硬厚頂板下鄰斷層工作面不同推采方向應(yīng)力特征分析

王 普，周海勇，萬廣緒，鄭朋強

( 1. 山東科技大學(xué) 資源學(xué)院，山東 泰安 271019；2. 汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司，山東 濟寧 272511；3. 鄂托克前旗長城三號礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299 )

隨著開采深度和開采強度的增大，煤礦地質(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜，井下礦壓現(xiàn)象愈發(fā)顯著，動力危害增多，如引發(fā)沖擊地壓、礦震、支架壓架、瓦斯突出 等[1-2]。統(tǒng)計表明，斷層構(gòu)造條件下，受斷層切割及阻隔效應(yīng)，斷層附近開采危險性更大；堅硬厚層頂板賦存時，采動后硬厚巖層長時間持續(xù)懸空積聚的彈性應(yīng)變能一旦突然釋放，也將誘發(fā)嚴重的動力災(zāi)害事故。上述2種地質(zhì)條件在煤礦中最為常見和最具代表性[2-3]。如，龍鳳煤礦中斷層引起的沖擊地壓次數(shù)( 36次 )占監(jiān)測期間沖擊地壓事故總數(shù)( 50次 )的72%；千秋煤礦21201和21221采區(qū)發(fā)生2次嚴重的巷道損壞和傷亡事故，均是由開采空間上方巨厚堅硬礫巖和F16斷層共同作用所致[4]?？梢姡埠駧r層和斷層條件下工作面開采，采場礦壓現(xiàn)象兼受2種地質(zhì)條件影響，且受其相互耦合作用，將表現(xiàn)出極具破壞性的礦壓顯現(xiàn)。

國內(nèi)外諸多學(xué)者采用多種研究手段和方法對堅硬厚層頂板或斷層賦存開采條件進行了大量的研究。如，謝小平[5]等采用試驗測試研究了斷層附近巷道圍巖破碎區(qū)域范圍和構(gòu)造應(yīng)力規(guī)律，提出了相應(yīng)的控制對策；SAINOKI A[6]等將Barton抗剪強度模型嵌入FLAC3D建模中，揭示了表面粗糙的斷層更易誘發(fā)危害較大的礦震事件；武泉森[7]等采用數(shù)值模擬方法研究了斷層煤柱及傾角對采動應(yīng)力及能量分布的影響特征；JIANG Lishuai[8]等通過物理模型試驗展示了斷層附近開采覆巖運動宏觀現(xiàn)象及其結(jié)構(gòu)演化特征；宋彥琦[9]等通過建立過斷層圍巖體物理模型，分析了不同物理參數(shù)對巷道雙斷層構(gòu)造段處圍巖體力學(xué)行為的影響，并對其應(yīng)力場分布進行了數(shù)值模擬展示；NING Jianguo[10]等詳細研究了堅硬厚層巖層破壞運動特征，提出了控制其大面積懸空的方法，進而嘗試降低沖擊危險程度；XIA Binwei[11]等采用多種方法研究煤柱對堅硬巖層運動及裂隙發(fā)育的影響，可為工作面煤柱留設(shè)、堅硬頂板治理等提供參考依據(jù)；蔣金泉[12]等研究了堅硬頂板下工作面向逆斷層推進過程中的采動應(yīng)力演化特征、煤層頂板運動特征及斷層活化規(guī)律等；WANG Pu[13]等研究了硬厚巖層賦存條件下工作面過斷層時的礦壓現(xiàn)象和沖擊地壓誘發(fā)機理，并將沖擊地壓誘發(fā)劃分了2個階段。

