束佳明 賈江鋒 張 臣 馬 寧

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590)

隨著煤炭資源的不斷開發(fā)，礦井開采深度不斷增大，地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，礦井沖擊地壓等地質(zhì)災(zāi)害日益嚴(yán)重。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在斷層、褶曲構(gòu)造帶或煤層傾角變化帶等區(qū)域，易誘發(fā)沖擊地壓等地質(zhì)災(zāi)害。斷層作為礦井最為常見的地質(zhì)構(gòu)造，切割巖層的連續(xù)性，礦壓分布規(guī)律受斷層影響十分明顯。

現(xiàn)階段，針對(duì)斷層附近礦山壓力顯現(xiàn)特征及沖擊地壓的誘發(fā)，我國(guó)科學(xué)工作者已進(jìn)行了大量的研究。代進(jìn)等采用基本頂斷裂巖塊鉸接平衡理論，通過研究不同開采順序下，工作面采空區(qū)基本頂荷載在斷層兩側(cè)的傳遞規(guī)律和差異性，并結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)，得出了斷層上盤先行開采時(shí)，斷層的載荷傳遞系數(shù)較大，上盤斷層煤柱壓力小，下盤煤體壓力較大；李志華等采用了斷層滑移失穩(wěn)相似模擬試驗(yàn)及數(shù)值模擬，研究了斷層附近工作面上下盤開采順序，通過對(duì)比分析得出工作面位于斷層下盤時(shí)沖擊礦壓危險(xiǎn)性遠(yuǎn)高于工作面位于上盤時(shí)的危險(xiǎn)性。根據(jù)地質(zhì)力學(xué)觀點(diǎn)，逆斷層構(gòu)造附近更易發(fā)生沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害，這是由于在水平方向的構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)烈擠壓作用下，斷層上下盤圍巖更容易發(fā)生彎曲，易積聚大量的彈性能。一旦斷層上下兩盤發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)將直接導(dǎo)致斷層帶圍巖積聚對(duì)的彈性能瞬間釋放，造成礦山傷亡事故。

本文以鮑店煤礦73上09工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，通過對(duì)比不同尺寸的斷層煤柱，研究逆斷層下盤工作面開采時(shí)頂板垂直應(yīng)力分布、煤壁下沉量及斷層的相對(duì)滑移量，進(jìn)而分析誘導(dǎo)沖擊地壓的發(fā)生的規(guī)律。

1 UDEC數(shù)值計(jì)算模型

UDEC是處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序，適用于模擬含節(jié)理或結(jié)構(gòu)面不連續(xù)塊體集合問題，能夠滿足研究需要。以鮑店煤礦73上09工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，針對(duì)逆斷層下盤工作面開采，建立UDEC數(shù)值計(jì)算模型。

考慮邊界效應(yīng)，數(shù)值計(jì)算模型長(zhǎng)550 m，高155 m，兩側(cè)各留設(shè)50 m邊界煤柱，采空區(qū)長(zhǎng)度為120 m。數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)見表1。斷層巖石物理力學(xué)參數(shù)如下：剪切模量1.52 MPa，體積模量2.30 MPa，容重2700 kg/m3，粘聚力0.05 MPa，內(nèi)摩擦角16°，抗拉強(qiáng)度0.04 MPa。為減少模型運(yùn)算時(shí)間，模型邊界附近網(wǎng)格劃分相對(duì)稀疏。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

巖性厚度/m剪切模量/GPa體積模量/GPa容重/kg·m-3粘聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)粉砂巖244.848.8227503.3030砂質(zhì)泥巖101.002.1723601.3038粉砂巖124.848.8227503.3030細(xì)砂巖103.387.8727003.2628泥巖61.002.1723601.3038煤層82.173.6823602.1025粗砂巖83.36.8726903.1628砂質(zhì)泥巖151.002.1723601.3038細(xì)砂巖123.387.8727003.2628粉砂巖304.848.8227503.3030

計(jì)算模型底部邊界采用全約束邊界條件，左右兩側(cè)邊界采用水平方向約束、豎直方向自由的邊界條件，頂端采用自由邊界條件。模擬工作面埋深400 m，模型頂板巖層高90 m，上部未模擬巖層自重以均布載荷垂直施加于模型頂端，因此補(bǔ)償載荷為7.75 MPa。

考慮到模型邊界的合理性，實(shí)際觀測(cè)表明，采空區(qū)的長(zhǎng)度和寬度均達(dá)到和超過1.2～1.4H0(H0為平均開采深度)時(shí)，地表可達(dá)到充分采動(dòng)。因此對(duì)于模型采空區(qū)長(zhǎng)度為120 m時(shí)，地表達(dá)到充分采動(dòng)。

2 逆斷層下盤工作面采動(dòng)應(yīng)力分布及斷層滑移規(guī)律分析

2.1 下盤工作面支承壓力演變規(guī)律

在模型下盤煤層中分別設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測(cè)線，監(jiān)測(cè)工作面距斷層45 m、35 m、25 m、15 m和5 m時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，得到工作面超前支承應(yīng)力演化規(guī)律，煤柱垂直應(yīng)力分布如圖2所示。

由圖2可以看出，當(dāng)工作面距離斷層超過45 m時(shí)，工作面超前支承應(yīng)力分布形式基本不變，表明斷層對(duì)工作面的支承應(yīng)力影響不大。但由于工作面直接頂為硬厚粗砂巖，易形成大面積懸頂，工作面應(yīng)力集中程度高。

