不同斷層傾角下采場沖擊危險性數(shù)值模擬研究

盛凱華，王 璐，柳研青，李志宏，張振揚(yáng)

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；2.兗州煤業(yè)有限公司鮑店煤礦，山東 濟(jì)寧 272000； 3.兗州煤業(yè)有限公司濟(jì)二煤礦，山東 濟(jì)寧 272000；4.兗州煤業(yè)有限公司濟(jì)三煤礦，山東 濟(jì)寧 272000)

目前，沖擊地壓已成為嚴(yán)重威脅我國煤礦安全高效生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，煤礦的防沖壓力越來越大。大量現(xiàn)場開采經(jīng)驗(yàn)與統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，斷層附近是沖擊事故頻發(fā)的區(qū)域之一，且采場越接近斷層，沖擊地壓事故發(fā)生的頻次與沖擊地壓事故的嚴(yán)重程度越高。采動應(yīng)力的異常分布，以及斷層的剪切滑移是誘發(fā)沖擊事故的主要原因[1-3]。斷層傾角作為斷層的主要特征參數(shù)之一，對于一些斷層分布密集的礦井而言，斷層傾角各異會造成工作面采動應(yīng)力分布及斷層滑移行為各不相同[4-5]。目前，對不同斷層傾角條件下，采動應(yīng)力分布與斷層剪切滑移特征的研究還不夠充分。因此，筆者采用數(shù)值模擬與理論分析的方法，研究不同斷層傾角影響下采場的沖擊危險程度，并分析不同開采條件下采場沖擊地壓的主要誘發(fā)因素，為斷層附近工作面合理布置與安全回采提供參考。

1 工程背景

工程背景為紅嶺煤礦F505正斷層。紅嶺煤礦位于河南安陽縣，主采的二1煤層平均厚度為6 m，埋深在-630 m左右。F505斷層具有5～7 m的落差，傾角60°～ 70°，斷層帶寬度約2 m。煤層直接頂是5.30 m厚的泥巖，強(qiáng)度低，裂隙發(fā)育；基本頂是11.62 m厚的細(xì)粒砂巖，完整而且堅(jiān)硬。斷層附近開采工作面寬度約為100 m，且推進(jìn)方向大體與斷層的走向一致[6]。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計算模型及方法

采用三維有限元數(shù)值模擬軟件FLAC3D進(jìn)行建模分析，構(gòu)建不同斷層傾角(Fault Angle)條件下，沿斷層走向回采的長壁工作面模型，模型的長度、寬度和高度分別為400、300、90 m。斷層帶巖體松散破碎，通過對斷層巖體參數(shù)進(jìn)行合理弱化的方法進(jìn)行模擬，可起到良好的模擬效果[7-8]。數(shù)值模擬計算中煤層頂、底板及斷層帶的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層力學(xué)參數(shù)

以16.5 MPa的均布載荷作用于模型頂部來模擬巖層的壓力，在模型四周施加梯形分布載荷模擬水平應(yīng)力，其中測壓系數(shù)取0.5。計算模型共12個，設(shè)置為：工作面寬度100 m，推進(jìn)長度150 m，斷層煤柱寬度20 m，模擬上、下盤工作面分別沿斷層走向回采。設(shè)置6種不同角度的斷層傾角，分別為25°、35°、45°、55°、65°、75°。圖1列出了斷層傾角為65°，上盤工作面回采時的計算模型。

圖1 計算網(wǎng)格模型網(wǎng)格劃分

計算使用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，為了實(shí)現(xiàn)采空區(qū)垮落矸石隨著頂板下沉逐漸壓實(shí)的力學(xué)響應(yīng)過程，用雙屈服模型來處理垮落帶[9]。

