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        木瓜礦斷層對(duì)工作面開采應(yīng)力影響數(shù)值模擬分析

        2018-08-01 06:14:44
        現(xiàn)代礦業(yè) 2018年6期
        關(guān)鍵詞:正斷層礦壓斷層

        溫 敏

        (霍州煤電集團(tuán)團(tuán)柏煤礦)

        斷層是由地殼破裂形成的沿破裂表面相對(duì)移動(dòng)的巖石,其嚴(yán)重影響地質(zhì)構(gòu)造的穩(wěn)定性,對(duì)采煤工作面安全生產(chǎn)有很大的影響[1-4]。斷層構(gòu)造附近煤巖物理力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化,導(dǎo)致工作面推進(jìn)礦壓顯現(xiàn)與正常表現(xiàn)不同,周圍巖體的應(yīng)力傳遞和塑性區(qū)發(fā)育在斷層上下盤出現(xiàn)很大差異[5-7]。針對(duì)工作面過斷層期間的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,研究人員做了大量卓有成效的工作,本文基于已有的研究基礎(chǔ),對(duì)木瓜礦10煤工作面過斷層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析,以期為工作面安全開采提供理論依據(jù)。

        1 工程概況

        木瓜煤礦10-211工作面北鄰10-213采空區(qū),南鄰10-209采空區(qū),西鄰井田邊界,靠近風(fēng)氧化帶及西縱高速公路保安煤柱,東鄰二采區(qū)3條大巷。工作面標(biāo)高為+851~+895 m,地面標(biāo)高為+1 095~+1 225 m。工作面走向長(zhǎng)1 195 m,傾向長(zhǎng)296 m,煤層厚2.92~3.12 m,平均為3.02 m,煤層傾角為3°~7°,平均為5°,為近水平煤層。工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖,平均厚1.0 m,致密較硬,中厚層狀構(gòu)造;基本頂為粗砂巖,平均厚5.0 m,厚層狀、棱角狀,泥質(zhì)膠結(jié);直接底為泥巖,平均厚1.0 m,灰黑色,平坦?fàn)?;基本底為?xì)砂巖,平均厚4.0 m,致密堅(jiān)硬。

        工作面在掘進(jìn)過程中共揭露2條斷層,回采區(qū)域預(yù)計(jì)會(huì)遇見F1、F22條斷層,落差最小為0.5 m,最大為2.1 m,斷層產(chǎn)狀見表1。F1、F2斷層對(duì)回采工作會(huì)造成一定影響,為此研究存在斷層情況下的煤層回采應(yīng)力分布規(guī)律,保證回采工作的安全穩(wěn)定。

        表1 斷層產(chǎn)狀信息

        2 斷層數(shù)值模型建立

        本次斷層模擬設(shè)計(jì)選取10-211工作面F2斷層為工程背景,煤層平均厚度取3.0 m,平均埋深為300 m,采用單一走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法,工作面頂板采取全部垮落法管理。建立的數(shù)值模型尺寸為70 m×100 m×58 m(長(zhǎng)×寬×高),斷層傾角為40°,斷距為2.0 m,模型共計(jì)596 000個(gè)塊體。模型整體按照近水平建立,四周固定位移約束,底部采取固定約束,上部為自由邊界,并施加6.7 MPa垂直應(yīng)力模擬上覆巖重,模型四周各留設(shè)10 m煤體以消除邊界效應(yīng),建立的三維模型見圖1。計(jì)算采用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,所需煤巖物理力學(xué)參數(shù)可參照文獻(xiàn)[8],具體見表2。斷層的剛度選取模型最硬剛度的5‰,其他參數(shù)均選取為5%。

        圖1 三維計(jì)算模型

        3 工作面過斷層數(shù)值模擬結(jié)果分析

        方案一按照實(shí)際生產(chǎn)中10-211工作面推進(jìn)過程中遇到的斷層為正斷層,在模型初始應(yīng)力平衡后,從模型左側(cè)開挖,開挖步距為5 m,每開挖一次進(jìn)行一次應(yīng)力平衡,分析斷層兩側(cè)垂直應(yīng)力變化規(guī)律,布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于煤層頂板2 m上泥巖巖層內(nèi);方案二采取從模型右側(cè)開挖,開挖步距與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置與方案一相同,進(jìn)行工作面過逆斷層的對(duì)比分析。

        表2 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

        3.1 工作面過正斷層頂板垂直應(yīng)力分析

        按照木瓜礦10-211工作面實(shí)際推進(jìn)過正斷層頂板垂直應(yīng)力變化情況見圖2。

        圖2 工作面過正斷層頂板垂直應(yīng)力變化特征

        從圖2可知,工作面推進(jìn)5 m至推進(jìn)25 m時(shí),工作面前方超前支承應(yīng)力峰值逐漸增大,從6.7 MPa 增加到12.7 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)從1.0增加到1.9,采空區(qū)后方支承應(yīng)力也逐步增加,從9.3 MPa 增加到13.3 MPa;模型斷層位置在X方向37 m處,隨著工作面向前推進(jìn),從5 m增加至 25 m,超前支承應(yīng)力影響范圍逐漸減小,以斷層所在位置為界限,在斷層位置應(yīng)力值突然降低,超前支承應(yīng)力影響范圍也被截?cái)?,工作面繼續(xù)向前推進(jìn)至30,35 m 時(shí),雖仍未過斷層,但從垂直應(yīng)力值分布來看,此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)已處于斷層影響范圍之內(nèi),當(dāng)工作面繼續(xù)推過斷層后,工作面超前支承應(yīng)力急劇上升,隨著采空區(qū)范圍的增大,超前支承應(yīng)力峰值達(dá)到19.2 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.9,之后工作面垂直應(yīng)力特征即與常規(guī)工作面相似。

