斷層影響下的工作面礦壓顯現規(guī)律

呂建波(中條山集團篦子溝礦業(yè)有限公司, 山西 運城 043703)

1 前言

隨著我國煤層開采深度的逐年增加和采掘活動的影響,再加上斷層構造帶等地質特征因素的影響,工作面礦山壓力顯現異常復雜,由此引發(fā)的工作面頂板事故頻發(fā)。 許多礦井花費大量人力和支護材料進行維護和翻修,嚴重影響了礦井的正常接續(xù)和安全生產。

斷層對圍巖變形破壞的影響機理是圍巖控制的關鍵。 針對此問題,國內外學者進行了有益地探究。 彭蘇萍通過建立了高角度的不同開采方法的兩組不同斷層模型[1],分析研究煤層頂板變形規(guī)律產生的礦壓顯現規(guī)律,從而得到煤巖體受采動影響斷層活化斷裂滑移失穩(wěn),煤巖體應力不正常現象。 劉德乾利用離心模型實驗法[2],針對煤巖體的應力和變形特征進行了實驗研究,通過研究開采過程中煤柱和頂底板應力的傳遞規(guī)律以及構造因素產生的影響,認為斷層結構面的存在改變了頂板變形和受力的連續(xù)性,斷層兩側頂板的受力狀態(tài)明顯不同,并沿結構面形成應力集中帶。李志華以濟三煤礦6303 工作面地質條件為背景,采用物理數學模型及數值模擬軟件模擬[3],研究了工作面分別從在斷層上盤及下盤向斷層開采時采動誘發(fā)礦壓沖擊情況,研究認為工作面距離斷層越近,斷層活化滑移量及滑移速度越大,工作面在斷層下盤向斷層開采會導致工作面發(fā)生沖擊礦壓危險性更高。

以上文獻主要研究斷層對圍巖變形的影響,但受采動和斷層共同影響對巷道圍巖變形的研究卻鮮有涉及。 因此,本文以某礦201 工作面為工程背景,采用數值模擬研究方法,研究斷層活動效應下工作面受開采擾動下的礦壓顯現及圍巖變形規(guī)律,揭示頂板變形破壞失穩(wěn)機理,對現場工程實踐具有一定的指導意義。

2 工程背景

該礦位于黃陵礦區(qū)平緩褶皺區(qū)南部,煤礦地質構造的基本形態(tài)為一寬緩的背斜和向斜構造組成。北部的南峪口背斜占據煤礦大部分區(qū)域,寺灣向斜主要位于原煤礦范圍內。 褶皺兩翼地層平緩,傾角2° ～3°,屬于平緩褶皺。 201 工作面地處中低山林區(qū),植被繁茂,對應地表無構筑物、河流分布。 201工作面位于煤礦北部二盤區(qū),呈東西向布置,北側為規(guī)劃的203 工作面,西側為井田邊界,南側為進風順槽,東側為北翼回風大巷。 201 工作面走向可采長度2 272 m,傾斜長度180 m,埋深280 m。 201 工作面煤層近水平賦存,煤厚相對穩(wěn)定,煤層傾角2° ～5°,平均3°;煤層厚度在1.4 ～2.8 m 之間,平均煤厚2.1 m,全區(qū)穩(wěn)定可采,具褐色及褐黑色條痕,瀝青及玻璃光澤,斷口為階梯狀、參差狀,呈條帶狀、線理狀結構,具層狀,塊狀構造,巷道頂板均無明顯滴淋水情況出現,工程地質性質較好,頂底板局部區(qū)域巖體強度低、水穩(wěn)性較差。 在201 工作面至203 工作面之間存在與工作面推進方向平行且橫貫井田境界東西兩側的3DF4 斷層,工作面地層柱狀圖如圖1 所示。

圖1 工作面地層柱狀圖

3 數值模擬研究

3.1 模型建立

為了研究3DF4 斷層對201、203 工作面覆巖的影響,采用FLAC3D對201、203 工作面圍巖的應力分布及其變形破壞規(guī)律進行數值模擬研究。 根據地質資料和實驗室?guī)r石力學實驗結果,得出煤層及主要巖層物理力學參數見表1。 計算采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則判斷巖體的破壞。