以往研究大多描述了硬厚巖層或斷層賦存單一條件下工作面采動圍巖響應(yīng)特征，而同時考慮硬厚頂板和斷層共同作用對沖擊地壓等動力災(zāi)害影響的研究較少，也未對此種復(fù)雜地質(zhì)條件下工作面不同開采方向圍巖響應(yīng)特征做對比及優(yōu)化分析。開采擾動嚴重影響著工作面應(yīng)力分布及特征，應(yīng)力場及其動態(tài)演化對煤礦沖擊地壓產(chǎn)生影響?；诖?，考慮堅硬厚層頂板和斷層賦存條件，利用UDEC模擬軟件研究硬厚頂板下鄰斷層工作面不同開采方向應(yīng)力分布及演化特征，分析推采方式對應(yīng)力特征及其誘發(fā)沖擊潛在危險主控區(qū)域的影響與差異，以期研究結(jié)果可為類似條件下沖擊地壓預(yù)測及危險區(qū)域劃分、工作面布設(shè)、開采順序選取與斷層煤柱留設(shè)等提供參考。

1 數(shù)值模型建立

根據(jù)研究目的和預(yù)期結(jié)果，建立上覆硬厚巖層工作面與斷層相對位置關(guān)系的UDEC數(shù)值計算模型，研究不同開采方向上覆硬厚巖層工作面鄰斷層應(yīng)力特征，進一步分析應(yīng)力對斷層附近沖擊地壓的誘導(dǎo)作用。模擬計算時，為凸顯研究目的及研究效果，將硬厚巖層厚度設(shè)置為60 m，且距開采煤層距離為60 m。最終確定模型尺寸為700 m(長)×238 m(高)[1]，其中頂板厚度約140 m，底板厚度為90 m，兩側(cè)各留設(shè)150 m煤柱，以消除邊界效應(yīng)， 模型模擬煤層埋深500 m。根據(jù)以往的研究，我國 許多煤礦總體地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對簡單，以中小正斷層 為主，而正斷層傾角一般大于45°[14-15]，因此選取 小正斷層作為研究目標，設(shè)計斷層寬度為2 m，并用軟弱帶表征[16]，落差4 m，傾角60°，如圖1所示。為較好地模擬工作面的采動狀態(tài)，開采盤直接頂劃分為隨機節(jié)理，且附近網(wǎng)格劃分稠密，為了減少運算時間，模型邊界附近及開采盤對盤網(wǎng)格劃分相對稀 疏[16-17]。

圖1 數(shù)值計算模型 Fig. 1 Numerical calculation model of UDEC

模型巖體力學(xué)參數(shù)一般直接由實驗室測定獲得，或參考具有相同或相似地質(zhì)和采礦條件的文獻獲取。本文巖體和斷層力學(xué)性質(zhì)及參數(shù)主要參考現(xiàn)有文獻，詳情見表1[1,12,18]。

表1 頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù) Table 1 Physical and mechanical parameters of roof-floor

計算模型底部施加位移限定邊界，兩側(cè)施加梯度應(yīng)力邊界和水平位移限定邊界，頂板施加應(yīng)力邊界。經(jīng)計算可得，模型頂部需施加均布垂直荷載9.0 MPa，水平方向施加的梯形分布荷載為垂直方向的0.5倍。模型中模擬巖體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，模擬節(jié)理選擇節(jié)理面接觸-庫侖滑移本構(gòu)模 型。

2 不同推采方向采動應(yīng)力分布及演化規(guī)律

工作面開采形成應(yīng)力集中區(qū)，煤巖體內(nèi)易積聚大量的彈性應(yīng)變能，應(yīng)力場及其動態(tài)演化對井下沖擊地壓等動力現(xiàn)象有顯著影響。在計算模型中設(shè)置S1，S2共2條應(yīng)力監(jiān)測線，如圖2所示。其中S1位于上盤煤層中間( 94 m水平 )，用以監(jiān)測煤體支承壓力；S2位于距下盤煤層65 m處的硬厚巖層中，用以監(jiān)測硬厚巖層支承壓力。

