丁 楠 李小裕 蔣力帥

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266510)

★ 煤炭科技·開拓與開采★

不同采高條件下正斷層下盤開采支承應(yīng)力演化與斷層活化規(guī)律研究

丁 楠 李小裕 蔣力帥

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266510)

以興隆煤礦7302工作面工程地質(zhì)條件為背景，采用連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬，研究了正斷層下盤工作面推進過程中，采高對采動應(yīng)力分布演化規(guī)律的影響以及斷層活化特征，通過斷層帶法向應(yīng)力與切向應(yīng)力的比值作為判別依據(jù)，監(jiān)測得到下盤工作面開采誘發(fā)斷層活化規(guī)律。研究結(jié)果表明：下盤工作面向正斷層推進過程中，斷層的阻隔效應(yīng)會造成采動應(yīng)力的奇異性，不同采高條件對工作面超前支承應(yīng)力演化規(guī)律影響顯著； 6 m采高條件下，斷層活化發(fā)生在工作面推進至距斷層40 m處。通過現(xiàn)場實例驗證了不同采高條件下，工作面前方支承應(yīng)力顯現(xiàn)與斷層的時空關(guān)系差異顯著，現(xiàn)場實踐中，需根據(jù)實際工程地質(zhì)條件進行分析預(yù)測，提前布置工作面防沖措施，保證安全高效生產(chǎn)。

正斷層下盤開采 支承應(yīng)力分布 斷層活化 采動影響 不同采高工作面

斷層是我國煤礦開采過程中常見的地質(zhì)構(gòu)造，斷層的存在會切割破壞巖層的整體性，影響采動應(yīng)力的傳播，因此工作面在向斷層推進時往往會出現(xiàn)明顯的礦壓顯現(xiàn)，工作面超前支承應(yīng)力峰值突增。一些學(xué)者采用數(shù)值模擬手段研究了斷層煤柱的合理尺寸設(shè)置；分析了斷層上、下盤工作面向逆斷層推進過程中采動應(yīng)力演化特征、煤層頂板運動特征、斷層接觸面上法向應(yīng)力的時空演化規(guī)律；研究了導(dǎo)致采場應(yīng)力異常，誘發(fā)沖擊礦壓的主要因素以及提高巷道支護強度、爆破卸壓、降低沖擊礦壓災(zāi)害的施工方法。目前，采高因素對正斷層下盤開采的影響研究相對較少，為此，本文采用FLAC3D數(shù)值模擬研究不同采高條件下工作面向斷層推進過程中超前支承應(yīng)力演化規(guī)律，為類似條件下煤層開采提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 工程背景與數(shù)值模型

1.1 工程背景

興隆煤礦位于兗州向斜北翼，七采區(qū)3#煤層埋深400 m左右，平均厚度8 m，緩斜向賦存，工作面長度約160 m，區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，落差大于5 m的正斷層21條，其中，7302工作面沿肖家莊2#、3#斷層布置，其斷層落差分別為58 m、51 m，DF9、DF10斷層基本平行于工作面煤壁，落差分別為4 m、8 m。

1.2 數(shù)值模型

本文以興隆煤礦七采區(qū)7302工作面地質(zhì)條件為背景，通過三維有限差分數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立正斷層下盤工作面向斷層推進的數(shù)值模型。

模型由斷層上盤、下盤以及斷層帶組成，其中，為保持斷層帶兩側(cè)完整性，防止模型網(wǎng)格變形，采用弱化帶模擬斷層，傾角為50°。模型如圖1所示。

模型尺寸為300 m×260 m×200 m，工作面長度為140 m，埋深400 m，分別設(shè)置3 m、4 m、6 m的采高，采煤工藝為一次采全高。傾向兩側(cè)各留60 m邊界煤柱，斷層落差為4 m。本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，模型頂部為自由邊界，施加6.5 MPa的均布載荷，水平方向施加5.75 MPa的分布載荷，底部垂直方向及左右兩側(cè)采用位移限定邊界。巖層巖性具體參數(shù)見表1。

