郭崇秀

(交口縣防震減災(zāi)中心，山西 交口 032400)

組成地殼的巖層或巖體因地殼的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生斷裂面，沿?cái)嗔衙鎯蓚?cè)巖層或巖體發(fā)生顯著相對(duì)位移，稱為斷層[1]。斷層在形成中經(jīng)歷復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，推拉、扭轉(zhuǎn)、研磨、錯(cuò)動(dòng)使得兩盤巖體異常破碎，后斷層巖體趨于穩(wěn)定直至采動(dòng)作用下活化，對(duì)采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性有顯著的影響[2-3]。由于斷層巖體中節(jié)理裂隙賦存極其復(fù)雜且產(chǎn)生顯著劣化效應(yīng)，采動(dòng)下斷層活化程度及斷層巖體響應(yīng)規(guī)律不清，斷層影響區(qū)成為事故多發(fā)區(qū)域[4]。弄清采動(dòng)引起斷層巖體活化機(jī)制和響應(yīng)規(guī)律，可對(duì)斷層區(qū)事故隱患超前預(yù)警，采取合理的防治措施。相關(guān)專家學(xué)者分析了斷層形成過(guò)程、應(yīng)力及變形規(guī)律，研究了采動(dòng)下斷層活化失穩(wěn)的影響因素和能量條件等。由于斷層發(fā)育的不規(guī)則、斷層和工作面復(fù)雜相互作用，斷層區(qū)圍巖控制成為研究難點(diǎn)[5]。

本文以大莊煤礦3802工作面回采期間過(guò)斷層為研究對(duì)象，采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，研究采動(dòng)下斷層巖體活化響應(yīng)力學(xué)機(jī)制，分析不同推進(jìn)距離下斷層兩盤巖體的應(yīng)力及變形演化規(guī)律，提出采動(dòng)下斷層巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)模型、活化機(jī)理和應(yīng)力演化規(guī)律、控制原則和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工作面安全通過(guò)斷層影響區(qū)。

1 采動(dòng)下斷層巖體響應(yīng)力學(xué)機(jī)制

斷層的存在破壞了巖體連續(xù)性和完整性，阻斷采場(chǎng)應(yīng)力向前方傳遞，破壞頂板破斷垮落的一般規(guī)律。建立采動(dòng)與斷層相互作用結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，如圖1所示。受采動(dòng)影響以前，斷層煤巖體主要承受靜載應(yīng)力，為上覆巖層自重載荷。采動(dòng)超前支承壓力應(yīng)力向前方傳遞，到斷層處受阻形成能量積聚，動(dòng)靜應(yīng)力疊加形成高應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力場(chǎng)的廣泛調(diào)整、能量的大量積聚，將必然引起斷層解鎖活化，發(fā)生顯著滑移失穩(wěn)。

圖1 采動(dòng)與斷層相互作用結(jié)構(gòu)模型

取斷層切割頂板分析，建立臨近斷層頂板破斷力學(xué)模型，如圖2所示。工作面垂直斷層走向推進(jìn)，頂板破斷受斷層影響，可視為三邊固支、一邊剪支的薄板，破斷形成O-X結(jié)構(gòu)。

對(duì)圖2頂板受力分析，得到頂板破斷極限載荷P及破斷距x[6]：

(1)

式中：P為頂板破斷極限載荷，即頂板受斷層面約束力，N；M為頂板極限彎矩，N·m；x為頂板破斷最大變形點(diǎn)與短邊距離，m；a、b分別為破斷頂板的長(zhǎng)邊和短邊，m；δ為斷層傾角，°；p為頂板上均布載荷，N.

斷層A、B盤相互約束，以斷層面為鉸接點(diǎn)、連續(xù)梁模型來(lái)計(jì)算斷層張開(kāi)位移：

(2)

式中：γC-A、γC-B分別為A、B盤在斷層處撓度，m；k1為A、B盤長(zhǎng)度之比；EI為頂板抗彎剛度，N/m.

