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        不同斷層落差采動(dòng)應(yīng)力及活化規(guī)律優(yōu)化研究

        2019-05-07 03:29:22李美燕朱飛龍
        煤礦安全 2019年4期
        關(guān)鍵詞:法向應(yīng)力采動(dòng)剪切應(yīng)力

        李美燕,朱飛龍

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

        如今的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中,煤炭仍舊占據(jù)著非常重要的地位,隨著開(kāi)采程度的不斷深入,礦井地質(zhì)條件也越來(lái)越復(fù)雜。當(dāng)前中國(guó)大部分煤礦地區(qū),許多礦井已經(jīng)進(jìn)入地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的采區(qū)開(kāi)采。在井下地質(zhì)構(gòu)造中,斷層是最常見(jiàn)的構(gòu)造。斷層的存在切割了煤巖層整體連續(xù)性,使斷層區(qū)域原巖應(yīng)力發(fā)生改變,受采動(dòng)影響,斷層易發(fā)生活化,誘發(fā)礦井動(dòng)力災(zāi)害。因此,煤礦斷層落差的應(yīng)力變化成為學(xué)者們研究的重點(diǎn)[1-4]。斷層落差不同,工作面推進(jìn)過(guò)程中采動(dòng)應(yīng)力分布以及斷層滑移規(guī)律均有差異,因此不同斷層落差采動(dòng)應(yīng)力及活化規(guī)律研究,能夠?yàn)閿鄬佑绊憛^(qū)域工作面回采沖擊地壓防治工作提供理論依據(jù)[5-8]。賈延坤等[9-10]研究了斷層面傾角與應(yīng)力之間的變化規(guī)律。劉威等[11-12]通過(guò)研究斷層的延伸長(zhǎng)度和落差的關(guān)系,揭示了斷層的平面規(guī)律。不同厚度煤層下的不同斷層落差的應(yīng)力變化也是不同的[13]。數(shù)值分析方法是一種解決復(fù)雜礦山問(wèn)題的有效手段,通過(guò)建立不同落差傾角的計(jì)算模型,研究工作面沿?cái)鄬油七M(jìn)時(shí)不同落差采動(dòng)應(yīng)力及活化規(guī)律,為類(lèi)似地質(zhì)條件下開(kāi)采提供研究基礎(chǔ)[14-15]。在上述研究的基礎(chǔ)上,考慮了在高低位巖層和上下盤(pán)面等因素下對(duì)不同落差采動(dòng)應(yīng)力的綜合交叉影響,然后分析了其對(duì)巖層活化變化程度的影響,最終得出更加精準(zhǔn)的安全指數(shù)。

        1 工程背景與數(shù)值模擬方法

        1.1 工程背景

        興隆莊煤礦位于兗州向斜北翼,七采區(qū)3煤層深度500 m左右,平均厚度8 m左右,工作面長(zhǎng)度180 m左右。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜,其中落差大于5 m 的正斷層 21 條。DF9、DF10、DF16、斷層基本平行于工作面煤壁,落差分別為5、8、9 m,工作面推進(jìn)時(shí)通過(guò)這3條斷層。

        1.2 數(shù)值計(jì)算模型

        以興隆莊七采區(qū)7302工作面地質(zhì)條件為背景,運(yùn)用FLAC3D數(shù)值軟件建立了計(jì)算模型,研究工作面向正斷層推進(jìn)的采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律、采場(chǎng)彈性能分布特征、斷層活化規(guī)律。模型尺寸為531 m(長(zhǎng))×260 m(寬)×140 m(高),模擬煤層埋深 500 m,斷層傾角為 60°,落差分別 4、8、12 m,煤層厚度 8 m。模型頂部施加9 MPa的均布載荷,模擬上方自重荷載;水平方向施加梯形分布載荷為垂直方向的0.5倍;前后y邊界限制y方向位移,底部面限制z方向位移,其余面位移設(shè)為自由;斷層帶用1 m的軟弱帶來(lái)模擬。在模擬計(jì)算過(guò)程中,采用摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。巖體物理參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 模型巖層及力學(xué)參數(shù)