表1 各巖層巖性參數(shù)表

2 采高對正斷層下盤開采支承應(yīng)力演化規(guī)律的影響

2.1 采高為6 m時正斷層下盤開采工作面超前支承應(yīng)力演化規(guī)律

工作面向斷層推進初期，距離斷層較遠，受斷層影響較小，工作面支承應(yīng)力基本保持不變，保持在25.12 MPa左右。當(dāng)工作面向前推進至距離斷層40 m時，由于斷層與煤壁之間的距離減小，頂?shù)装宕怪睉?yīng)力及煤層支承壓力的集中程度開始增加，工作面超前支承應(yīng)力隨之發(fā)生變化。當(dāng)工作面與斷層之間的距離分別是40 m、30 m、20 m時，工作面超前支承應(yīng)力分布如圖2所示。

由圖2可知，在有斷層構(gòu)造的條件下進行采掘作業(yè)時，其上下盤的應(yīng)力分布差異顯著。工作面采動應(yīng)力受斷層阻隔效應(yīng)顯著。當(dāng)工作面推進到距離斷層40 m時，由于斷層切割了頂板的完整性，其阻隔效應(yīng)開始顯現(xiàn)，工作面支承應(yīng)力開始積聚且升高到26.73 MPa；隨著工作面繼續(xù)向前推進至與斷層相距30 m時，工作面與前方斷層距離進一步縮小，此時斷層阻隔效應(yīng)更加顯著，工作面與斷層之間的斷層煤柱應(yīng)力集中程度較高，超前支承應(yīng)力峰值達到27.30 MPa，如圖3所示，此時工作面前方約20 m的斷層煤柱已經(jīng)發(fā)生了塑性破壞，剩余10 m斷層煤柱未發(fā)生破壞。當(dāng)工作面與斷層距離減小到20 m時，此時由于支承應(yīng)力集中，斷層煤柱已發(fā)生顯著塑性破壞而失去載荷能力，且彈性勢能釋放，導(dǎo)致工作面前方支承應(yīng)力突降至22.33 MPa。因此，當(dāng)工作面距離斷層40 m時應(yīng)提前做好防沖措施，加強工作面及巷道圍巖支護，預(yù)防動力壓力災(zāi)害發(fā)生。由圖3可知，當(dāng)工作面與斷層距離30 m時，前方大部分煤柱已發(fā)生塑性變形，當(dāng)工作面與斷層相距為20 m時，前方已完全發(fā)生塑性破壞，煤柱失去載荷能力。

圖2 工作面向斷層推進過程中支承應(yīng)力分布圖

圖3 工作面向斷層推進時塑性區(qū)分布圖

2.2 不同采高條件下正斷層下盤開采工作面超前支承應(yīng)力演化規(guī)律

不同煤柱寬度下，工作面支承應(yīng)力峰值情況如表2所示。

由表2可知，當(dāng)采高為3 m時，在工作面向斷層推進前期，超前支承應(yīng)力基本保持在23.50 MPa左右。當(dāng)工作面與斷層距離減小到20 m時，斷層阻隔效應(yīng)開始顯現(xiàn)，此時工作面支承應(yīng)力為24.20 MPa；當(dāng)工作面與斷層距離減小到15 m時，超前支承應(yīng)力峰值迅速增加到26.89 MPa；當(dāng)工作面與斷層距離減小到10 m時，斷層煤柱發(fā)生塑性破壞并釋放彈性勢能，失去承載能力，工作面支承應(yīng)力突降為16.78 MPa。當(dāng)采高為4 m時，其支承應(yīng)力峰值與采高為3 m時相差不大。因此，在工作面向前推進距離斷層20 m時應(yīng)提前布置防沖措施，預(yù)防工作面巷道動力災(zāi)害。

表2 不同采高工作面向斷層推進過程中支承應(yīng)力峰值

采高為3 m、4 m和6 m時，工作面向斷層推進過程中支承應(yīng)力峰值變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，工作面向斷層推進過程中，當(dāng)采高為3 m和4 m時工作面超前支承應(yīng)力變化基本一致，在工作面與斷層距離減小到30 m時，斷層阻隔效應(yīng)開始顯現(xiàn)，工作面超前支承應(yīng)力開始集聚，在工作面與斷層距離從20 m減小到15 m時，應(yīng)力峰值增速最快且達到最大值。隨著工作面繼續(xù)推進，煤柱釋放彈性勢能從而失去承載能力，致使支承應(yīng)力突降；當(dāng)采高為6 m時，與采高為3 m和4 m相比，工作面支承應(yīng)力都相對較高。在工作面與斷層距離減小到40 m時，斷層阻隔效應(yīng)開始顯現(xiàn)，工作面支承應(yīng)力開始積聚，到工作面與斷層距離減小到30 m時達到最大值為27.30 MPa。3種采高條件下，工作面支承應(yīng)力峰值都是呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢。采高為6 m時的工作面比采高為3 m和4 m的工作面超前10 m體現(xiàn)這一規(guī)律，但是應(yīng)力突變曲線相對更緩和。

