楊 陽 郭 雷 張 恒 李奧博 黃一祖 張繼濤3

（1.山東唐口煤業(yè)有限公司；2.南陽理工學院土木工程學院）

沖擊地壓是指井下圍巖突然發(fā)生破壞而引起的劇烈震動，同時伴有大量煤巖塊拋出的一種礦壓動力災害現(xiàn)象，這種現(xiàn)象嚴重威脅煤礦的安全生產［1-3］。斷層是沖擊地壓事故產生的易發(fā)區(qū)域，這主要是由于斷層可以阻隔應力的傳遞，造成煤巖體局部應力集中，同時，斷層結構面為弱面，采掘影響下斷層極易產生活化，從而引起斷層結構失穩(wěn)［4-5］。

國內外學者通過實驗、理論和數(shù)值模擬對斷層誘發(fā)沖擊地壓的現(xiàn)象進行了大量研究［6］。例如BERGER P等［7］指出受地質因素影響的逆沖斷層具有深部傾角較大、而淺部傾角較小的特征，分析了逆沖斷層周圍的應力分布特征，指出其誘發(fā)沖擊的機理。孫平遠等［8］采用數(shù)值模擬，研究了傾角變化對斷層周圍應力的改變，并指出了斷層失穩(wěn)過程中的破裂特征。然而數(shù)值模擬方法多采用平面應變模型，由于地下構造的復雜性，平面應變模型往往不能完整地反映出采動與斷層的相互作用，并且斷層對掘進巷道的影響范圍均采用預估的方法，沒有確切的實驗和理論數(shù)據進行支撐。

因此，采用三維數(shù)值模擬方法來研究斷層的應力分布特征問題是非常有必要的。為了探究斷層對掘進巷道的影響范圍，本研究以2-216工作面地質條件為基礎模型進行FLAC3D數(shù)值試驗，以期定量分析斷層的影響范圍，為后續(xù)工作面巷道支護參數(shù)設計提供依據，同時，對類似工作面的安全掘進也具有一定借鑒意義。

1 工程概況

2-216工作面地表處于洪洞縣南溝村東北部；背面距鑫磊煤業(yè)工業(yè)廣場約1 000 m，東北方向距上跑蹄村約800 m，東側距上跑蹄工業(yè)廣場約1 600 m，西南側距南溝村約300 m。黃土覆蓋厚度為31～89 m，基巖厚度為39～492 m。工作面位于310 m水平二采區(qū)的正前軌道巷左側，東北方向緊鄰二采區(qū)正前軌道巷，東側距離2-206工作面約310 m，其余方向無任何工作面。2-216工作面內煤層整體為單斜構造，東北高西南低，工作面煤層開采時整體坡度較小。工作面煤層傾角一般為9°，預計在工作面掘進途中會揭露9條斷層。其中，副巷揭露的F1388斷層對工作面掘進影響較大。

2 掘進巷道過斷層應力演化規(guī)律數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

為研究煤柱以及斷層對巷道掘進的影響，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對2-216工作面進行數(shù)值模擬，以得到掘進過程中應力演化規(guī)律。巷道掘進過程的數(shù)值計算模型以2-216工作面實際地質情況為依據進行建模，模型尺寸為300 m×90 m×60 m（長×寬×高），其中巷道截面尺寸為5.0 m×5.0 m（寬×高），模型共7層巖層，如圖1所示。

模型縱向高度為400 m，由單元和網格節(jié)點組成，數(shù)量分別為13 230和16 126個，因此，設置9.8 MPa的上覆巖層等效荷載于模型上部。模型的前、后、左、右、底各面均采用固支方式。

2.2 細觀參數(shù)選取

基于2-216工作面實際地質條件，并對其進行巖層系統(tǒng)整合歸類，結合頂?shù)装寮懊簩拥氖覂攘W試驗結果進行微觀力學參數(shù)選取，具體參數(shù)見表1。

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2.3 模擬方案及結果分析

對所建模型進行靜力平衡，按照距離斷層位置100，90，80，70，60，50，40，30，20，10，0 m分別開挖巷道，得到工作面距斷層不同距離時垂直應力分布云圖，部分結果如圖2所示。