圖2 應(yīng)力監(jiān)測線布設(shè)示意 Fig. 2 Layout of stress monitoring lines

2.1 不同推采方向采動應(yīng)力演化特征

上、下兩盤工作面向斷層開采時，選取典型狀態(tài)( 不同剩余斷層煤柱 )采動應(yīng)力分布云圖，并提取剩余斷層煤柱為60～10 m時S1和S2測線應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到不同開采方向煤巖體應(yīng)力變化曲線。上盤工作面向斷層開采采動應(yīng)力分布云圖及煤體與硬厚巖層應(yīng)力變化曲線如圖3，4所示。

圖3 上盤工作面向斷層開采采動應(yīng)力分布云圖 Fig. 3 Nephograms of mining-induced stress with typical mining state in hanging wall

圖4 上盤工作面向斷層開采煤體與硬厚巖層應(yīng)力變化曲線 Fig. 4 Stress variation of coal body and hard thick stratum with hanging wall mining

由圖3，4可知，上盤工作面向斷層開采，當(dāng)剩余斷層煤柱不小于110 m時，開采活動對煤巖應(yīng)力影響較常規(guī)，斷層基本不受采動影響；當(dāng)剩余斷層煤柱縮至60～40 m且承載能力仍較強時，斷層切割使覆巖成倒楔形，采空區(qū)上方硬厚巖層懸空使煤柱應(yīng)力峰值持續(xù)升至26.97 MPa，且漸進斷層，并受斷層應(yīng)力阻隔效應(yīng)增強的影響，應(yīng)力影響區(qū)逐漸縮小，但應(yīng)力顯著增高區(qū)則向高處擴展，使硬厚巖層支承壓力增大，此時斷層外側(cè)( 下盤 )煤巖體內(nèi)呈現(xiàn)較小的應(yīng)力集中；當(dāng)剩余斷層煤柱繼續(xù)減至30～20 m時，煤柱塑性破壞，承載能力降低，但受硬厚巖層持久懸空的影響煤體支承壓力仍較高，煤柱應(yīng)力峰值為25.44 MPa( 煤柱20 m )，同時硬厚巖層應(yīng)力峰值升至最高22.94 MPa，且斷層外側(cè)呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)；當(dāng)剩余斷層煤柱減至10 m時，煤體應(yīng)力峰值因煤柱塑性破壞顯著而降低至13.02 MPa，硬厚巖層破裂沉降使其應(yīng)力同樣降低，但受已運移巖層對硬厚巖層的支撐作用，上盤集中應(yīng)力可有效傳遞至下盤煤巖體，斷層下盤煤體應(yīng)力急劇增高，應(yīng)力峰值可達到29.75 MPa。

下盤工作面向斷層開采采動應(yīng)力分布云圖及煤體與硬厚巖層應(yīng)力變化曲線如圖5，6所示。

圖5 下盤工作面向斷層開采采動應(yīng)力分布云圖 Fig. 5 Nephograms of mining-induced stress with typical mining state in footwall

圖6 下盤工作面向斷層開采煤體與硬厚巖層應(yīng)力變化曲線 Fig. 6 Stress variation of coal body and hard thick stratum with footwall mining

由圖5，6可知，下盤工作面遠斷層開采應(yīng)力分布與上盤同期類似，均呈常規(guī)演化。當(dāng)剩余斷層 煤柱減小至60 m時，斷層傾向及阻隔效應(yīng)與硬厚 巖層大面積懸空明顯影響煤巖體應(yīng)力分布，煤巖 體應(yīng)力集中程度較高，且對硬厚巖層影響較煤體 更顯著，并在對盤( 上盤 )形成較小的應(yīng)力集中；當(dāng) 剩余斷層煤柱為50～30 m時，斷層傾向使采場上 部荷載不能有效傳遞至煤柱，煤體支承壓力顯著 降低( 煤柱50 m )，后隨開采斷層阻隔效應(yīng)的增強逐漸升高至23.69 MPa( 煤柱30 m )，且下盤煤巖體應(yīng)力轉(zhuǎn)移至對盤( 上盤 )，在上盤斷層附近形成高應(yīng)力集中區(qū)；當(dāng)剩余斷層煤柱為20～10 m時，下盤煤體 塑性破壞而支承壓力顯著降低，同時下盤硬厚巖層回轉(zhuǎn)運動帶動上盤覆巖運動并擠壓下盤巖層，形成較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，在上盤形成高集中應(yīng)力并不斷前移。