由γC-A=γC-B得到斷層面約束力[7]：

(3)

考慮頂板見(jiàn)方破斷，將a=b代入公式(1)、公式(2)、公式(3)，得到：

xC-A=k1a=0.35b

xC-B=(1-k1)a=0.65b

PC-A=28.28MP/b2

PC-B=41.33MP/b2

分析可知：

1) 當(dāng)0

2) 當(dāng)PC-B>PC-A時(shí)，工作面回采時(shí)上盤對(duì)頂板約束力更大，下盤開(kāi)采時(shí)采動(dòng)對(duì)斷層影響更大。

3)k1值越小，工作面頂板懸頂越長(zhǎng)，斷層的張開(kāi)位移越大，斷層面處將發(fā)生剪斷和相互錯(cuò)動(dòng)破壞，即斷層巖體做出活化響應(yīng)。

2 采動(dòng)下斷層巖體應(yīng)力及變形的演化規(guī)律

以柳林大莊煤礦3802工作面為研究對(duì)象，采用UDEC模擬軟件研究不同回采距離下斷層煤巖體應(yīng)力和破壞演化規(guī)律。

該工作面主采3號(hào)煤，平均厚度4 m，埋深500 m，工作面走向長(zhǎng)度900 m、傾向長(zhǎng)度200 m.煤層上方直接頂缺失，基本頂為平均厚度14.7 m的中砂巖及細(xì)砂巖，SF431正斷層貫穿3802綜放工作面，斷層角度70°，落差為10 m.模型長(zhǎng)×高=200 m×90 m(圖3).模擬分析工作面從斷層上盤向斷層推進(jìn)時(shí)，距SF431斷層16 m、8 m、0 m及通過(guò)斷層8 m時(shí)煤巖體應(yīng)力和變形變化規(guī)律。

非洲豬瘟可防可控不可怕。廣大消費(fèi)者要堅(jiān)持做到 “兩要兩不要”，為打贏非洲豬瘟防控戰(zhàn)貢獻(xiàn)力量。“兩要”：一要購(gòu)買經(jīng)檢疫檢驗(yàn)合格和熟制的豬肉產(chǎn)品;二要積極參與和支持非洲豬瘟防控工作，對(duì)涉嫌危害動(dòng)物疫病防控的違法行為及時(shí)舉報(bào)?！皟刹灰保阂徊灰獢y帶、網(wǎng)購(gòu)和郵寄未經(jīng)檢疫檢驗(yàn)合格或未熟制的豬肉制品;二不要信謠、傳謠。

圖3 采動(dòng)斷層響應(yīng)模擬模型

2.1 采動(dòng)下斷層巖體活化特征

模型運(yùn)算后得到不同回采距離斷層巖體活化特征，如圖4所示。

當(dāng)工作面推進(jìn)到距斷層面16 m和8 m時(shí)，采空區(qū)出現(xiàn)大范圍頂板斷裂垮落，煤層上方基本頂中細(xì)砂巖出現(xiàn)大量豎向裂縫及裂縫貫通擴(kuò)張；平行斷層面巖體有少量裂隙開(kāi)始擴(kuò)展張開(kāi)，減少了上下盤巖體之間摩擦力，使其有相互錯(cuò)動(dòng)，表現(xiàn)出明顯的活化現(xiàn)象，如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4 工作面不同距離時(shí)斷層巖體活化特征

當(dāng)工作面推進(jìn)斷層面上盤時(shí)，下盤煤層基本頂直至高位上覆巖層大范圍巖體出現(xiàn)豎向裂縫的擴(kuò)展貫通，如圖4(c)所示。斷層面處覆巖裂隙充分張開(kāi)，斷層上、下盤之間由“黏接”狀態(tài)轉(zhuǎn)化為“斷開(kāi)”狀態(tài)，斷層下盤沿?cái)鄬用胬煜鲁?，兩盤出現(xiàn)顯著相對(duì)移動(dòng)，已經(jīng)完全活化，斷層活化失穩(wěn)使得工作面容易發(fā)生頂板臺(tái)階下沉。

當(dāng)工作面推過(guò)斷層面，完全進(jìn)入斷層下盤時(shí)(8 m)，上盤巖體沿著斷層面大幅滑動(dòng)失穩(wěn)趨于穩(wěn)定，由于斷層面進(jìn)一步拉裂和錯(cuò)動(dòng)，阻礙了應(yīng)力和位移向下盤傳遞，煤壁前方巖體中壓力減小，頂板垮落高度減小，如圖4(d)所示。考慮下盤基本頂懸頂較長(zhǎng)之后發(fā)生回轉(zhuǎn)變形破斷的影響，頂板出現(xiàn)強(qiáng)烈來(lái)壓。