        因此,工作面過正斷層時(shí),從頂板垂直應(yīng)力變化特征可以得出,工作面在推進(jìn)至距正斷層10~12 m之前時(shí),頂板垂直應(yīng)力變化隨著推進(jìn)距離的增加而呈現(xiàn)周期性變化,變化幅度越靠近斷層位置越劇烈;工作面正斷層的影響范圍在20 m左右,即斷層前后各10 m,推過斷層10 m后,頂板應(yīng)力變化特征繼續(xù)呈現(xiàn)周期性規(guī)律,逐漸與常規(guī)工作面類似。

        3.2 工作面過逆斷層頂板垂直應(yīng)力分析

        工作面過正斷層應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析后,為更好地研究斷層對(duì)工作面開采應(yīng)力的影響特征,采取工作面反向推進(jìn),模擬過逆斷層時(shí)的頂板應(yīng)力變化情況見圖3。

        圖3 工作面過逆斷層頂板垂直應(yīng)力變化特征

        從圖3可知,工作面推進(jìn)5 m至推進(jìn)20 m時(shí),工作面前方超前支承應(yīng)力周期性規(guī)律并不顯著,且垂直應(yīng)力峰值在越靠近斷層位置受到的影響越大,應(yīng)力峰值不增反減,從6.7 MPa減小到5.9 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)從1.0降低到0.9,但采空區(qū)后方支承應(yīng)力逐步增加,從14.4 MPa增加到17.5 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)從2.1增加到2.6;隨著工作面向前推進(jìn),從5 m增加至20 m,超前支承應(yīng)力影響范圍逐漸減小,以斷層所在位置為界限,在斷層位置應(yīng)力值突然降低,超前支承應(yīng)力影響范圍也被截?cái)?,工作面繼續(xù)向前推進(jìn)至25,30 m直至50 m時(shí),工作面已經(jīng)推過逆斷層,垂直應(yīng)力分布規(guī)律又呈現(xiàn)出周期性變化,工作面超前支承應(yīng)力峰值由8.8 MPa增加到19.4 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)從1.3增加到2.9,推進(jìn)30 m 之后,工作面垂直應(yīng)力變化特征即與常規(guī)工作面相似。

        因此,工作面過逆斷層時(shí),從頂板垂直應(yīng)力變化特征可以得出,垂直應(yīng)力在工作面推進(jìn)至斷層之前均未出現(xiàn)任何規(guī)律性變化,頂板垂直應(yīng)力隨推進(jìn)工作面距離減小而變??;工作面推過斷層之后,超前支承應(yīng)力很快出現(xiàn)周期性變化規(guī)律,逆斷層的影響范圍主要表現(xiàn)在推過斷層之前10~15 m,推過斷層之后即與常規(guī)工作面壓力規(guī)律類似。

        針對(duì)工作面過斷層時(shí)的應(yīng)力分布結(jié)果,對(duì)礦壓規(guī)律變化分析可知,原因主要有以下兩點(diǎn):

        (1)當(dāng)工作面過正斷層時(shí),工作面從斷層下盤往斷層上盤推進(jìn),需要先開挖一部分頂板進(jìn)而轉(zhuǎn)到煤層中繼續(xù)推進(jìn),此時(shí)斷層下盤承受較高的采動(dòng)支承壓力,由于斷層本身是一個(gè)弱面,對(duì)應(yīng)力傳遞產(chǎn)生了阻隔作用,導(dǎo)致斷層接觸面兩側(cè)應(yīng)力值差別較大。

        (2)當(dāng)工作面過逆斷層時(shí),工作面從上盤往下盤推進(jìn),需要先開挖一部分底板進(jìn)而轉(zhuǎn)到煤層中推進(jìn),此時(shí)斷層上盤承受較高的應(yīng)力,與過正斷層時(shí)類似,應(yīng)力傳遞被阻斷,在斷層弱面處出現(xiàn)應(yīng)力突變。

        因此,無論工作面過正斷層或逆斷層,斷層弱面的存在導(dǎo)致斷層上下兩盤應(yīng)力變化規(guī)律并不連續(xù),在斷層處出現(xiàn)一定程度的變化。所以在工作面過斷層時(shí),加強(qiáng)相應(yīng)斷層影響區(qū)域的應(yīng)力監(jiān)測(cè),防止出現(xiàn)工作面所受應(yīng)力的突變而造成工作面設(shè)備或人員事故是十分重要的。

        4 結(jié) 論

        (1)正斷層與逆斷層整體礦壓規(guī)律顯現(xiàn)類似,工作面開采中正斷層對(duì)工作面影響程度在20 m,大于逆斷層10~15 m的影響范圍。

        (2)由于斷層的存在,礦壓規(guī)律周期性變化在斷層處出現(xiàn)應(yīng)力突變,工作面在斷層上下盤的應(yīng)力值差別較大,加強(qiáng)工作面過斷層時(shí)的礦壓監(jiān)測(cè)是規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的有效途徑。

        (3)通過對(duì)木瓜礦工作面過斷層的礦壓規(guī)律研究,對(duì)礦井生產(chǎn)實(shí)踐提供了指導(dǎo),同時(shí)也為相似地質(zhì)條件下工作面生產(chǎn)提供借鑒。

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