邵德全

（汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司，山東 濟寧 272511）

近年來，隨著煤炭淺部資源的逐步減少，礦井的開采水平逐漸加深，使得礦山壓力的問題日益顯著[1]。許多煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在回采及掘進過程中經(jīng)常遇到斷層，甚至有些工作面沿著斷層布置，使垂直應(yīng)力升高，更容易引起礦山壓力顯現(xiàn)，嚴(yán)重時導(dǎo)致沖擊地壓[2-3]。已有眾多專家學(xué)者對斷層影響而引發(fā)的沖擊地壓進行了深入的研究，但大多是從工作面推進方向與斷層走向垂直這種情況下研究的，而對于工作面沿斷層走向推進的情況研究甚少。

本文結(jié)合義橋煤礦3307 工作面的實際資料，借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件，在工作面沿斷層走向推進的條件下，對工作面附近的垂直應(yīng)力進行了分析研究。

1 工程背景

義橋煤礦3307 工作面位于三采區(qū)西部，走向長1089 m，傾向長200 m。煤層平均埋深700 m，煤層厚3.1～5.7 m，平均4.3 m，煤層傾角10°～24°，平均15°，為近水平煤層。該工作面沿SF6 斷層走向布置在其一側(cè)的下盤，留有20～70 m的斷層保護煤柱。SF6 斷層為正斷層，傾角為70°，落差為0～14 m。3307 工作面采用綜合機械化放頂煤采煤法沿斷層走向推進，全部垮落法處理采空區(qū)。

2 模型的建立

采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D進行模擬研究。為避免模型邊界效應(yīng)對模擬結(jié)果的影響，模型四周預(yù)留50 m 的邊界，模型的大小設(shè)置為263 m×300 m×129 m；同時考慮網(wǎng)格的疏密對模擬結(jié)果的影響，對煤層及其一定范圍內(nèi)的頂?shù)装寰W(wǎng)格進行加密。斷層采用弱化塊體進行模擬，設(shè)計傾角為70°，上、下盤落差14 m，工作面與斷層之間留設(shè)40 m 的斷層保護煤柱。模型共116 790 個網(wǎng)格，125 194 個節(jié)點。模型取煤層上方72 m 為上邊界，取下方51 m 為下邊界，并對上邊界施加27.5 MPa 的荷載，對模型的四周邊界及下部邊界約束法向位移[4]。計算模型如圖1 所示。

圖1 計算模型

3 模型的計算方案

整個模擬采用mohr-coulomb 本構(gòu)模型進行計算，模型中巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。模型計算平衡后將速度、位移及塑性破壞均清零，得到初始應(yīng)力場，然后進行模擬開挖。其中工作面長度設(shè)計為100 m，總推進長度100 m，每次開挖20 m，共開挖5 次。每個開挖步驟之后都進行一次計算，開挖過后，采空區(qū)采用雙屈服模型處理。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)表

4 計算結(jié)果及分析

計算完畢后，煤層水平切面垂直應(yīng)力云圖如圖2 所示。從圖中可以看出，工作面遠(yuǎn)斷層側(cè)的側(cè)向支承應(yīng)力峰值為34.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.36；工作面遠(yuǎn)斷層側(cè)，其側(cè)向支承應(yīng)力峰值相比上端頭的側(cè)向支承應(yīng)力峰值大，達(dá)到了38.0 MPa，相應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)為1.52；同時，對二者相應(yīng)位置上應(yīng)力集中區(qū)域的范圍進行比較，發(fā)現(xiàn)工作面近斷層側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)域范圍大于遠(yuǎn)斷層側(cè)。說明采動應(yīng)力在斷層阻隔效應(yīng)的作用下，受到了斷層附加應(yīng)力的影響，二者相互疊加，使工作面靠近斷層一側(cè)發(fā)生沖擊地壓的風(fēng)險有所增加[5]。

圖2 煤層水平切面垂直應(yīng)力云圖

此外，在工作面后方10 m 處做豎直切面，得到工作面傾向豎直切面垂直應(yīng)力云圖如圖3 所示，圖4 為相應(yīng)的應(yīng)力曲線圖。從圖4 中可以看出，在工作面近斷層一側(cè)，不論是應(yīng)力集中的程度，還是應(yīng)力集中區(qū)域的范圍，均比工作面遠(yuǎn)斷層一側(cè)的大。進一步結(jié)合上述兩圖可以看出，作用于工作面采空區(qū)兩側(cè)煤體上的支承應(yīng)力分布規(guī)律大致相似，總體上均呈現(xiàn)出以煤壁為起點，隨著向煤壁內(nèi)部的深入，先增大后減小趨于平穩(wěn)的規(guī)律。不同的是，遠(yuǎn)斷層側(cè)的變化規(guī)律較為簡單，即側(cè)向支撐應(yīng)力在達(dá)到峰值35.1 MPa 后緩慢減小，直至平緩降至原巖應(yīng)力25.0 MPa；而近斷層一側(cè)的側(cè)向支承應(yīng)力受到斷層阻隔作用[6]的影響，從煤柱到斷層方向呈現(xiàn)先快速增大，達(dá)到應(yīng)力峰值39.0 MPa 后快速減小，在斷層處降至最低點23.9 MPa，并在斷層另一側(cè)略微增大，隨后降至原巖應(yīng)力25.0 MPa。通過以上分析，工作面近斷層側(cè)相比遠(yuǎn)斷層側(cè)，其支承應(yīng)力峰值更大，應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)1.56，應(yīng)力集中程度及集中區(qū)域也更大，因此更易發(fā)生沖擊危險。

圖3 工作面傾向垂直應(yīng)力云圖

圖4 工作面傾向垂直應(yīng)力曲線圖

另一方面，圖5、圖6 分別為兩順槽內(nèi)側(cè)15 m處沿工作面走向做豎直切面得到的垂直應(yīng)力云圖。兩圖中工作面超前支承應(yīng)力峰值位置均在工作面煤壁前方約10 m 處，圖6 中工作面近斷層一側(cè)，其超前支承應(yīng)力峰值為41.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)1.64，相比圖5 中的壓力峰值稍大一些，且應(yīng)力集中區(qū)域范圍更廣。這說明了斷層對其附近工作面煤壁應(yīng)力有略微的影響，雖影響程度不大，但仍需注意防范工作面近斷層側(cè)沖擊地壓的發(fā)生。

圖5 工作面遠(yuǎn)斷層側(cè)超前支承應(yīng)力云圖

圖6 工作面近斷層側(cè)超前支承應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

（1）工作面沿斷層走向推進，在斷層阻隔效應(yīng)的影響下，近斷層一側(cè)的側(cè)向支承應(yīng)力分布規(guī)律呈現(xiàn)出先增大再急劇減小，隨后略微起伏，最終趨于平穩(wěn)的分布規(guī)律。

（2）工作面近斷層側(cè)的側(cè)向支承應(yīng)力峰值及超前支承應(yīng)力峰值均大于遠(yuǎn)斷層側(cè)，相應(yīng)的應(yīng)力集中程度及影響范圍亦是如此。

（3）以上都說明了在斷層的影響下，工作面近斷層側(cè)沖擊危險誘發(fā)幾率及強度均可能高于遠(yuǎn)斷層側(cè)，應(yīng)注意適當(dāng)加強沖擊地壓防治措施。