2.2 不同推采方向采動應(yīng)力特征及其對沖擊地壓的誘發(fā)影響

由不同推采方向工作面采動應(yīng)力特征分析可知，斷層切割形成斷層煤柱與覆巖異形結(jié)構(gòu)、斷層傾向與阻隔效應(yīng)，以及硬厚巖層持久懸空對采動應(yīng)力及其引起的潛在沖擊危險均存在顯著影響。主要表現(xiàn)為：

( 1 ) 上盤工作面向斷層開采，當(dāng)剩余斷層煤柱較大( 60～10 m )時，硬厚巖層未破裂沉降，上盤煤巖體受斷層阻隔與硬厚巖層持久懸空，煤巖體的應(yīng)力集中程度較高，上盤存在較高的沖擊潛在危險；當(dāng)剩余斷層煤柱較小( ≤10 m )時，采動引起硬厚巖層運動沉降，上盤應(yīng)力可轉(zhuǎn)移至對盤( 下盤 )并使對盤斷層附近煤體應(yīng)力升高，沖擊潛在危險增強，不利于下盤斷層附近工作面布置以及巷道、硐室等工程的維護。

( 2 ) 下盤工作面向斷層開采，當(dāng)剩余斷層煤柱寬度足夠大時，硬厚巖層可有效作用于煤柱之上，下盤煤體支承壓力受硬厚巖層大面積懸頂影響的集中程度較高，下盤煤體沖擊危險性較高；當(dāng)剩余斷層煤柱減小( ＜60 m )時，斷層煤柱承載力降低，且斷層傾向使硬厚巖層不能有效加載于煤柱，煤巖支承壓力向?qū)ΡP轉(zhuǎn)移，開采盤煤巖支承壓力小于對盤( 上盤 )，不利于對盤采場巷道、硐室的布置與維護。

綜上分析，基于斷層切割與傾向效應(yīng)作用，開采盤剩余斷層煤柱寬度與硬厚巖層結(jié)構(gòu)及力學(xué)特點顯著影響斷層附近煤巖體應(yīng)力場與其潛在沖擊主控區(qū)域，且不同推采方向?qū)γ簬r體應(yīng)力和沖擊主控區(qū)域作用不同，動力危險區(qū)域存在差異。如，上盤工作面開采應(yīng)力顯著增強區(qū)主要處于本盤剩余斷層煤柱中，僅在斷層煤柱較小( ＜10 m )時對盤呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力升高區(qū)，而下盤工作面開采斷層煤柱仍較大( 60 m )時，應(yīng)力顯著增強區(qū)域就已轉(zhuǎn)移至對盤煤巖體內(nèi)，因此當(dāng)斷層附近煤柱寬度減小至一定程度時，無論上盤或下盤開采，斷層附近都具有潛在沖擊地壓的危險。但須明確不同開采方向所影響的沖擊主控區(qū)域，方可為工作面開采動力災(zāi)害區(qū)域劃分、治理或工作面布設(shè)、斷層煤柱留設(shè)與開采順序的選擇等提供一定的參考。

2.3 不同推采方向斷層對硬厚巖層破斷影響的理論分析

當(dāng)工作面前方揭露斷層且上覆硬厚巖層被貫穿切割后，下盤開采斷層兩側(cè)的硬厚巖層不受彼此約束，可將斷層側(cè)視為自由邊界，而上盤開采時本盤硬厚巖層運動將受對盤巖層約束，可將斷層側(cè)視為簡支邊界。如圖7所示，根據(jù)上、下盤工作面向斷層開采時覆巖不同的運動特點，建立了不同推采方向斷層對硬厚巖層結(jié)構(gòu)影響的模型示意圖[19]。

