高 超，儲丹東，陳璋林，彭 瑞，楊學(xué)紅

（1. 濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司霄云煤礦，山東濟(jì)寧 272000；2. 華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 065201）

0 引言

礦井生產(chǎn)過程中，斷層的存在導(dǎo)致初始應(yīng)力場擾動，局部產(chǎn)生附加應(yīng)力，在采動影響下斷層易發(fā)生活化。 斷層附近的地壓大、圍巖破碎嚴(yán)重，會給采區(qū)系統(tǒng)、巖巷穩(wěn)定以及井下施工造成一定影響。 林利軍［1］、劉國棟［2］關(guān)于巷道掘進(jìn)通過構(gòu)造帶問題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，斷層會破壞巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)支護(hù)后變形嚴(yán)重；郭順［3］對回采工作面過斷層超前治理技術(shù)研究，對鉆孔布置、注漿設(shè)備選型以及鉆孔封孔方式等進(jìn)行確定，實(shí)現(xiàn)了安全高效回采；王立平等［4］對巷道受斷層端部應(yīng)力集中失穩(wěn)機(jī)理及控制研究，分析了巷道圍巖變形破壞的原因，并采用錨桿錨索支護(hù)技術(shù)很好地修復(fù)了巷道；李洪偉［5］通過對回采工作面過斷層技術(shù)研究，控制采高和單項(xiàng)割煤等方式，直接通過斷層，提高生產(chǎn)效率；宋來武等［6］通過對煤礦回采工作面地質(zhì)構(gòu)造及斷層資料的分析，采用FLAC3D 進(jìn)行數(shù)值模擬，對過斷層的方式以及期間頂板的控制和斷層帶內(nèi)的支護(hù)方式進(jìn)行了研究；王剛等［7］通過FLAC3D 數(shù)值模擬研究了斷層的落差、傾角以及沿上下盤開采對斷層滑移失穩(wěn)的影響；朱廣安等［8］為研究開采擾動下斷層滑移失穩(wěn)誘發(fā)沖擊礦壓的致災(zāi)條件，基于“砌體梁”理論分析了開采過程中斷層圍巖系統(tǒng)的受力狀態(tài)和力學(xué)響應(yīng)；李志華等［9］采用數(shù)值模擬軟件模擬了煤層開采過程中斷層對頂板運(yùn)動的影響；李志華等［10］為了研究斷層附近沖擊礦壓發(fā)生規(guī)律，采用3DEC 數(shù)值模擬軟件建立相應(yīng)的斷層模型；張帥［11］通過長短距離注漿加固、嚴(yán)格的回采工藝措施，實(shí)現(xiàn)了大傾角條件下綜采工作面順利通過大落差斷層，避免了工作面搬家，杜絕了頂板事故。

但目前現(xiàn)有的文獻(xiàn)對深部沖擊地壓礦井工作面過斷層期間超前壓力影響范圍方面研究的較少，且研究內(nèi)容和方法相對單一。 本文以魯西南某沖擊地壓礦井2307 工作面過斷層為研究對象，對工作面過斷層期間回采進(jìn)行數(shù)值模擬，得到超前影響區(qū)域。 因此，要加強(qiáng)圍巖變形位移監(jiān)測及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，保證礦井安全高效地生產(chǎn)。

1 工程背景

井田范圍為東到山東省與江蘇省省界或嘉祥斷層，西至曹馬集斷層，南到各煤層露頭線，北至拐點(diǎn)坐標(biāo)連線（井田邊界），井田東西長8.1 km，南北寬2.9 km，面積23.4248 km2，開采標(biāo)高為-430～-1500 m，可采煤層主要為3 煤層。

二采區(qū)位于井田東南部，煤礦井田為全掩蓋區(qū)，井田內(nèi)鉆孔揭露的地層自下而上分別為：古生界奧陶系、石炭系、二迭系，新生界第三系、第四系。 其中主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組及二迭系下統(tǒng)山西組。

