下盤開采對斷層及上盤煤層影響數(shù)值模擬

張寶忠

（汾西礦業(yè)集團(tuán)正邦煤業(yè)公司，山西 孝義032302）

1 區(qū)域地質(zhì)概況

某煤礦七采區(qū)位于井田北部，采區(qū)南北部以二、三維物探所控制的斷層為界，南部為F10逆斷層，北部為F11斷層，采區(qū)東西部均以3煤層第四系露頭保護(hù)煤柱為界。F10斷層的東南部為正在開采的九采區(qū)，西南部的首采區(qū)已經(jīng)回采完畢，研究區(qū)域工作面位置見圖1。

圖1 工作面位置示意

七采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，地層產(chǎn)狀變化較大。整個采區(qū)為一向斜構(gòu)造，采區(qū)中部為南北走向的向斜構(gòu)造。采區(qū)煤層四周高、中間低，煤層傾角平均12°。根據(jù)三維勘探報告資料，區(qū)內(nèi)斷層極為發(fā)育，但無巖漿侵入、巖溶陷落柱及古河流沖刷等特殊地質(zhì)現(xiàn)象。

1301工作面區(qū)域位于F10逆斷層上盤，并在區(qū)域北部有DF14斷層，根據(jù)三維地質(zhì)勘探資料和實際掘進(jìn)揭露，F(xiàn)10斷層位于井田的中部偏北，是區(qū)內(nèi)大的逆斷層，將北半部錯斷為上下兩盤，最大重疊距離達(dá)400m，走向近東西，傾向近北，傾角45°，區(qū)內(nèi)延展長度2.4km，落差60～265m，屬較可靠～可靠斷層。

2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)下盤工作面及F10斷層上盤區(qū)域地質(zhì)條件，運用FLAC－3D模擬軟件，建立數(shù)值模型對下盤采動影響下斷層及上盤區(qū)域工作面開采的圍巖應(yīng)力、位移分布規(guī)律進(jìn)行模擬。模型尺寸為：850m×300m×500m（長×寬×高），共有268000個單元體。斷層采用實體單元模擬實現(xiàn)，F(xiàn)10斷層寬度為5m，DF14斷層寬度為2m。模型4個側(cè)面為水平位移約束，底面為豎向位移約束，頂面為載荷邊界，載荷大小為模型上邊界以上的上覆巖層自重。數(shù)值模擬模型見圖2。

圖2 數(shù)值模型

本次模擬采用莫爾－庫侖準(zhǔn)則，結(jié)合實際地質(zhì)情況將地層近似簡化為15層，模型中各巖層物理力學(xué)參數(shù)來源于礦山實際，如表1所示。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬步驟如下：① 模型加載計算初始應(yīng)力場；②位移歸零（所有單元和節(jié)點的位移重置為零）；③ 下盤工作面回采；④ 上盤工作面巷道掘進(jìn)；⑤ 斷層上盤工作面煤層開采。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 模型初始平衡

數(shù)值模型初始平衡時垂直應(yīng)力及垂直位移分布見圖3、圖4。

圖3 垂直應(yīng)力分布云圖

圖4 垂直位移分布云圖

從應(yīng)力分布云圖可以看出，在斷層兩側(cè)垂直應(yīng)力大小和分布有所不同，F(xiàn)10斷層附近應(yīng)力分布受斷層影響較DF14斷層更為明顯。斷層附近應(yīng)力分布表現(xiàn)為不規(guī)律的升高或降低，總體來說斷層兩側(cè)上盤應(yīng)力略小于下盤。

從圖3可以看出，F(xiàn)10斷層兩側(cè)上盤下沉量小于下盤，即上盤相對下盤上升，而DF14斷層兩側(cè)上盤下沉量大于下盤，即上盤相對于下盤下降。

3.2 下盤工作面采動后覆巖破壞情況

利用數(shù)值模型對下盤1304工作面開采進(jìn)行模擬計算，圖5為工作面開采后覆巖垂直應(yīng)力分布云圖，圖6為塑性區(qū)分布圖，圖7為垂直位移分布云圖，圖8為頂板下沉曲線。