2.2 采動(dòng)下斷層巖體應(yīng)力變化

工作面推進(jìn)至距離斷層不同距離，監(jiān)測(cè)煤體超前支承壓力，得到應(yīng)力變化如圖5所示。

由圖5分析可知，工作面距離斷層越近，煤體中超前支承壓力越大，應(yīng)力集中系數(shù)越大；當(dāng)工作面距離斷層40 m時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)為1.8，距離斷層10 m時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.3，應(yīng)力峰值達(dá)到30.2 MPa.

圖5 工作面與斷層不同距離時(shí)應(yīng)力變化

這是因?yàn)榛罨郧皵鄬拥牟贿B續(xù)特性極大阻礙了應(yīng)力及頂板變形的傳遞，能量通過(guò)煤體向斷層巖體積聚。距離斷層越近，采動(dòng)頂板變形和能量在斷層大量積聚，滿足斷層兩盤發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)的能量條件，斷層巖體處于活化的臨界狀態(tài)。

3 工作面過(guò)斷層區(qū)頂板安全控制原則和技術(shù)

采用“割頂留底”的方法通過(guò)工作面斷層區(qū)域，正斷層上盤側(cè)留底煤，下盤破底。選定推進(jìn)俯角不大于15°，在距斷層面15 m處開(kāi)始過(guò)斷層，工作面每硐推進(jìn)0.8 m，計(jì)算可以得出平均每硐提刀幅度179～277 mm.

1) 對(duì)于上盤煤巖體賦存區(qū)域，通過(guò)爆破形成斷層通道，采用控制推進(jìn)速度、加強(qiáng)支護(hù)、破碎區(qū)注漿實(shí)現(xiàn)上盤圍巖控制，防止工作面頂板大面積臺(tái)階下沉和部分破碎頂板冒頂。

2) 對(duì)于下盤煤巖體賦存區(qū)域，通過(guò)爆破形成斷層通道，采用降低采高、鋪金屬網(wǎng)加強(qiáng)支護(hù)、破碎區(qū)注漿實(shí)現(xiàn)下盤圍巖控制，防止松散破碎頂板漏冒失穩(wěn)。

根據(jù)提出的斷層圍巖控制原則和技術(shù)，大莊煤礦3802工作面回采期間共揭露斷層21條，其中于2021年3月5日到3月27日成功通過(guò)落差10 m的SF431斷層，產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)效益。

與搬家重開(kāi)切眼工藝相比較，直接通過(guò)斷層：①少掘搬家通道，節(jié)省巷道掘進(jìn)維護(hù)費(fèi)用：120 m×0.8萬(wàn)元/m=96萬(wàn)元；②回收斷層保護(hù)煤柱，斷層兩側(cè)各留設(shè)20 m保護(hù)煤柱，直接通過(guò)斷層按20%回收率，噸煤價(jià)格650元計(jì)算：45 760 t×20%×650元=594.88萬(wàn)元。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 采動(dòng)變形和應(yīng)力傳遞并在斷層區(qū)積聚，動(dòng)靜載疊加滿足斷層巖體活化的臨界能量條件，出現(xiàn)兩盤相互錯(cuò)動(dòng)的活化響應(yīng)。

2) 工作面離斷層距離減小，斷層巖體受壓轉(zhuǎn)為受拉，裂縫發(fā)育貫通并平行斷層面張開(kāi)，上下盤巖體摩擦力減少，基本頂塊體不易形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)而發(fā)生臺(tái)階下沉失穩(wěn)。

3) 提出直接通過(guò)斷層上下盤分區(qū)域控制方法和原則，通過(guò)降低采高、控制推進(jìn)速度、加強(qiáng)支護(hù)、破碎區(qū)注漿實(shí)現(xiàn)控制，現(xiàn)場(chǎng)工作面成功通過(guò)斷層，取得顯著經(jīng)濟(jì)效益。