可以看出，隨著掘進迎頭逐漸靠近斷層，斷層附近的應力變化范圍和應力集中程度逐漸增加。當迎頭距斷層100 m時，斷層開始受到擾動，此時斷層周圍應力集中程度明顯較低，最大僅為20.8 MPa，應力變化范圍也較小，斷層受掘進擾動的影響產生較小的滑動。當迎頭距離60 m時，斷層周圍應力集中程度相比于距斷層100 m時增加不大，但應力集中范圍明顯增加，這說明斷層雖受掘進擾動的影響，但是由于斷層存在一定的強度，所以斷層失穩(wěn)程度不大，此時掘進工作面相對安全。當迎頭距離斷層40 m時，掘進迎頭擾動完全作用于斷層，此時斷層周圍的應力集中程度進一步增大，達到21.66 MPa，同時斷層的應力集中范圍進一步增加，斷層失穩(wěn)的沖擊危險性明顯增大。當迎頭掘進至斷層時，斷層周圍的應力集中程度達到最大值22.6 MPa，此時滑動面周圍有應力釋放的特征，斷層產生相對滑動。

為了進一步探究斷層周圍的應力變化情況，通過布設在斷層四周的應力測量點，獲得斷層面上集中應力在掘進迎頭位置的改變下其相應的變化，如圖3所示。

當掘進迎頭位置與斷層距離為40 m時，斷層面四周產生的集中應力大小隨著距離的減小逐漸增加，應力的變化速率顯著提高。由此可得，在距離斷層面40 m時起，工作面的超前支承壓力將會因斷層的存在而有一定的影響，斷層附近應力集中的現(xiàn)象更加明顯，應力集中系數(shù)并不高，但掘進過程中仍應加強對于沖擊危險的監(jiān)測并準備卸壓工作。

3 掘進過斷層期間的預防措施探討

3.1 工作面過斷層技術措施

（1）在工作面過斷層時，于斷層面的上下盤處分別以“破頂留底煤”和“破底留頂煤”為標準施工，從而使斷層面上二盤得以相隨。

（2）工作面頂板較破碎區(qū)域及時上經緯網維護頂板，同時配合前梁上道軌或工字鋼維護頂板。

（3）當存在小于1 m的斷層被工作面穿越時，可以通過對支架的高度進行調節(jié)以及開震動炮來破頂和破底，或采取對上盤留頂三角煤、下盤留底三角煤協(xié)同機組進行截割的措施，以致上下兩盤相隨，臺階高度不允許超過0.2 m，若超出允許值，則必須先用原木或者板梁于無頂支架上構頂后，再調高并且鎖緊支架。

（4）縮減工作面中斷層的暴露面積，遇斷層時可根據實際情況調整工作面方向。

（5）依照斷層性質、標高和頂?shù)装鍘r層硬度等因素，確定采用挑頂和下切的方法穿過斷層，遵循利于頂板日常維護、減少破巖量的原則。

（6）巖石的普氏系數(shù)f＜4時，允許采取直接割巖的方法，并調低牽引速度。

（7）穿過斷層要提前、趨緩降低采高，減削破巖量，提高支架穩(wěn)定程度，同時，對立柱的伸縮余量要有足夠的保留，保持支架的正常工作狀態(tài)。

（8）對斷層段需要采取下切或留底進行側斜回采時，應維持頂?shù)装鍌刃钡姆较蚓鶆蜃儎?，確保支架和輸送機槽的正常工作。

3.2 工作面過斷層卸壓措施

基于數(shù)值模擬結果，掘進距斷層40 m時，應進行沖擊災害的預防，確保工作面安全掘進。預防措施可采用大直徑卸壓鉆孔預卸壓：①鉆孔孔深不低于15 m；②鉆孔間距不大于3 m；③鉆孔直徑為110 mm；④鉆孔高度位置為煤層中部；⑤所有卸壓孔均垂直于煤壁，最大俯仰角不超過3°，若受現(xiàn)場施工的條件制約，與煤壁最大角度不得大于45°。

3.3 實踐成果

通過對開展鉆孔預卸壓工作，在2-216工作面向前掘進時期并無大煤炮產生，同時應力在線監(jiān)測和鉆屑法監(jiān)測均未產生超標現(xiàn)象，說明卸壓防沖效果較好，滿足了礦井安全生產要求。

4 結 論

（1）通過對2-216工作面掘進期間的斷層應力分布特征研究，指出了當掘進迎頭位置與斷層距離為40 m時，斷層面四周產生的集中應力大小隨著其距離的減小逐漸增加，并且增加趨勢逐漸顯著。

（2）工作面距離斷層40 m位置時進行加密大直徑鉆孔卸壓的措施，取得了良好的卸壓防沖效果。