圖4 工作面推進時不同采高支承應(yīng)力變化曲線

不同采高條件下，工作面前方支承應(yīng)力顯現(xiàn)與距斷層距離的時空關(guān)系有所差異。當(dāng)采高為6 m時，工作向前推進距離斷層40 m時，支承應(yīng)力開始集中。而當(dāng)采高為3 m和4 m時，支承應(yīng)力集中出現(xiàn)在工作面推進至距離斷層20 m時。即相同工程地質(zhì)條件下，采高不同對工作面超前支承應(yīng)力顯現(xiàn)有明顯作用，在現(xiàn)場實踐中，需要根據(jù)其規(guī)律和現(xiàn)場工程地質(zhì)條件進行分析預(yù)測，提前布置工作面防沖措施，保證安全高效生產(chǎn)。

3 采高對正斷層下盤開采斷層活化規(guī)律的影響

為研究斷層活化規(guī)律，在煤層直接頂板(煤層上方10 m處)斷層帶中點處取監(jiān)測點，并在采高為6 m時對其進行檢測。下盤開采時斷層帶應(yīng)力變化如圖5所示。

由圖5(a)可知，隨著工作面與斷層之間的距離減小，監(jiān)測點處斷層帶法向應(yīng)力值逐漸減小。當(dāng)工作面與斷層距離大于50 m時，法向應(yīng)力比較穩(wěn)定，維持在13 MPa左右，受開采活動的影響較小。當(dāng)工作面與斷層距離小于50 m時，隨著斷層與工作面的距離減小，監(jiān)測點處斷層帶法向應(yīng)力迅速減小。由圖5(b)可知，監(jiān)測點切向應(yīng)力與法向應(yīng)力的演化規(guī)律不同，當(dāng)工作面與斷層距離為40 m時，切向應(yīng)力值最大為0.41 MPa。當(dāng)工作面與斷層距離在10～40 m時，其演化規(guī)律呈漏斗狀，當(dāng)工作面與斷層距離由40 m減小到28 m時，監(jiān)測點切向應(yīng)力急劇降低并達到最低值0.13 MPa，當(dāng)工作面與斷層距離由28 m減小到10 m時，切向應(yīng)力值對應(yīng)增高，最終達到0.38 MPa。

圖5 采高6 m時斷層帶應(yīng)力變化

為進一步觀察斷層活化的可能性，取切向應(yīng)力與法向應(yīng)力的比值作為考察指標(biāo)，如圖6所示。

圖6 采高6 m時切向應(yīng)力與法向應(yīng)力比值

由圖6可知，斷層帶切向應(yīng)力的分布規(guī)律與切向應(yīng)力與法向應(yīng)力比值的分布規(guī)律基本相同，所以在正斷層下盤開采時，切向應(yīng)力對斷層活化的影響程度大于法向應(yīng)力，是影響斷層活化的主要因素，因此，當(dāng)工作面與斷層距離為40 m時，煤層直接頂開始活化。在實際開采過程中要及時觀察斷層帶切向應(yīng)力值，防止煤礦沖擊地壓事故的發(fā)生。

4 應(yīng)用

斷層沖擊地壓是由于采掘活動引起采動應(yīng)力異常集中及斷層突然相對錯動，進而誘發(fā)能量突然釋放現(xiàn)象。生產(chǎn)實踐表明，在斷層構(gòu)造附近開采容易引發(fā)沖擊地壓，沖擊危險性較高，且釋放大量的能量，破壞能力強，嚴重威脅礦井的安全生產(chǎn)。

兗州煤業(yè)濟三煤礦6303工作面采高為6 m，推進到1338 m(下盤工作面距SF28正斷層35 m)時，工作面支架壓力急劇升高，工作面輔助運輸巷內(nèi)頂板下沉量增加，距工作面煤壁35 m范圍內(nèi)輔助運輸巷發(fā)生了沖擊地壓，煤幫瞬間突出1.5～2 m左右，該區(qū)域內(nèi)的設(shè)備被掀翻，沖擊的位置處于SF28斷層的下盤，如圖7所示。