此礦井埋深近800 m，經(jīng)鑒定為沖擊地壓礦井，頂板堅(jiān)硬，工作面過段層期間亟須掌握超前礦壓顯現(xiàn)范圍，合理控制頂板穩(wěn)定性。

2 數(shù)值計(jì)算模型建立

2.1 模擬范圍確定

根據(jù)所提供資料2307 工作面周邊情況如圖2所示。 2307 工作面切眼長度200 m，工作面西側(cè)為2307 軌道順槽緊鄰實(shí)體煤區(qū)域，東側(cè)為2307膠帶順槽緊鄰實(shí)體煤區(qū)域，北側(cè)為2307 切眼緊鄰實(shí)體煤區(qū)域，南側(cè)至停采線緊鄰二采區(qū)西翼膠帶巷。

圖1 太原組巖性巖相旋回結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 2307 工作面周邊情況

為了解決回采初期XF83 斷層對工作面超前影響，所模擬范圍選取包含2307 工作面與XF83斷層區(qū)域，即北向2307 軌道順槽外延100 m 范圍，南向二采區(qū)2307 膠帶順槽外延100 m 范圍，西向采區(qū)西翼膠帶巷外延100 m 范圍，東向2307切眼外延200 m 范圍，如圖3 所示。

圖3 數(shù)值模擬范圍

2.2 實(shí)際模型簡化

為了進(jìn)一步方便對上述工作面進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對模擬范圍內(nèi)的各關(guān)鍵要素進(jìn)行必要簡化，包括但不限于工作面形狀、工作面走向傾角、工作面傾向傾角、巷道以及斷層，簡化后模型如圖4、圖5 所示。

如圖4 所示，2307 軌道順槽簡化長度520 m，膠帶順槽簡化長度550 m，切眼簡化長度200 m；模型整體尺寸南北走向共850 m，東西傾向400 m。XF83 斷層簡化為貫穿2307 切眼與膠帶順槽，斷層傾角70°，落差為8 m。

圖4 數(shù)值模型簡化俯視圖

如圖5 所示，為了便于模型建立，將各巖層厚度取整。 模型整體以所提供巖層最低點(diǎn)向下延伸50 m 做底，依次向上排列分別為：5 m 泥巖、10 m細(xì)砂巖、5 m 泥巖、5 m 煤、10 m 粉砂巖、5 m 中砂巖、10 m 細(xì)砂巖，模型整體以所提供巖層最高點(diǎn)向上延伸50 m 做頂。

圖5 數(shù)值模型簡化側(cè)視圖

2.3 模型建立及質(zhì)量檢查

三維快速拉格朗日法是一種基于三維有限差分法的數(shù)值分析方法，十分適合模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)特性。 FLAC 3D 是美國ITSACA咨詢集團(tuán)公司開發(fā)的三維快速拉格朗日分析程序。 該程序能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)產(chǎn)生的破壞或塑性流動的力學(xué)特性，特別適用于分析漸進(jìn)破壞失穩(wěn)及模擬大變形。

采用FLAC 3D 對上述模型進(jìn)行建模計(jì)算，根據(jù)上述條件對模型進(jìn)行建模效果如圖6 所示，模型南北走向長度850 m，東西走向長度為400 m，高度為25 m。 巖層呈現(xiàn)東南方向埋深小，西北方向埋深大。 模型中，2307 工作面、煤層與斷層分布如圖7 所示。

圖6 模型效果圖

圖7 2307 工作面位置

圖8 網(wǎng)格質(zhì)量檢查

采用FLAC 3D 中Boundary 功能顯示模型網(wǎng)格間差異性，若模型中存在網(wǎng)格交錯(cuò)或者欠貼合網(wǎng)格，則Boundary 顯示中會呈現(xiàn)深色交界面，而本模型經(jīng)過仔細(xì)檢查與優(yōu)化，各巖層與斷層間均不存在不貼合面，模型網(wǎng)格質(zhì)量較好，能夠進(jìn)行下一步計(jì)算。

