劉懷喜 張 琦

（新巨龍能源有限責任公司，山東 巨野 274918）

孤島工作面近斷層開采時，斷層保護煤柱在孤島工作面采動應力和斷層構(gòu)造應力疊加作用下積聚大量彈性能，斷層活化錯動易誘發(fā)沖擊地壓災害，嚴重威脅著工作面的安全生產(chǎn)，而合理寬度的斷層保護煤柱可以降低此類災害發(fā)生的概率，因此研究孤島工作面斷層保護煤柱的合理留設寬度是十分必要的。

目前對于孤島工作面開采和近斷層開采應力分布規(guī)律的研究成果已較為完善，但孤島工作面近斷層開采時，保護煤柱應力分布更為復雜，不同方向的支承壓力疊加，煤柱積聚大量彈性能，易造成片幫、沖擊地壓等事故，此類研究卻相對較少。本文以新巨龍煤礦近斷層孤島工作面開采問題為工程背景，利用數(shù)值模擬軟件對斷層保護煤柱采動應力分布規(guī)律進行研究，確定了保護煤柱的合理留設寬度，為近斷層孤島工作面開采保護煤柱合理寬度的留設提供了科學指導，具有一定的工程實踐意義。

1 工作面概況

8301工作面主采3下煤層，開采深度917.8m，開采范圍內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)簡單，傾角平均6 °，平均厚度2.3m。8301工作面周圍存在8302工作面和8303工作面采空區(qū)，正上方為2306S工作面采空區(qū)。8301工作面與8303工作面間賦存鄆16斷層，落差0～78m，傾角平均70 °。工作面具體布置情況如圖1所示。

圖1 8301工作面布置圖

2 斷層對孤島工作面開采影響的數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)工作面實際工程地質(zhì)條件簡化并建立FLAC3D數(shù)值模型，模型尺寸為500m×500m×150m，共75 000個單元，80 631 個節(jié)點。數(shù)值模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，對四周邊界約束水平位移，下部邊界約束垂直位移。

數(shù)值模型計算時，首先開挖2306S工作面，隨后開挖8303工作面，然后開挖8302工作面。為研究斷層對煤柱應力分布的影響和斷層保護煤柱的合理留設寬度，首先在留設35m煤柱的情況下開挖工作面，對比煤柱承受應力情況。隨后研究斷層保護煤柱寬度為35m、45m和55m時煤柱采動應力分布規(guī)律。

2.2 結(jié)果分析

模擬獲得了有無斷層時采動應力的分布情況如圖2所示。無斷層時煤柱承受水平及垂直峰值應力分別為4.84MPa、15.3MPa，有斷層時煤柱承受水平及垂直峰值應力分別為7.82MPa、22.7MPa。斷層存在時，在采動影響下煤柱水平及垂直峰值應力分別上升了61.6%、48.4%，峰值應力位置均呈現(xiàn)煤柱向工作面巷道邊緣遷移的規(guī)律。無斷層情況下，煤柱處采動應力曲線呈“馬鞍形”，而斷層賦存下呈“突刺形”，煤柱近巷道處應力最為集中。這是由于斷層將煤體分離成兩部分，造成了8301工作面處的斷層保護煤柱應力集中所致?？梢姡瑪鄬訉γ褐鶓Ψ植加忻黠@影響，這是因為斷層帶附近水平構(gòu)造應力較大，煤巖體處于高應力狀態(tài)，聚積了大量能量，并且西側(cè)8302工作面已回采形成采空區(qū)，應力易集中。斷層與工作面中間位置為應力疊加高峰區(qū)，此區(qū)域容易積聚較大能量。當?shù)竭_斷層影響區(qū)域后，斷層構(gòu)造應力與工作面采動應力疊加，使斷層附近煤柱的采動應力增高。