圖5 覆巖垂直應(yīng)力分布云圖

圖6 塑性區(qū)分布云圖

從圖5可以看出，工作面采空后上覆巖層垂直應(yīng)力降低，應(yīng)力值自下往上逐漸升高。但在斷層附近上盤應(yīng)力略小于下盤應(yīng)力。水平方向應(yīng)力下盤略大于上盤。工作面兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)約為2.2～2.5。

由圖6可以看出，采空區(qū)上方為拉伸屈服區(qū)域，可以認(rèn)為此區(qū)域巖層被拉斷產(chǎn)生裂隙即為裂縫帶，并由此可以得出裂縫帶高度為95m左右。裂縫帶上限至斷層的最近距離約為45m，可以看出下盤工作面開采后裂縫帶范圍波及不到F10斷層，F(xiàn)10斷層及上盤區(qū)域煤巖性質(zhì)將不會發(fā)生本質(zhì)的變化。

圖7 覆巖垂直位移分布云圖

由圖7可以看出，在采空區(qū)以上40m處左右等值線密集分布，說明此處位移變化較快，結(jié)合圖8可以看出此處有一個突變。另外，這個位置之上的位移變化較小，說明已經(jīng)開始趨于穩(wěn)定。基于此分析，可以將突變處作為冒落帶和裂縫帶的分界。按照上面的界定方法，結(jié)合本次模擬的結(jié)果，可以確定距煤層40m處以下為冒落帶，40m以上至95m以下為裂隙帶，95m以上為彎曲下沉帶。

圖8 1304工作面頂板下沉曲線

3.3 下盤采動對斷層上盤工作面煤層影響

下盤工作面采動將會對斷層上盤工作面煤層造成一定影響，圖9為下盤工作面采動前后上盤工作面區(qū)域煤層頂板應(yīng)力分布曲線，圖10為采動后上盤工作面區(qū)域煤層頂板位移曲線。

由圖9可以看出，斷層上盤7301工作面區(qū)域兩端受到斷層的影響較為明顯，斷層附近垂直應(yīng)力變化較大，隨著離斷層面的距離增大應(yīng)力變化趨于平緩。受F10斷層影響較大的范圍在距斷層F10斜長40m左右，受DF14斷層影響較大的范圍在距斷層DF14斜長30m左右。還可以看出，下盤工作面采動后，上盤區(qū)域靠近斷層F10一側(cè)應(yīng)力降低而靠近斷層DF14一側(cè)應(yīng)力升高。

圖9 1304采動前后上盤煤層頂板應(yīng)力分布

圖10 下盤采動上盤煤層頂板位移分布曲線

由圖10垂位移曲線可以看出，下盤工作面采動后斷層上盤工作面區(qū)域整體出現(xiàn)輕微下沉，下沉量為靠近F10斷層稍大；由水平位移曲線可以看出，靠近F10斷層側(cè)水平位移為負(fù)值，即向左移動，而靠近DF14斷層側(cè)水平位移為正值，即向右偏移，說明下盤工作面采動后F10斷層上盤向下發(fā)生了“傾斜”，正是這種“傾斜”導(dǎo)致了上盤區(qū)域靠近DF14斷層側(cè)應(yīng)力值升高。

F10斷層和DF14斷層的存在使得區(qū)域內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力明顯，下盤1304工作面的采動改變了F10斷層和DF14斷層周圍的應(yīng)力場分布，這對斷層上盤工作面的布置具有一定的影響。

4 結(jié)語

通過建立數(shù)值分析模型，模擬研究了下盤工作面開采對斷層及上盤煤層的影響。下盤工作面采動后，采空區(qū)上覆巖層發(fā)生垮落、裂隙、彎曲下沉，覆巖壓力發(fā)生變化，向工作面兩側(cè)轉(zhuǎn)移；在工作面采動和斷層的耦合影響下，F(xiàn)10斷層上盤出現(xiàn)整體下沉，且發(fā)生了輕微傾斜，導(dǎo)致7301工作面區(qū)域應(yīng)力發(fā)生了變化，靠近斷層F10側(cè)應(yīng)力降低，靠近斷層DF14側(cè)應(yīng)力有所升高。

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