2.4 模型參數(shù)取值

模型整體涉及以下巖性：頂、底部分（采用粗砂巖參數(shù)），泥巖，細(xì)砂巖，粉砂巖，中砂巖，煤與斷層。 各巖層采用摩爾庫倫模型進(jìn)行彈塑性計(jì)算，具體參數(shù)取值見表1。

表1 各巖層參數(shù)取值

2.5 數(shù)值模型初始平衡

2307 工作面最大埋深為900 m，對應(yīng)模型頂部埋深為700 m。 對模型頂部施加17.5 MPa 應(yīng)力，底部施加位移邊界限制Z 方向移動，模型左右施加位移邊界條件，限制X 方向移動，模型前后施加位移邊界條件，限制Y 方向移動。 重力加速度取值為-9.8 m／s2。 其邊界條件示意如圖9所示。

圖9 邊界條件設(shè)置

對模型進(jìn)行初始平衡，其最大位移如圖10 所示。 由圖10 可知，模型整體位移呈現(xiàn)隨深度增大，其頂部最大位移為38.7 cm，同一深度斷層兩側(cè)下盤受上盤擠壓位移較大。

模型初始平衡后，其最大主應(yīng)力如圖11 所示。 由圖可知，模型整體壓縮應(yīng)力呈現(xiàn)隨深度增大，其底部最大壓應(yīng)力為26 MPa，斷層區(qū)域由于進(jìn)入塑性區(qū)，其應(yīng)力值較小。 同一深度斷層兩側(cè)下盤受上盤擠壓壓縮應(yīng)力較大。 以上初始平衡位移、應(yīng)力狀態(tài)及塑性區(qū)分布符合現(xiàn)實(shí)條件，數(shù)據(jù)比較合理，可以進(jìn)行下一步開挖模擬。

圖11 初始平衡最大主應(yīng)力云圖

圖12 初始平衡塑性區(qū)分布圖

取煤層最大主應(yīng)力如圖13 所示。 由圖可知，煤層受斷層影響，其上盤區(qū)域軌道順槽部分受影響距離為90 m，此區(qū)域內(nèi)最大主應(yīng)力較高。 上盤區(qū)域膠帶順槽部分受影響區(qū)域?yàn)?0 m，此區(qū)域內(nèi)最大主應(yīng)力較高。 下盤區(qū)域膠帶順槽部分受影響區(qū)域?yàn)?0 m，此區(qū)域內(nèi)最大主應(yīng)力較小。

圖13 煤層最大主應(yīng)力云圖

將軌道順槽、膠帶順槽巷幫最大主應(yīng)力數(shù)據(jù)繪制曲線如圖14 所示。 由圖可知，初始平衡狀態(tài)，受斷層影響，軌道順槽巷幫最大主應(yīng)力隨與切眼距離增大而減小。 膠帶順槽巷幫最大主應(yīng)力隨與切眼距離增大，與斷層距離減小而減小；隨與切眼距離增大，與斷層距離增大而增大。 由此可知，初始狀態(tài)下斷層對煤層最大主應(yīng)力分布具有較大影響。

圖14 工作面順槽巷幫應(yīng)力分布

3 2307 回采不同距離超前影響

將模型位移清零，進(jìn)行不同距離回采時(shí)工作面圍巖應(yīng)力場以及回采巷道應(yīng)力分布影響范圍分析。

3.1 回采距離10 m

對2307 自切眼進(jìn)行回采模擬，首次回采距離為10 m，其最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖15 所示，其軌道順槽與膠帶順槽巷幫最大主應(yīng)力分布曲線如圖16 所示。

圖16 回采10 m 時(shí)工作面順槽巷幫應(yīng)力分布

由回采10m 范圍結(jié)果來看，結(jié)合云圖與曲線可知，2307 超前影響范圍大致為軌道順槽超前85 m，膠帶順槽超前斷層85 m，結(jié)合實(shí)際情況，膠帶順槽無斷層貫穿。 因此，考慮軌道順槽超前影響即可。