表1 煤巖力學參數

式中,σ1、σ3分別是最大和最小主應力,c,φ分別是黏結力和內摩擦角。 當fs>0 時,材料將發(fā)生剪切破壞。 在通常應力狀態(tài)下,巖體的抗拉強度很低,因此,可根據抗拉強度準則判斷巖體是否產生拉破壞。

根據計算模型建立煤層三維數值計算模型,FLAC3D三維模型應用rhinoceros 外置建模生成,尺寸為:長×寬=880 m×565 m,到模擬地表最高點高度為283 m,工作面推進方向沿x軸負方向,采用Mohr-Coulomb plasticity model 本構模型,用brick 單元模擬煤層及圍巖,模型底部限制垂直移動,模型前后和側面采用位移約束限制水平移動,整個模型由1 122 291 個單元組成,包括199 413 個節(jié)點,三維數值模型如圖2 所示。

圖2 三維數值模擬圖

3.2 計算過程

整個數值模擬分為以下幾個步驟:

(1)建立數值計算模型,固定邊界,模型進行初始平衡計算。

(2)模擬開挖每次按照10 m 進尺開挖,待計算平衡后開始下一刀的開挖模擬,201 工作面總計開挖780 m,在201 工作面開挖完后對203 工作面進行開挖,再次開挖780 m。

(3)模型后處理,提取分析采場覆巖應力、位移等數據,分析總結3DF4 斷層對工作面覆巖的影響

3.3 模擬結果分析

1)不同階段下201 工作面位移場分布特征

為了分析3DF4 斷層三種不同工況下對201、203 工作面回采時采場圍巖的力學影響,取201、203工作面不同階段的數值計算模擬結果為研究對象,分析其位移場、應力場和塑性區(qū)分布特征,揭示不同階段下工作面受采動影響的礦壓顯現規(guī)律。

圖3 所示為201 工作面在斷層三種不同工況下工作面回采時上下盤垂直位移場分布特征云圖。 從圖中可以看出,斷層阻隔了采場圍巖的位移場連續(xù)分布,斷層上下盤位移變化差異性較大,斷層穿過201 回風巷時采場圍巖具有明顯的位移變化趨勢,斷層上盤即201 工作面圍巖位移場范圍最大,且最大位移為0.243 m,頂板垂直位移向下,底板垂直位移向上,斷層下盤最大位移量為0.025 m,主要位于斷層上部圍巖區(qū)域。

圖3 不同階段下201 工作面垂直位移分布圖

圖4 所示為201 工作面在斷層三種不同工況下工作面回采時上下盤水平位移場分布特征云圖。 從圖中可以看出,無論在哪種工況下,由于201 工作面的回采影響,斷層上盤位移量較大,且位移方向豎直向下,而斷層下盤位移變化量較小,位移方向基本為水平向右,即遠離斷層方向。 圖中明顯看出,在斷層穿201 回風巷階段時斷層上下盤水平位移差異性最大,斷層下盤水平位移主要朝遠離斷層方向,最大水平位移量為0.026 2 m,且水平位移場范圍最大;斷層穿203 回風巷時,最大位移量為0.013 m;斷層未穿兩巷時,最大位移量為0.02 m。

綜合分析201 工作面回采階段斷層處于巷道不同位置時上、下盤相對位移可知,穿過巷道位置的斷層上、下盤具有明顯的相對位移,上盤位移方向豎直向下,下盤位移方向水平向右。 根據上、下盤相對位移判斷斷層對采場圍巖的影響為:斷層穿201 回風巷位置>煤柱未穿兩巷位置>斷層穿203 回風巷位置。

2)不同階段下201 工作面應力場分布特征

圖5 所示為201 工作面在斷層三種不同工況下工作面回采時上下盤垂直應力分布特征云圖。 從圖中可看出,在201 工作面回采時,斷層兩側上下盤應力分布明顯不連續(xù),工作面兩端有應力集中。 斷層穿201 回風巷時,斷層兩側應力分布不連續(xù),但應力值大小基本均處于原巖應力;斷層穿203 回風巷時,斷層上下盤應力分布明顯不同,斷層上盤由于201工作面的開采影響,201 工作面頂板及斷層側上盤基本處于卸荷區(qū),只有斷層側工作面端頭上方小范圍應力集中,集中應力最大為13.2 MPa,而斷層下盤基本均處于應力增加區(qū),最大應力為8 MPa;斷層未穿兩巷時,斷層上下盤應力分布不連續(xù),但斷層側上下盤基本均處于應力增加區(qū)或原巖應力區(qū)域,工作面兩端有應力集中,最大集中應力為13.1 MPa。