圖7 斷層賦存時硬厚巖層結(jié)構(gòu)形態(tài) Fig. 7 Forms of hard and thick stratum affected by fault

下盤工作面向斷層開采時，受斷層切割作用，兩盤覆巖運動不同步，斷層兩盤硬厚巖層位移差可用懸臂梁模型進行分析，則由懸臂梁模型可得兩盤硬厚巖層撓度之差如式( 1 )所示[20]。

式中，ffw，fhw，fwΔ 分別為下盤工作面開采時，下盤、上盤硬厚巖層撓度及兩者的撓度差，m；η為硬厚巖層懸空長度系數(shù)，0＜η≤1；EI為頂板巖層抗彎剛度，N·m2；q為作用在硬厚巖層上的載荷，Pa；a為硬厚巖層懸空長度，m。

上盤工作面向斷層開采時，上盤運動受下盤巖層約束，斷層面上存在一個斷層約束力F，根據(jù)一端固支、一端簡支梁模型進行分析，且在簡支端位移協(xié)調(diào)條件為[20]，則可得：

式中，hfw，hhw為上盤工作面開采時，下盤、上盤硬厚巖層撓度，m。

為了更好地解釋開采方向?qū)鄬忧懈钣埠駧r層的影響，由式( 1 )～( 2 )得到硬厚巖層懸空長度系數(shù)η與位移差 fwΔ 、斷層約束力F的關(guān)系，如圖8所示?？梢?，隨著η的增大，下盤開采時斷層兩盤硬厚巖層位移差 fwΔ 增大，兩盤運動不協(xié)調(diào)性增強，表現(xiàn)為明顯的斷層錯動與張開；而上盤開采時斷層面約束力F也隨著η增大而升高，極易造成應(yīng)力高度集中，容易造成斷層剪斷或錯動，進而誘發(fā)沖擊地壓等動力災(zāi)害[19]。

圖8 硬厚巖層懸空長度系數(shù)η與位移差 Δw f、斷層 約束力F的關(guān)系 Fig. 8 Relationship between suspension length coefficient of HTS and displacement difference or constraint force at fault

可見，雖然不同推采方向?qū)κ軘鄬忧懈钣埠駧r層的影響及其對動力災(zāi)害誘導(dǎo)方式不同，但仍可得到無論上盤或下盤工作面開采，工作面都將受斷層( 斷層切割與傾向效應(yīng) )和硬厚巖層( 大面積懸頂和運動沉降 )等特性的顯著影響，易在斷層附近引起潛在沖擊危險的結(jié)論，與2.1～2.2節(jié)數(shù)值模擬部分結(jié)果分析較為一致。因此，現(xiàn)場工作實踐應(yīng)盡量避免硬厚巖層大面積懸頂，尤其是受斷層切割影響的硬厚巖層，從而降低沖擊危險程度及其他動力災(zāi)害。

3 工程實例

鮑店煤礦103上02工作面位于103上01與103上03采空區(qū)之間，平均采深460 m，采厚6.09 m，煤層上方賦存200 m厚紅層砂巖，單軸抗壓強度70 MPa，屬于典型的硬厚巖層；開切眼附近揭露X-F7(H=24 m， ∠45° )和X-F20(H=0.8～2.5 m，∠60° )2條斷層[13]。二者均對工作面采掘存在影響，屬于本文所研究的堅硬厚層頂板和斷層共同賦存的典型條件。2008年7月礦方安裝SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)，記錄了2008年8月1日和2008年8月15日2起礦震事件，巷道有強烈震感、突然煤炮等現(xiàn)象。