3.2 回采距離20 m

對2307 進(jìn)行進(jìn)一步回采模擬，回采距離為20 m，其最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖17 所示，其軌道順槽與膠帶順槽巷幫最大主應(yīng)力分布曲線如圖18 所示。

圖17 煤層最大主應(yīng)力云圖（回采20 m）

圖18 回采20 m 時(shí)工作面順槽巷幫應(yīng)力分布

由回采20m 范圍結(jié)果來看，結(jié)合云圖與曲線可知，2307 超前影響范圍大致為軌道順槽超前88 m，膠帶順槽超前斷層88 m，結(jié)合實(shí)際情況，膠帶順槽無斷層貫穿。 因此，考慮軌道順槽超前影響即可。

3.3 回采距離30 m

對2307 進(jìn)行進(jìn)一步回采模擬，回采距離為30 m，其最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖19 所示，其軌道順槽與膠帶順槽巷幫最大主應(yīng)力分布曲線如圖20 所示。

圖20 回采30 m 時(shí)工作面順槽巷幫應(yīng)力分布

由回采30 m 范圍結(jié)果來看，結(jié)合云圖與曲線可知，2307 超前影響范圍大致為軌道順槽超前87 m，膠帶順槽超前斷層93 m，結(jié)合實(shí)際情況，膠帶順槽無斷層貫穿。 因此，考慮軌道順槽超前影響即可。

3.4 回采距離40 m

對2307 進(jìn)行進(jìn)一步回采模擬，回采距離為40 m，其最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖21 所示，其軌道順槽與膠帶順槽巷幫最大主應(yīng)力分布曲線如圖22 所示。

圖21 煤層最大主應(yīng)力云圖（回采40 m）

圖22 回采40 m 時(shí)工作面順槽巷幫應(yīng)力分布

由回采40 m 范圍結(jié)果來看，結(jié)合云圖與曲線可知，2307 超前影響范圍大致為軌道順槽超前90 m，膠帶順槽超前斷層100 m，結(jié)合實(shí)際情況，膠帶順槽無斷層貫穿。 因此，考慮軌道順槽超前影響即可。

3.5 回采距離50 m

對2307 進(jìn)行進(jìn)一步回采模擬，回采距離為50 m，其最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖23 所示，其軌道順槽與膠帶順槽巷幫最大主應(yīng)力分布曲線如圖24 所示。

圖23 煤層最大主應(yīng)力云圖（回采50 m）

圖24 回采50 m 時(shí)工作面順槽巷幫應(yīng)力分布

由回采50 m 范圍結(jié)果來看，結(jié)合云圖與曲線可知，2307 超前影響范圍大致為軌道順槽超前95 m，膠帶順槽超前斷層106 m，結(jié)合實(shí)際情況，膠帶順槽無斷層貫穿。 因此，考慮軌道順槽超前影響即可。

3.6 回采距離90 m

對2307 進(jìn)行進(jìn)一步回采模擬，回采距離為90 m，其軌道順槽與膠帶順槽巷幫最大主應(yīng)力分布曲線如圖25 所示。

回采90 m 時(shí)，2307 超前影響范圍大致為軌道順槽超前98 m，膠帶順槽超前斷層105 m，順槽的最大主應(yīng)力明顯增大，應(yīng)力集中明顯，結(jié)合實(shí)際情況，膠帶順槽剛好貫穿斷層。 因此，要考慮斷層對順槽超前影響。

4 結(jié)論

（1） 斷層對煤層最大主應(yīng)力分布具有較大影響。 軌道順槽巷幫最大主應(yīng)力隨與切眼距離增大而減小。 膠帶順槽巷幫最大主應(yīng)力隨與切眼距離增大，與斷層距離減小而減?。浑S與切眼距離增大，與斷層距離增大而增大。

（2） 根據(jù)上述模擬計(jì)算，得到2307 工作面不同回采距離下超前影響距離。 2307 回采期間，其超前影響距離為85～95 m 區(qū)間，在回采期間應(yīng)對軌道順槽超前范圍加強(qiáng)監(jiān)測。