2.2 下盤工作面回采

2.2.1 下盤工作面采動應(yīng)力分布

不同斷層傾角時下盤工作面回采后采空區(qū)位置(工作面后方30 m)的垂直應(yīng)力分布云圖如圖2所示，采空區(qū)兩側(cè)的垂直應(yīng)力峰值數(shù)據(jù)見表2。分析圖2及表2可以發(fā)現(xiàn)，斷層傾角越小，下盤工作面回采頂板卸壓區(qū)域越容易受斷層影響，當(dāng)斷層傾角小于等于45°時，頂板卸壓區(qū)域分布形態(tài)受斷層影響顯著，當(dāng)斷層傾角大于等于45°時，頂板卸壓區(qū)域分布形態(tài)不受斷層影響，與完整頂板賦存條件下卸壓區(qū)域分布形態(tài)相同。當(dāng)斷層傾角從25°增加至65°時，采空區(qū)斷層煤柱的應(yīng)力峰值從46.4 MPa增大到56.2 MPa，增大了9.8 MPa，增大幅度明顯；當(dāng)斷層傾角從65°增加至75°時，采空區(qū)斷層煤柱應(yīng)力峰值從56.2 MPa降低至55.9 MPa，僅降低了0.3 MPa。因此，對于高角度斷層而言，下盤工作面采空區(qū)位置的斷層煤柱應(yīng)力集中程度更高，容易發(fā)生煤柱高應(yīng)力失穩(wěn)型沖擊地壓。與采空區(qū)斷層煤柱應(yīng)力峰值的變化規(guī)律不同，采空區(qū)非斷層側(cè)垂直應(yīng)力峰值受斷層傾角的影響程度較小，當(dāng)斷層傾角從25°增加至75°時，采空區(qū)非斷層側(cè)的垂直應(yīng)力峰值從52.8 MPa降低至48.6 MPa，僅降低了4.2 MPa。

(a)斷層傾角25°

表2 不同斷層傾角時下盤工作面?zhèn)认虼怪睉?yīng)力峰值

工作面前方12 m處為超前支承應(yīng)力峰值(σp)位置，應(yīng)力測量線設(shè)置在該位置，以監(jiān)測工作面超前支承應(yīng)力峰值，結(jié)果如圖3所示。

圖3 下盤工作面超前支承應(yīng)力峰值

由圖3可見，在下盤工作面回采過程中，σp呈現(xiàn)出非對稱性的特征。與非斷層側(cè)的σp相比，斷層側(cè)的σp明顯更大，且斷層側(cè)的σp隨著斷層傾角的增加而減小，斷層傾角從25°增加至75°時，斷層側(cè)的σp從44.6 MPa降低至41.2 MPa，非斷層側(cè)的σp保持在39.2 MPa左右，基本不受斷層傾角變化的影響。因此，隨著斷層傾角的減小，工作面兩側(cè)的σp差值越來越大?？拷鼣鄬觽?cè)的巷道沖擊危險性更高，是工作面沿著斷層走向開采時防止沖擊危險事故的主要地點(diǎn)。

2.2.2 下盤工作面回采斷層滑移情況與沖擊危險性分析

監(jiān)測點(diǎn)(工作面后30 m)布置在斷層面兩側(cè)的上盤與下盤，2個監(jiān)測點(diǎn)位于同一水平位置，且都處于基本頂巖層中。對工作面回采后上、下盤基本頂巖層的下沉量分別進(jìn)行監(jiān)測。兩盤基本頂下沉量的差異可被視為基本頂位置斷層滑移量，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 下盤工作面回采時基本頂位置斷層滑移量

從圖4可以看出，在下盤工作面回采過程中，當(dāng)斷層傾角為25°、35°時，下盤基本頂巖層發(fā)生明顯的回轉(zhuǎn)下沉，下沉值分別為0.69、0.48 m，斷層滑移量也達(dá)到0.29、0.19 m。基本頂劇烈運(yùn)動的同時造成斷層發(fā)生較大的剪切滑移，會對斷層煤柱產(chǎn)生動載作用，斷層煤柱在動載作用下極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，采動空間容易發(fā)生動載型沖擊地壓。當(dāng)斷層傾角為75°，為高角度斷層時，下盤基本頂下沉量與斷層滑移量分別降低至0.18、0.04 m，下盤基本頂位置巖層下沉值明顯減小，斷層也保持良好的穩(wěn)定性。雖然高角度斷層滑移量較小，但是受采動及斷層的應(yīng)力阻隔效應(yīng)影響，斷層煤柱及其頂、底板位置應(yīng)力集中程度較高，斷層煤柱易發(fā)生高應(yīng)力失穩(wěn)型沖擊事故。