圖9為2008年8月1—31日期間工作面采掘微震事件監(jiān)測情況，其中在工作面推進110～165 m時( 2008年8月1—15日 )，監(jiān)測到8月1日和15日誘發(fā)了5次礦震，最大能量分別為2.85×106J和4.18×106J，如圖9( b )所示，且事故截面分布顯示，2次大能量事件均處于紅層砂巖內(nèi)部及X-F7斷層附近，如圖9( a )所示，震源深度分別為-140.61 m和-525.78 m。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測分析與礦方提供的驗收報告，礦震事件誘發(fā)原因為工作面推至“見方”階段前后，受開采擾動及X-F7斷層切割影響，采空區(qū)上方約150 m處即將斷裂的200 m厚紅層砂巖逐步斷裂擴展，并誘發(fā)斷層活化錯動，導(dǎo)致大量應(yīng)變能釋放并產(chǎn)生強烈震動，進而在上覆紅層砂巖和斷層共同作用下誘發(fā)了上述2次礦震事件[21]。因此，結(jié)合第2節(jié)分析結(jié)果，103上02工作面2次現(xiàn)場礦震事件誘發(fā)原因與前述數(shù)值模擬結(jié)果誘因在一定程度上較為吻合，即受斷層切割、活化與硬厚巖層持久懸空及其破壞運動等影響，易誘發(fā)沖擊地壓。同時，證明了數(shù)值模擬和理論分析中斷層切割硬厚巖層對采場沖擊潛在危險的影響及應(yīng)避免受斷層切割影響的硬厚頂板大面積懸頂破壞的結(jié)論。研究結(jié)果可為類似條件下沖擊地壓或礦震等預(yù)測和防治提供參考。

圖9 8月1—31日期間微震事件分布及其能量和頻次[13] Fig. 9 Distribution and analysis of microseismic events and their energy and frequency during August 1—31[13]

4 結(jié) 論

( 1 ) 上盤開采剩余斷層煤柱較大( 10～60 m )時，上盤煤巖體受斷層阻隔與硬厚巖層持久懸空的影響，其應(yīng)力集中程度較高，上盤存在較高的沖擊潛在危險；當(dāng)剩余斷層煤柱較小( ＜10 m )時，上盤煤巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移至對盤( 下盤 )使對盤斷層附近煤體應(yīng)力升高，沖擊潛在危險性增強，不利于下盤斷層附近工作面的布置，以及巷道與硐室等的維護。

( 2 ) 下盤開采剩余斷層煤柱足夠大時，下盤煤體受硬厚巖層大面積懸頂有效加載的影響，其應(yīng)力集中程度較高，下盤煤體沖擊危險性較高；當(dāng)剩余斷層煤柱減小( ＜60 m )時，煤柱承載力降低且硬厚巖層因斷層傾向不能有效加載其上，使煤巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移至對盤( 上盤 )并明顯高于開采盤，不利于對盤工作面及巷道采掘與維護。

( 3 ) 對比發(fā)現(xiàn)上盤工作面開采應(yīng)力顯著增強區(qū)主要處于本盤剩余斷層煤柱中，僅在煤柱較小( ＜10 m )時對盤呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力升高區(qū)，而下盤開采斷層煤柱仍較大( 60 m )時，應(yīng)力顯著增強區(qū)域就已轉(zhuǎn)移至對盤煤巖體內(nèi)，沖擊潛在危險區(qū)域隨之發(fā)生轉(zhuǎn)移。

( 4 ) 無論上盤或下盤工作面開采，當(dāng)斷層煤柱寬度一定時，斷層兩盤附近都將承受沖擊潛在危險，但須明確不同推采方向所影響的沖擊潛在主控區(qū)域，方可為工作面開采動力災(zāi)害區(qū)域劃分、有效治理或工作面布設(shè)、斷層煤柱留設(shè)、開采順序選擇等提供參考。