi)采時(shí)由礦壓變化造成的危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和防治。

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Numerical Simulation of the Law of Underground Pressure Induced by Coal Extraction Under Fault

Zhong Yong1,2

(1.Zijin Mining Group Co., Ltd.;2.Luoyang Kunyu Mining Co., Ltd.)

In order to analyze the underground pressure law induced by coal extraction under fault of 1111(1)fully-mechanized working face in Zhuji east mine,based on the RFPA2D-strata software,the influence of abutment pressure originated by the working face advanced on hanging wall and foot wall of fault are conducted camparative simulation analysis.The results show that under the fault condition,no matter from the top or from the footwall,the peak value of stress in front of the working face is produced,so,the impact hazard is appeared when the working face is close to the fault;the stress concentration factor and impact hazard when the working face advanced on foot wall of fault are higher than the ones induced by the working face advanced on hanging wall of fault.

Fault,RFPA2D-Strata,Abutment pressure,Numerical simulation

2016-07-10)

鐘 勇(1989—)，男，碩士，471700 河南省洛陽(yáng)市洛寧縣北鳳翼路147號(hào)。