        斷層活化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1,在距煤層8 m和50 m斷層帶中點(diǎn)處,分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),作為斷層活化的標(biāo)志點(diǎn),記錄采動(dòng)過(guò)程中參量的動(dòng)態(tài)變化特征,A、B作為斷層下盤(pán)測(cè)點(diǎn),A′、B′作為斷層上盤(pán)測(cè)點(diǎn)。

        2 工作面采動(dòng)應(yīng)力演化特征

        2.1 不同落差下盤(pán)工作面采動(dòng)應(yīng)力演化特征

        圖1 斷層活化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

        下盤(pán)開(kāi)采不同落差垂直應(yīng)力分布如圖2。由圖2可知,斷層帶區(qū)域應(yīng)力集中程度不高,且隨著落差的增加垂直應(yīng)力變化較小;頂?shù)装鍛?yīng)力集中程度,隨落差增加而逐漸增大。

        圖2 下盤(pán)開(kāi)采不同落差垂直應(yīng)力分布

        下盤(pán)開(kāi)采不同落差垂直應(yīng)力分布如圖3。由圖3(a)可見(jiàn),工作面距斷層50 m時(shí),工作面前方支承壓力處于高應(yīng)力狀態(tài),支承壓力分布形態(tài)與落差變化無(wú)關(guān);落差為4 m時(shí),峰值為28.6 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.29;落差為8 m時(shí),峰值為30.13 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.41;落差為12 m時(shí),工作面前方峰值最大,為30.46 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.44。從圖3(b)擬合曲線可知,下盤(pán)工作面前方支承壓力峰值變化趨勢(shì)為:隨著斷層落差的增大而逐漸增加?;貧w得出工作面前方支承壓力峰值σz與斷層落差x成二次多項(xiàng)式:

        圖3 下盤(pán)工作面不同落差支承壓力分布

        2.2 不同落差上盤(pán)工作面采動(dòng)應(yīng)力演化特征

        上盤(pán)開(kāi)采不同落差垂直應(yīng)力分布如圖4。由圖4可知,隨著斷層落差的增加,斷層帶垂直應(yīng)力水平變化不大,且應(yīng)力集中程度不高;頂?shù)装鍛?yīng)力集中程度隨落差增大而減小,與下盤(pán)開(kāi)采相比表現(xiàn)出相反的規(guī)律。

        圖4 上盤(pán)開(kāi)采不同落差垂直應(yīng)力分布

        上盤(pán)工作面不同落差支承壓力分布如圖5。由圖5(a)可知,工作面距斷層50 m時(shí),工作面前方支承壓力處于高應(yīng)力狀態(tài),支承壓力分布形態(tài)同樣與落差變化無(wú)關(guān)。當(dāng)斷層落差為4 m時(shí),工作面支承壓力峰值為33.2 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.66;落差為8 m時(shí),支承壓力峰值為26.85 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.15;落差為12 m時(shí),支承壓力峰值減小為26.12 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.09。由圖3(b)擬合曲線可見(jiàn),上盤(pán)工作面前方支承壓力峰值變化趨勢(shì)為:隨著斷層落差的增大而逐漸減小?;貧w得出工作面前方支承壓力峰值σz與斷層落差x成二次多項(xiàng)式:

        圖5 上盤(pán)工作面不同落差支承壓力分布

        3 工作面開(kāi)采時(shí)斷層活化規(guī)律

        3.1 不同落差下盤(pán)開(kāi)采斷層活化危險(xiǎn)性分析

        下盤(pán)開(kāi)采不同落差剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值如圖6。由圖6可見(jiàn),下盤(pán)開(kāi)采時(shí),剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值變化趨勢(shì)隨斷層落差變化基本保持一致。由圖6(a)可知,對(duì)于A點(diǎn),當(dāng)工作面距斷層30 m時(shí),剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值最大,此時(shí),斷層易活化、失穩(wěn)。當(dāng)斷層落差為8 m時(shí),剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值最大;當(dāng)斷層落差為4 m時(shí),比值最小。由圖6(b)可知,在B點(diǎn)處,剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值的最大值隨斷層落差增大而增加;與落差8、12 m相比,落差4 m時(shí),比值最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于落差8、12 m,且比值峰值發(fā)生的位置更接近斷層帶。

