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        義橋煤礦3305 工作面斷層防水煤柱安全評價

        2022-12-10 07:48:54左常清劉亞楠田曉偉
        山東煤炭科技 2022年11期
        關(guān)鍵詞:覆巖應(yīng)力場煤柱

        左常清 劉亞楠 田曉偉

        (汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)寧 272100)

        1 工程概況

        3305 工作面北面為3303 工作面采空區(qū),東面為三采區(qū)膠帶下山,南面為斷層SF21,西面為YF7斷層。3305 工作面寬度為155/230 m,走向推進(jìn)長度平均1120 m。煤層厚度為3.10~5.80 m,煤層傾角為8°~23°。3305 工作面受斷層構(gòu)造應(yīng)力和采動應(yīng)力的疊加影響,如果斷層發(fā)生活化,可能會釋放大量能量,造成煤柱破壞,存在誘發(fā)斷層沖擊地壓、斷層突水等災(zāi)害的危險,帶來極大的生命及財(cái)產(chǎn)威脅[1-4]。研究3305 工作面采動與YF20 斷層相互影響下工作面覆巖“三場”的空間演化規(guī)律,是保證3305 工作面安全開采的前提。3305 工作面布置圖如圖1。

        圖1 3305 工作面布置圖

        2 數(shù)值模型

        選定頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)見表1,斷層面物理力學(xué)參數(shù)見表2,建立如圖2 所示的三維FLAC3D數(shù)值模型。數(shù)值模型長2300 m、寬1400 m、高1240 m,模擬的煤層埋深為460~800 m。3305 工作面開挖范圍為160/250 m(傾向?qū)挾龋?150 m(走向長度),每次開挖50 m 直至全部采完。

        表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

        表2 斷層面物理力學(xué)參數(shù)

        圖2 數(shù)值模型

        3 工作面開采對采空覆巖空間演化特征的影響

        3.1 采空覆巖破壞場演化規(guī)律

        圖3 為3305 工作面回采結(jié)束后塑性區(qū)剖面圖,自工作面直接頂至工作面上方327 m 范圍內(nèi)巖層呈現(xiàn)剪切破壞狀態(tài),在工作面推進(jìn)過程中YF20 斷層近工作面處發(fā)生滑移,滑移區(qū)域范圍長度超過960 m。在3305 工作面傾向500 m 處,工作面中部塑性區(qū)發(fā)育至上方約280 m,兩側(cè)塑性區(qū)發(fā)育至92 m,3305 工作面近斷層側(cè)上方約97 m 處。在3305 工作面傾向900 m 處,3305 工作面塑性區(qū)逐漸向上發(fā)育至工作面上方約345 m 處,相對推進(jìn)500 m 時增加75 m,工作面近斷層上方塑性區(qū)與斷層溝通面積繼續(xù)增大,拉剪混合破壞區(qū)域面積減少。在3305 工作面傾向1100 m 處,拉剪混合破壞區(qū)變化小,塑性區(qū)逐漸趨于穩(wěn)定。但是,3305 工作面塑性區(qū)與斷層溝通區(qū)域由900 m 時的83 m 急劇增加到199 m。

        圖3 3305 工作面采空覆巖破壞場演化特征

        3.2 采空覆巖位移場演化規(guī)律

        圖4 為3305 工作面回采結(jié)束后位移場剖面圖。工作面回采后,受YF20 斷層影響,3305 工作面距斷層約297 m 處出現(xiàn)大范圍位移,最大位移量約為2.5 m。YF20 斷層變形量整體較小,近3305 工作面處斷層及其上方約702 m 范圍內(nèi)最大剪切位移約為0.36 m,其他部分剪切位移量均在0.36 m 以下。在3305 工作面傾向500 m 處,頂、底板最大位移量分別約為2.4 m、0.6 m。SF21 斷層最大剪切位移量約為0.45 m,SF6 斷層最大剪切位移量約為0.2 m。在3305 工作面傾向900 m 處,3305 工作面頂板最大位移量約為3.55 m,底板最大位移量約為1.0 m。工作面推進(jìn)過程中SF21 斷層繼續(xù)發(fā)生剪切位移,最大位移量約為0.72 m。在3305 工作面傾向1100 m 處,3305 工作面頂板最大位移量約為3.55 m,逐漸趨于穩(wěn)定,底板最大位移量約為1.2 m。工作面推進(jìn)過程中SF21 斷層繼續(xù)發(fā)生剪切位移,最大位移量約為0.72 m。受3305 工作面采動影響,工作面走向YF20 斷層上盤區(qū)域巖層向3305 工作面采空區(qū)移動區(qū)域明顯增大;3305 工作面傾向的SF6 斷層上下盤巖層受采動影響較??;3305 工作面傾向的SF21 斷層下盤區(qū)域巖層明顯向采空區(qū)移動且明顯增大,相比YF20 斷層,SF21 斷層移動位移較大;SF21 斷層上下盤區(qū)域巖層移動范圍超過500 m。