3 孤島工作面近斷層開采保護煤柱設計

為研究工作面煤柱垂直應力分布規(guī)律，獲得了水平應力及垂直應力的分布情況如圖3所示。對比發(fā)現(xiàn)，隨斷層保護煤柱寬度的增大，其承受的采動應力均減小，三種留設寬度水平峰值應力依次為7.81MPa、5.63MPa、4.51MPa，垂直峰值應力依次為22.7MPa、13.79MPa、13.43MPa。由模擬結(jié)果可以看出，保護煤柱寬度為35m、45m時，較之55m方案水平向應力峰值分別增加了73.2%、24.8%，垂直應力峰值分別增加了69.0%、2.7%。當斷層保護煤柱寬度小于45m時，其采動應力峰值均出現(xiàn)跳躍式增長，當保護煤柱寬度在45m以上時，水平及垂直應力增幅均較小，可認為45m為采動應力發(fā)生質(zhì)變的臨界值。不同保護煤柱寬度，垂直應力峰值均位于煤柱中央處，而水平應力隨煤柱寬度的增大由工作面巷道邊緣向煤柱中央遷移。

圖2 斷層對應力分布的影響

隨著8301工作面的開采，孤島保護煤柱逐漸成為覆巖的主要承載體。由于受到傾斜斷層的切割作用，下盤保護煤柱受壓破壞由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危蔀榍褐?，而覆巖載荷主要由上盤煤柱承載。斷層賦存條件下，巖層內(nèi)積聚了大量的變形能，工作面的開采使得上覆巖層的壓力大部分作用于斷層保護煤柱之上。同時，由于煤體寬度大幅度減小，采空區(qū)側(cè)向支承壓力在斷層保護煤柱上疊加，斷層的存在使得工作面近斷層側(cè)處于高應力狀態(tài)。由于8301工作面與8303工作面采空區(qū)相鄰，采空區(qū)側(cè)向支承壓力作用在8301工作面煤體上，造成能量聚積。同時，由于8301工作面位于3上煤層2306S工作面下方，工作面前方順槽處于上下煤層超前支承壓力疊加影響，巷道圍巖應力集中程度加劇。

當斷層保護煤柱為45m時，煤柱所受水平與垂直應力均相對較小，且水平應力峰值處距巷道較遠，有利于工作面支護和維護。同時，8301與8303工作面間煤柱承載應力也較小，由此確定斷層保護煤柱寬度為45m，這樣既能通過留設合理的煤柱寬度來防止沖擊地壓災害的發(fā)生，又能充分回收煤炭資源。

圖3 模型工作面傾向方向應力分布

4 工程應用

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，設計8301孤島工作面斷層保護煤柱寬度為45m。工作面回采過程中對巷道變形量及煤柱垂直應力進行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。工作面回采過程中，斷層保護煤柱所受垂直應力最大值為15MPa，平均13MPa；巷道變形量最大值為172mm，平均值為144mm?，F(xiàn)場實測表明，工作面回采過程中煤柱垂直應力與數(shù)值模擬結(jié)果相符，整個工作面回采過程中未出現(xiàn)巷道片幫嚴重和頂?shù)装迨鹿?，保證了安全開采，回收了6.8萬t煤炭資源，取得了明顯的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

（1）對比研究了煤柱留設寬度為35m時，有無斷層情況下煤柱上的應力分布規(guī)律。無斷層時煤柱所受水平及垂直峰值應力分別為4.84MPa、15.3MPa，有斷層時煤柱所受水平及垂直應力分別為7.82MPa、22.7MPa。斷層存在時，煤柱水平應力增大了61.6%，垂直應力增大了48.4%，采動峰值應力均向近工作面處移動。

（2）得到了斷層保護煤柱不同寬度時采動應力的變化規(guī)律。斷層保護煤柱留設寬度為35m、45m、55m時，煤柱所受水平應力分別為7.81MPa、5.63MPa、4.51MPa，垂直應力分別為22.7MPa、13.79MPa、13.43MPa。不同保護煤柱寬度，垂直應力峰值均位于煤柱中央處，而水平應力隨煤柱寬度的增大由工作面巷道邊緣向煤柱中央遷移。當小于45m臨界煤柱寬度時，采動應力出現(xiàn)跳躍式增長，大于此寬度時增幅較小，由此選定45m的斷層保護煤柱寬度為合理留設寬度。

圖4 監(jiān)測結(jié)果

（3）確定斷層保護煤柱寬度為45m后，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，斷層保護煤柱所受垂直應力平均為13MPa，巷道變形值平均為144mm。煤柱垂直應力分布規(guī)律與數(shù)值模擬相符，回收煤炭資源約6.8萬t，工作面回采過程中未出現(xiàn)頂?shù)装迨鹿?，實現(xiàn)了孤島工作面近斷層開采條件的安全生產(chǎn)。