        圖6 下盤(pán)開(kāi)采不同落差剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值

        3.2 不同落差上盤(pán)開(kāi)采斷層活化危險(xiǎn)性分析

        上盤(pán)開(kāi)采不同落差剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值如圖7。由圖7可見(jiàn),上盤(pán)開(kāi)采時(shí),隨工作面不斷向斷層推進(jìn),剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值變化趨勢(shì)隨斷層落差變化基本保持一致。對(duì)于A′點(diǎn),剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值最大值隨斷層落差增加而增大;當(dāng)落差為4 m時(shí),工作面距斷層20 m,比值達(dá)到最大值0.095 5;當(dāng)落差為8 m時(shí),工作面距斷層10 m,比值最大,為0.095 8;當(dāng)落差為12 m時(shí),工作面距斷層10 m,比值達(dá)到最大值0.096 8。在B′點(diǎn)處,剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值的最大值隨斷層落差增大而減小,且工作面距斷層20 m時(shí),比值達(dá)到最大。

        4 不同斷層落差開(kāi)采頂板運(yùn)動(dòng)特征

        不同落差頂板下沉規(guī)律如圖8。

        由圖8(a)可知,當(dāng)工作面在下盤(pán)開(kāi)采時(shí),斷層落差為12 m時(shí),煤巷頂板下沉量最大;落差為4 m時(shí),下沉量最小。由擬合曲線可以看出,隨著斷層落差x的增大,頂板下沉量y逐漸增加。擬合方程為:

        圖7 上盤(pán)開(kāi)采不同落差剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值

        圖8 不同落差頂板下沉規(guī)律

        由圖8(b)可見(jiàn),當(dāng)工作面位于上盤(pán)開(kāi)采時(shí),斷層落差4 m時(shí),煤巷頂板下沉量最大;落差12 m時(shí),下沉量最小。由擬合曲線可知,隨著斷層落差x的減小,頂板下沉量y逐漸增加。擬合方程為:

        5 結(jié)論

        1)下盤(pán)工作面開(kāi)采斷層帶區(qū)域應(yīng)力集中程度不高,且隨著落差的增加垂直應(yīng)力變化較小。頂?shù)装鍛?yīng)力集中程度,隨落差增加而逐漸增大。工作面前方支承壓力峰值變化趨勢(shì)為:隨著斷層落差的增大而逐漸增加。上盤(pán)工作面開(kāi)采,隨著斷層落差的增加,斷層帶垂直應(yīng)力水平變化不大,且應(yīng)力集中程度不高。頂?shù)装鍛?yīng)力集中程度隨落差增大而減小,與下盤(pán)開(kāi)采相比表現(xiàn)出相反的規(guī)律。工作面前方支承壓力峰值變化趨勢(shì)為:隨著斷層落差的增大而逐漸減小。

        2)下盤(pán)工作面開(kāi)采,對(duì)于低位巖層,當(dāng)工作面距斷層30 m時(shí),剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值最大,此時(shí),斷層易活化、失穩(wěn)。當(dāng)斷層落差為8 m時(shí),剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值最大;當(dāng)斷層落差為4 m時(shí),比值最小。對(duì)于高位巖層,剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值的最大值隨斷層落差增大而增加。上盤(pán)工作面開(kāi)采隨工作面不斷向斷層推進(jìn),剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值變化趨勢(shì)隨斷層落差變化基本保持一致。

        3)下盤(pán)工作面開(kāi)采,隨著斷層落差的增大,頂板下沉量逐漸增加。上盤(pán)工作面開(kāi)采,頂板下沉量變化規(guī)律與下盤(pán)開(kāi)采表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

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