        圖4 3305 工作面采空覆巖位移場演化特征

        3.3 采空覆巖應(yīng)力場演化規(guī)律

        圖5 為3305 工作面回采結(jié)束后應(yīng)力場剖面圖。工作面回采后,頂?shù)装逍秹?,工作面兩?cè)應(yīng)力集中,遠(yuǎn)斷層側(cè)應(yīng)力集中程度相對較小,最大40 MPa。受斷層影響,工作面近斷層側(cè)應(yīng)力集中程度相對較大,主應(yīng)力最大達(dá)85 MPa。YF20 斷層應(yīng)力場受工作面回采影響較大,近工作面處剪切應(yīng)力集中程度最大3.5 MPa,影響范圍405 m。在3305 工作面傾向500 m 處,3305 工作面近斷層側(cè)出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中,最大應(yīng)力約為60 MPa。3305 工作面近斷層側(cè)應(yīng)力場與下部巖層應(yīng)力場溝通。在3305 工作面傾向900 m 處,近斷層側(cè)應(yīng)力最大約為70 MPa,遠(yuǎn)斷層側(cè)最大應(yīng)力約為60 MPa,工作面近斷層及遠(yuǎn)斷層側(cè)應(yīng)力場繼續(xù)向下發(fā)育。在3305 工作面傾向1100 m 處,3305 工作面近斷層側(cè)應(yīng)力場繼續(xù)發(fā)育。3305工作面在推進(jìn)過程中對SF21 和SF6 斷層應(yīng)力場影響不明顯。受3305 工作面采動影響,YF20 斷層近工作面處剪切應(yīng)力集中程度和影響范圍變化較小,而SF21 斷層、SF6 斷層剪切應(yīng)力集中現(xiàn)象較小。

        圖5 3305 工作面采空覆巖應(yīng)力場演化特征

        4 基于“三場”演化規(guī)律的YF20 斷層防水煤柱安全評價

        受3305 工作面采動影響,YF20 斷層位于3305工作面?zhèn)认蛴绊憛^(qū)域存在剪切滑移現(xiàn)象;3305 工作面塑性區(qū)側(cè)向邊界隨著埋深的增加逐漸與SF21 斷層面溝通且范圍逐漸增大,SF21 斷層區(qū)域剪切滑移范圍逐漸增大;而SF6 斷層未出現(xiàn)剪切滑移現(xiàn)象。3305 工作面走向方向上,3305 工作面采動與YF20斷層滑移疊加影響采空覆巖應(yīng)力場演化規(guī)律。對于應(yīng)力場,當(dāng)工作面推進(jìn)至990 m 時,3305 工作面超前應(yīng)力開始影響YF20 斷層,此時3305 工作面與YF20 斷層間的距離為120 m。當(dāng)3305 工作面與YF20 斷層間的距離為120 m 時,3305 工作面采動會對YF20 斷層活化運(yùn)動產(chǎn)生顯著影響。因此,基于采空覆巖“三場”演化規(guī)律,為了確保三采區(qū)3305 工作面開采不影響YF20 斷層防水煤柱,3305工作面停采線位置應(yīng)與YF20 斷層面間的距離不小于120 m,與現(xiàn)場實(shí)際留設(shè)YF20 斷層保護(hù)煤柱寬度125 m 相符合,說明數(shù)值模擬結(jié)果比較符合工程實(shí)踐。

        5 結(jié)論

        利用FLAC3D建立三維數(shù)值模型,從覆巖破壞場、位移場和應(yīng)力場三方面來研究3305 工作面開采與斷層疊加對采空覆巖空間演化特征的影響?;诓煽崭矌r“三場”演化規(guī)律數(shù)值模擬結(jié)果,3305工作面停采線位置與YF20 斷層面間的距離不小于120 m,與現(xiàn)場實(shí)際留設(shè)YF20 斷層保護(hù)煤柱寬度相符合,實(shí)現(xiàn)了工作面斷層防水煤柱安全評價。

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