圖7 濟三煤礦6303輔助運輸巷沖擊地壓位置

山東某礦3110工作面采高為4 m，向斷層F3110-1和F3109-1推進時，距離斷層約20 m的位置，因采動應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力集中導(dǎo)致沖擊地壓事故，上出口向外17 m范圍內(nèi)巷道底臌1.7～1.8 m，煤壁片幫嚴重，有煤塊拋出，支架歪斜。沖擊地壓位置處于斷層F3110-1和F3109-1下盤，如圖8所示。

圖8 山東某礦3110工作面沖擊地壓事故位置圖

下盤工作面在向正斷層推進時，斷層阻隔效應(yīng)明顯，阻隔了應(yīng)力傳播，在工作面煤壁與斷層之間的斷層煤柱上形成很高的應(yīng)力集中，不同采高條件下工作面與斷層之間采動應(yīng)力積聚狀態(tài)發(fā)生改變，表現(xiàn)為不同采高條件下，工作面前方支承應(yīng)力顯現(xiàn)與距斷層距離的時空關(guān)系有所差異。在現(xiàn)場實踐中，需要根據(jù)其規(guī)律和現(xiàn)場工程地質(zhì)條件進行分析預(yù)測，提前布置工作面防沖措施，保證安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié)論

(1)正斷層賦存條件下，工作面向斷層推進過程中，斷層會削弱巖層中應(yīng)力傳遞的特性，起到斷層應(yīng)力阻隔效應(yīng)，工作面超前支承應(yīng)力會發(fā)生演化，呈現(xiàn)先降低后升高的規(guī)律，在不同的采高條件下，工作面推進至距斷層一定距離時，會產(chǎn)生應(yīng)力峰值最高點，導(dǎo)致斷層煤柱發(fā)生塑性破壞且失去承載能力。

(2)隨著工作面向斷層推進，采高為3 m和4 m時的工作面超前支承應(yīng)力演化規(guī)律基本相同；當(dāng)采高為6 m時，受斷層阻隔應(yīng)力傳遞效應(yīng)影響較采高為3 m、4 m時顯著，支承應(yīng)力峰值在不同煤柱寬度下都相對較高，但應(yīng)力峰值變化曲線較采高為3 m、4 m時相對平緩。

(3)采高為6 m時，當(dāng)工作面與斷層距離為40 m時應(yīng)加強工作面及巷道圍巖支護及鉆孔卸壓，預(yù)防動力災(zāi)害。采高為3 m和4 m時，以上災(zāi)害可在工作面與斷層相距20 m之前布置。

(4)在采動影響下，切向應(yīng)力是影響正斷層穩(wěn)定的主要因素。在6 m采高條件下，工作面與斷層距離為40 m時，斷層開始活化。在現(xiàn)場實踐中，需要根據(jù)實際施工情況，進行監(jiān)測和防治，防止煤礦事故的發(fā)生。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

Researchonlawsofabutmentpressureevolutionandfaultactivationinnormalfaultfootwallminingwithdifferentminingheight

Ding Nan, Li Xiaoyu, Jiang Lishuai

(College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510, China)

Taking the 7302 working face of Xinglong Mine as the engineering background, the continuum of numerical simulation was employed to study the effect of mining height on law of mining stress distribution and characteristics of fault activation in the process of working face heading to the normal fault. Based on the ratio of the normal stress and tangential stress on the fault, the law of the induced fault activation was obtained. The results showed that the fault's barrier effect led to abnormality of mining stress and different mining height brought significant influence on evolution laws of advanced abutment pressure. In case that the mining height was 6 m, the fault was activated when the distance between normal fault and working face was 40 m. Validated by field practices, different mining heights had notable effects on the space relationship between the abutment pressure behaviors and the fault in front of working face. In the field practices, the burst control measures should be arranged based on the case-dependent analysis with geological and geotechnical conditions in order to ensure safe and efficient production.

normal fault footwall mining, abutment pressure distribution, fault activation, mining influence, working face with different mining height

丁楠，李小裕，蔣力帥. 不同采高條件下正斷層下盤開采支承應(yīng)力演化與斷層活化規(guī)律研究[J]. 中國煤炭，2017,43(8)：71-75. Ding Nan, Li Xiaoyu, Jiang Lishuai. Research on laws of abutment pressure evolution and fault activation in normal fault footwall mining with different mining height[J]. China Coal, 2017, 43(8): 71-75.

TD323

A

丁楠(1991-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士研究生，主要研究方向為礦山壓力與巖層控制。