圖5 不同階段下201 工作面垂直應力分布圖

圖6 所示為201 工作面在斷層三種不同工況下工作面回采時超前10 m 上下盤應力場分布特征云圖。 從圖中可以看出,斷層穿201 回風巷時,工作面前方10 m 超前支承壓力范圍最大,且斷層下部受到明顯的應力集中,最大垂直應力為9.94 MPa,下盤斷層側圍巖處于卸荷區(qū),越偏向下盤方向,圍巖應力越接近原巖應力。

圖6 不同階段下201 工作面超前10 m 垂直應力分布圖

綜合分析201 工作面回采階段斷層處于巷道不同位置時上、下盤垂直應力可知,穿過巷道位置的斷層上、下盤應力分布明顯不連續(xù)。 根據上、下盤應力范圍及應力值大小判斷斷層對采場圍巖的影響為:斷層穿201 回風巷位置>斷層穿203 回風巷位置>煤柱未穿兩巷位置。

3)不同階段下201 工作面破壞場分布特征

圖7 所示為201 工作面在斷層三種不同工況下工作面回采時上下盤塑性區(qū)分布特征云圖。 從圖中可以看出,隨著201 工作面的開采,工作面圍巖受到塑性破壞,且上下盤的煤層及直接頂均受到擾動影響遭到破壞。 在斷層穿201 回風巷以及未穿兩巷階段時,由于工作面已開采距離的增加,工作面上方覆巖和地表受到開采影響均產生破壞,主要以拉伸和剪切破壞為主。 根據上、下盤塑性區(qū)分布范圍判斷斷層對采場圍巖的影響為:斷層穿201 回風巷位置>斷層穿203 回風巷位置>煤柱未穿兩巷位置。

圖7 不同階段下201 工作面塑性破壞分布圖

4)不同階段下203 工作面位移場分布特征

圖8 所示為203 工作面在斷層三種不同工況下工作面回采時上下盤垂直位移特征云圖。 從圖中可以看出,在201 工作面開采結束后,開采203 工作面時,工作面圍巖有明顯的位移變化。 斷層穿過201回風巷時203 采場圍巖的位移變化量最大,最大位移為0.225 m,頂板垂直位移向下,底板垂直位移向上。 斷層下盤煤柱及上方覆巖也有明顯的位移,最大位移量為0.05 m,位移量小于工作面頂板位移量。

圖8 不同階段下203 工作面垂直位移分布圖

圖9 所示為203 工作面在斷層三種不同工況下工作面回采時上下盤水平位移場分布特征云圖。 從圖中可以看出,由于201 工作面已經采結束,斷層上盤位移量較大,且位移方向豎直向下,而斷層下盤位移變化量較小,位移方向基本為右下方方向。 圖中明顯看出,在斷層穿201 回風巷階段時斷層下盤位移場范圍最大,水平位移最大值為0.05 m,斷層穿203 回風巷時水平位移最大值為0.022 5 m,斷層未穿兩巷時的最大水平位移量為0.035 m。

圖9 不同階段下203 工作面水平位移分布圖

綜合分析203 工作面回采階段斷層處于巷道不同位置位移可知,根據工作面圍巖位移判斷斷層對采場圍巖的影響為:斷層穿201 回風巷位置>斷層穿203 回風巷位置>煤柱未穿兩巷位置。

5)不同階段下203 工作面應力場分布特征

圖10 所示為203 工作面在斷層三種不同工況下工作面回采時圍巖垂直應力分布特征云圖。 從圖中可以看出,203 工作面回采時,工作面圍巖應力重新分布,工作面頂板及其上方覆巖出現卸荷區(qū),工作面兩端產生應力集中區(qū)。 下盤斷層側圍巖處于應力集中區(qū)域,應力集中范圍大于工作面另一側圍巖。在斷層穿201 回風巷時,應力集中最大值為14 MPa。