圖2 下盤工作不同寬度斷層煤柱應(yīng)力分布

當(dāng)工作面距離斷層25～45 m時(shí)，受斷層切割煤體影響，斷層與工作面之間形成大煤柱，煤巖體應(yīng)力集中明顯，并隨著工作面向斷層推進(jìn)而逐漸升高，頂板與煤體均處在高應(yīng)力狀態(tài)下，煤柱最大應(yīng)力達(dá)到26.7 MPa(距離斷層25 m)；應(yīng)力峰值區(qū)間縮小，應(yīng)力峰值與煤壁間的距離縮短。斷層下盤工作面前方煤巖體積聚了大量的彈性能，斷層煤柱區(qū)域工作面巷道發(fā)生高應(yīng)力沖擊危險(xiǎn)性較高。

下盤工作面距離斷層5～15 m時(shí)，工作面進(jìn)入小煤柱支承階段，工作面的開采對(duì)斷層的構(gòu)造應(yīng)力的影響也達(dá)到最大，超前支承應(yīng)力影響區(qū)轉(zhuǎn)移至上盤，下盤應(yīng)力全部降低，高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移至上盤。由于小煤柱發(fā)生較為劇烈的塑性破壞，承載能力顯著降低，小煤柱應(yīng)力降低，應(yīng)力峰值降低6.5～18.95 MPa，峰值位置距煤壁位置也降低至2～7 m。此階段，斷層下盤煤柱若突然發(fā)生脆性破壞，極易誘發(fā)動(dòng)載型沖擊災(zāi)害。

2.2 煤壁上方頂板沉降速度分析

在煤壁上方5 m處布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用History命令，記錄工作面每次開挖后煤壁上方頂板下沉量的歷史值，得出其運(yùn)動(dòng)曲線圖，曲線的斜率反映頂板的下沉速率。提取下盤工作面每次開挖計(jì)算8000步的數(shù)據(jù)(運(yùn)行5000步左右時(shí)已基本達(dá)到平衡狀態(tài))，繪制出下盤工作面開挖頂板運(yùn)動(dòng)曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出，下盤工作面距斷層25～55 m時(shí)，受斷層切割影響，大煤柱支承狀態(tài)下，煤巖體處于高應(yīng)力狀態(tài)，但大煤柱的支承能力強(qiáng)，煤壁上方的最大位移僅由1.38 m增至1.68 m，位移及下沉速率均較少，易誘發(fā)高應(yīng)力型沖擊災(zāi)害。當(dāng)工作面距斷層15 m時(shí)，進(jìn)入小煤柱護(hù)巷階段，煤柱所承受的上覆載荷減少，且承載能力顯著降低，煤柱破壞嚴(yán)重，此時(shí)的頂板位移激增至2.02 m，下沉速率明顯增大，頂板運(yùn)動(dòng)釋放較多能量，易誘發(fā)煤巖體整體失穩(wěn)型沖擊災(zāi)害。當(dāng)工作面距離斷層5 m時(shí)，煤柱進(jìn)一步破壞，下沉量仍較大，易誘發(fā)頂板沉降型沖擊災(zāi)害。

圖3 下盤開采頂板運(yùn)動(dòng)曲線

2.3 斷層面相對(duì)滑移量分析

為研究斷層面的滑移量，在平行于斷層面的上盤和下盤布置等高的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用History命令，記錄工作面每次開挖后監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉量的歷史值，取斷層上盤和下盤的位移的差值，可作為斷層面滑移量，如圖4所示。

圖4 下盤開采斷層滑移量變化曲線

由圖4可知，斷層面的相對(duì)滑移量隨著工作面距斷層的距離增大而減小，斷層與工作面之間的距離越近，斷層面相對(duì)滑移量越大。當(dāng)下盤工作面距斷層25～55m時(shí)，斷層的滑移量從0.416 m增加至0.495 m，斷層滑移速率及滑移量較小。工作面距斷層15 m時(shí)，斷層的滑移量與滑移速率均有明顯的變化，滑移增加0.05 m，煤柱受上覆巖層垮落影響而發(fā)生破壞，釋放較多的能量，易發(fā)生煤巖體整體失穩(wěn)型沖擊災(zāi)害。當(dāng)工作面距離斷層5 m時(shí)，煤柱進(jìn)一步破壞，此時(shí)的斷層滑移量也達(dá)到最大值0.61 m，易誘發(fā)頂板沉降型沖擊災(zāi)害。

2.4 小結(jié)

當(dāng)工作面與斷層之間留煤柱超過15 m時(shí)，煤巖體處于高應(yīng)力狀態(tài)下，頂板下沉量及其下沉速率、斷層滑移量均較小，易誘發(fā)高應(yīng)力型沖擊災(zāi)害；當(dāng)工作面與斷層之間留設(shè)小煤柱時(shí)，煤巖體發(fā)生破壞，下盤應(yīng)力降低，高應(yīng)力區(qū)全部轉(zhuǎn)移至上盤，而頂板下沉量及其下沉速率、斷層滑移量較大，易誘發(fā)頂板沉降型沖擊災(zāi)害。

3 結(jié)論

(1)隨著開挖不斷接近斷層，斷層帶附近應(yīng)力不斷集中，進(jìn)入小煤柱支承階段，下盤工作面應(yīng)力降低，高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移至上盤；

(2)頂板位移及其沉降速率、斷層滑移量隨煤柱的增大而減小，表明工作面距離斷層近，越易發(fā)生沖擊地壓；

(3)逆斷層下盤開采時(shí)，大煤柱支承階段，煤巖體處于高應(yīng)力狀態(tài)，主要以應(yīng)力型沖擊災(zāi)害為主，可采取煤層注水、大直徑鉆孔卸壓等措施進(jìn)行處理；進(jìn)入小煤柱階段，煤柱承載能力降低，易誘發(fā)頂板沉降型沖擊災(zāi)害，此階段應(yīng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)礦壓數(shù)據(jù)，對(duì)端頭處加強(qiáng)支護(hù)護(hù)。