2.3 上盤工作面回采

2.3.1 上盤工作面采動應(yīng)力分布

不同斷層傾角影響下，上盤工作面回采時的垂直應(yīng)力分布云圖與采空區(qū)兩側(cè)垂直應(yīng)力峰值數(shù)據(jù)如圖5、表3所示。分析圖5及表3可以發(fā)現(xiàn)，上盤工作面回采頂板卸壓區(qū)域分布形態(tài)不受斷層影響，但斷層煤柱應(yīng)力峰值受斷層影響，且斷層煤柱的應(yīng)力集中程度隨著斷層傾角的增大而增大，當(dāng)斷層傾角從25°增加至75°時，采空區(qū)斷層煤柱的支承應(yīng)力峰值從46.8 MPa增大至52.0 MPa，增大了5.2 MPa，非斷層側(cè)工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力受斷層影響很小，基本保持在46.0 MPa左右。因此，上盤工作面回采時，斷層傾角越大，越容易發(fā)生煤柱破壞型沖擊地壓。但是，上盤工作面回采，工作面兩側(cè)支承應(yīng)力受斷層影響程度與下盤工作面回采時相比顯著降低，斷層傾角較大時，斷層煤柱的應(yīng)力集中程度小于下盤開采時。由此可見，與下盤開采時相比，上盤工作面回采時沖擊危險程度相對較小。

(a)斷層傾角25°

表3 不同斷層傾角時上盤工作面?zhèn)认虼怪睉?yīng)力峰值

上盤工作面開采時，工作面超前支承應(yīng)力峰值(σp)分布如圖6所示。由圖6可見，斷層側(cè)的σp略大于非斷層側(cè)的σp。斷層傾角為25°、35°、45°、55°、65°、75°時，斷層側(cè)的σp分別為38.2、38.7、39.3、38.9、38.4、37.8 MPa，變化幅度較下盤工作面回采時降低很多。非斷層側(cè)的σp為37.3 MPa，基本保持不變，受斷層影響較小。

圖6 上盤工作面超前支承應(yīng)力峰值

2.3.2 上盤工作面回采斷層滑移情況與沖擊危險性分析

上盤工作面回采后，工作面后方30 m采空區(qū)基本頂位置斷層上盤位移量、下盤位移量及斷層滑移量如圖7所示。

圖7 上盤工作面回采時基本頂位置斷層滑移量

由圖7可見，由于工作面推進(jìn)方向與斷層傾斜方向一致，頂板破斷運(yùn)移不易受到斷層的影響，尤其是斷層傾角較小情況下，頂板更不容易受到斷層的影響。當(dāng)斷層傾角為75°時，上盤基本頂巖層下沉量達(dá)到最大，但是下沉值仍然只有0.09 m，斷層滑移量更是不足0.01 m，斷層保持良好的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，與下盤工作面回采時相比，上盤工作面采動應(yīng)力集中程度及斷層滑移量均較小，采場的沖擊危險性顯著降低。

3 斷層滑移危險性力學(xué)分析

數(shù)值模擬結(jié)果表明，斷層下盤工作面回采時，斷層滑移量更大，且斷層傾角越小斷層滑移量越大。因此，基于斷層下盤工作面開采與斷層上盤工作面開采的不同條件建立如圖8所示的力學(xué)模型，對不同開采條件下的斷層穩(wěn)定性進(jìn)行力學(xué)分析。

(a)下盤工作面開采力學(xué)模型

如圖8所示，以巖塊A為研究對象，建立力學(xué)模型，根據(jù)平衡條件，兩種開采條件下斷層面的法向應(yīng)力Fσ與剪切應(yīng)力Ff可表示為[10-11]：

下盤工作面開采時：

(1)

上盤工作面開采時：

(2)