圖10 不同階段下203 工作面垂直應力分布圖

圖11 所示為203 工作面在斷層三種不同工況下工作面回采時工作面超前10 m 圍巖應力場分布特征云圖。 從圖中可以看出,斷層穿201 回風巷時,斷層下盤超前工作面10 m 時的應力集中范圍最大,且應力值最大可達11 MPa。

圖11 不同階段下203 工作面超前10 m 垂直應力分布圖

綜合分析203 工作面回采階段斷層處于巷道不同位置時圍巖垂直應力可知,穿過巷道位置的斷層上、下盤應力分布明顯不連續(xù)。 根據上、下盤應力范圍及應力值大小判斷斷層對采場圍巖的影響為:斷層穿201 回風巷位置>煤柱未穿兩巷位置>斷層穿203 回風巷位置。

6)不同階段下203 工作面塑性區(qū)分布特征

圖12 所示為203 工作面在斷層三種不同工況下工作面回采時上下盤塑性區(qū)分布特征云圖。

圖12 不同階段下203 工作面塑性破壞分布圖

從圖中可以看出,隨著203 工作面的開采,工作面圍巖受到塑性破壞,且上下盤的煤層及直接頂均受到擾動影響遭到破壞。 在斷層穿201 回風巷以及未穿兩巷階段時,由于工作面已開采距離的增加,工作面上方覆巖和地表受到開采影響均產生破壞,主要以拉伸和剪切破壞為主。

分別在斷層不同位置階段201 和203 工作面選取同一開采距離下的位移和垂直應力數據,對其數據進行分析,對比如圖13 和圖14 所示。

圖14 不同階段下201 和203 工作面頂板垂直位移對比

由圖13 垂直應力對比圖可以看出,不同階段的工作面超前支承壓力范圍都處于0 ～10 m,在斷層穿203 回風巷時,201 工作面的支承壓力峰值高于203 工作面應力峰值,在斷層穿201 回風巷及位于煤柱階段,203 工作面的支承壓力峰值相對高于201工作面壓力峰值,但整體上201 工作面的平均垂直應力大于203 工作面平均垂直應力。

圖13 不同階段下201 和203 工作面垂直應力對比

由圖14 垂直位移對比圖可以看出,不同階段下201 工作面的垂直位移量總是大于203 工作面的垂直位移量,其中201 工作面在斷層穿201 回風巷階段的垂直位移量最大,隨著距煤壁距離的增加,工作面前方頂板位移變化量明顯減小,逐漸趨于穩(wěn)定。

3 結論

(1)綜合分析了在斷層三種不同工況下對201、203 工作面回采時采場圍巖的力學行為影響,取201、203 工作面不同階段的數值計算模擬結果為研究對象,分析其位移場、應力場和塑性區(qū)分布特征,揭示不同階段下工作面受采動影響的礦壓顯現規(guī)律。

(2)201 工作面在斷層三種不同工況下工作面回采時,斷層阻隔了采場圍巖的位移場連續(xù)分布,斷層上下盤位移變化差異性較大;斷層上盤位移量較大,斷層下盤位移變化量較小,斷層下盤水平位移主要朝遠離斷層方向。 在201 工作面回采時,斷層兩側上下盤應力分布明顯不連續(xù),工作面兩端有應力集中。 隨著201 工作面的開采,工作面圍巖受到塑性破壞,工作面上方覆巖和地表受到開采影響均產生破壞,主要以拉伸和剪切破壞為主。

(3)在201 工作面開采結束后,開采203 工作面時,工作面圍巖有明顯的位移變化,斷層上盤位移量較大,且位移方向豎直向下,而斷層下盤位移變化量較小,位移方向基本為右下方方向。 工作面圍巖應力重新分布,工作面頂板及其上方覆巖出現卸荷區(qū),工作面兩端產生應力集中區(qū)。 下盤斷層側圍巖處于應力集中區(qū)域,應力集中范圍大于工作面另一側圍巖。 隨著203 工作面的開采,工作面圍巖受到塑性破壞,且上下盤的煤層及直接頂均受到擾動影響遭到破壞。

(4)在斷層不同位置階段工作面超前支承壓力范圍都處于0 ～10 m,且整體上201 工作面的平均垂直應力大于203 工作面平均垂直應力。 不同階段下201 工作面的垂直位移量總是大于203 工作面的垂直位移量。