式中R=fμ+pL+p-ql-G。

由式(1)和(2)可知，隨著斷層煤柱尺寸的減小，煤柱對頂板巖塊A的支承應(yīng)力p逐漸降低，因此R降低，下盤工作面開采時，法向應(yīng)力Fσ逐漸降低，且斷層傾角越小法向應(yīng)力Fσ的降幅越大，剪切應(yīng)力Ff逐漸升高，斷層發(fā)生剪切滑移的危險性逐漸升高。上盤工作面回采時，隨著R值的降低，法向應(yīng)力Fσ逐漸升高，剪切應(yīng)力Ff逐漸降低，斷層滑移危險性較小，巖塊A容易形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。因此，通過理論分析表明，下盤工作面開采時斷層滑移的危險性遠(yuǎn)大于上盤工作面回采時的危險性，理論分析結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

4 沖擊地壓控制措施

工作面在斷層附近回采，斷層煤柱及斷層側(cè)工作面超前支承應(yīng)力集中程度明顯增加，下盤工作面回采時，斷層滑移危險性較高，因此對于斷層影響區(qū)域采場沖擊危險性的防治措施應(yīng)從降低煤巖體應(yīng)力集中程度，以及控制斷層滑移兩方面入手[12-15]。

4.1 降低煤巖體應(yīng)力集中程度

降低煤巖體應(yīng)力集中程度的措施主要為卸壓鉆孔，其布置如圖9所示。一般在巷道掘進(jìn)時就采取卸壓鉆孔措施，卸壓鉆孔直徑及鉆孔間距可以根據(jù)現(xiàn)采場沖擊危險程度進(jìn)行合理設(shè)置。卸壓鉆孔間距一般為1、2、3 m，鉆孔布置越密集、鉆孔直徑越大，卸壓效果越好。對于高度沖擊危險區(qū)域卸壓鉆孔間距可設(shè)置為1 m，鉆孔直徑可設(shè)置為150 mm。當(dāng)斷層傾角較大時，斷層煤柱應(yīng)力集中程度更高，應(yīng)適當(dāng)減小卸壓鉆孔間距、增大卸壓鉆孔的直徑[16]。

圖9 卸壓鉆孔布置示意圖

4.2 斷層滑移控制

目前而言，對于斷層滑移最有效的控制措施主要為工作面布置與開采設(shè)計優(yōu)化，尤其是針對下盤開采工作面斷層滑移劇烈的情況，適當(dāng)?shù)卦黾用褐膶挾?，減小工作面的寬度，能夠有效控制頂板活動范圍,從而降低采動造成的斷層滑移[17-19]。工作面在斷層附近回采時，避免推進(jìn)速度過快造成頂板劇烈來壓，同樣能夠達(dá)到抑制斷層滑移的目的，因此在斷層附近回采時，選擇合理的推進(jìn)速度可以有效降低采場的沖擊危險性[20]。

5 結(jié)論

1)下盤工作面沿斷層走向回采時，采動應(yīng)力受斷層傾角影響大于上盤工作面。下盤工作面回采時，基本頂運(yùn)動與基本頂位置斷層滑移更劇烈，采場更容易受到動態(tài)載荷的影響，顯著增加了采場的沖擊危險性[21]。因此，下盤工作面的沖擊危險大于上盤工作面的沖擊危險。

2)下盤工作面回采時，隨著斷層傾角的增加，采空區(qū)斷層煤柱的應(yīng)力集中程度逐漸增大。采空區(qū)非斷層側(cè)的應(yīng)力集中程度隨著斷層傾角的增加而降低；工作面的超前支承應(yīng)力峰值(σp)呈不對稱分布，斷層側(cè)的σp較大。斷層傾角越小，基本頂位置的斷層滑移量越大。在不同的斷層傾角條件下，下盤工作面沖擊地壓的主要誘發(fā)因素不同，斷層傾角較小時，采場容易產(chǎn)生動載荷沖擊;斷層傾角較大時，采場易發(fā)生煤柱高應(yīng)力失穩(wěn)型沖擊。上盤工作面回采時，采空區(qū)斷層煤柱的應(yīng)力集中程度隨著斷層傾角的增加而逐漸升高。基本頂運(yùn)動與基本頂位置斷層滑移量均較小，斷層傾角變化對基本頂運(yùn)動及基本頂位置斷層滑移影響不大。

3)建立了上盤工作面開采與下盤工作面開采的力學(xué)模型，并對頂板穩(wěn)定性及斷層滑移危險性進(jìn)行了分析，理論分析結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的一致性。