木瓜礦斷層對工作面開采應力影響數值模擬分析

溫 敏

(霍州煤電集團團柏煤礦)

斷層是由地殼破裂形成的沿破裂表面相對移動的巖石，其嚴重影響地質構造的穩定性，對采煤工作面安全生產有很大的影響[1-4]。斷層構造附近煤巖物理力學參數發生變化，導致工作面推進礦壓顯現與正常表現不同，周圍巖體的應力傳遞和塑性區發育在斷層上下盤出現很大差異[5-7]。針對工作面過斷層期間的礦壓顯現規律，研究人員做了大量卓有成效的工作，本文基于已有的研究基礎，對木瓜礦10煤工作面過斷層礦壓顯現規律進行系統分析，以期為工作面安全開采提供理論依據。

1 工程概況

木瓜煤礦10-211工作面北鄰10-213采空區，南鄰10-209采空區，西鄰井田邊界，靠近風氧化帶及西縱高速公路保安煤柱，東鄰二采區3條大巷。工作面標高為+851～+895 m，地面標高為+1 095～+1 225 m。工作面走向長1 195 m，傾向長296 m，煤層厚2.92～3.12 m，平均為3.02 m，煤層傾角為3°～7°，平均為5°，為近水平煤層。工作面直接頂為砂質泥巖，平均厚1.0 m，致密較硬，中厚層狀構造；基本頂為粗砂巖，平均厚5.0 m，厚層狀、棱角狀，泥質膠結；直接底為泥巖，平均厚1.0 m，灰黑色，平坦狀；基本底為細砂巖，平均厚4.0 m，致密堅硬。

工作面在掘進過程中共揭露2條斷層，回采區域預計會遇見F1、F22條斷層，落差最小為0.5 m，最大為2.1 m，斷層產狀見表1。F1、F2斷層對回采工作會造成一定影響，為此研究存在斷層情況下的煤層回采應力分布規律，保證回采工作的安全穩定。

表1 斷層產狀信息

2 斷層數值模型建立

本次斷層模擬設計選取10-211工作面F2斷層為工程背景，煤層平均厚度取3.0 m，平均埋深為300 m，采用單一走向長壁綜合機械化采煤法，工作面頂板采取全部垮落法管理。建立的數值模型尺寸為70 m×100 m×58 m(長×寬×高)，斷層傾角為40°，斷距為2.0 m，模型共計596 000個塊體。模型整體按照近水平建立，四周固定位移約束，底部采取固定約束，上部為自由邊界，并施加6.7 MPa垂直應力模擬上覆巖重，模型四周各留設10 m煤體以消除邊界效應，建立的三維模型見圖1。計算采用莫爾-庫倫本構模型，所需煤巖物理力學參數可參照文獻[8]，具體見表2。斷層的剛度選取模型最硬剛度的5‰，其他參數均選取為5%。

圖1 三維計算模型

3 工作面過斷層數值模擬結果分析

方案一按照實際生產中10-211工作面推進過程中遇到的斷層為正斷層，在模型初始應力平衡后，從模型左側開挖，開挖步距為5 m，每開挖一次進行一次應力平衡，分析斷層兩側垂直應力變化規律，布置的監測點位于煤層頂板2 m上泥巖巖層內；方案二采取從模型右側開挖，開挖步距與監測點布置與方案一相同，進行工作面過逆斷層的對比分析。

表2 煤巖物理力學參數

3.1 工作面過正斷層頂板垂直應力分析

按照木瓜礦10-211工作面實際推進過正斷層頂板垂直應力變化情況見圖2。

圖2 工作面過正斷層頂板垂直應力變化特征

從圖2可知，工作面推進5 m至推進25 m時，工作面前方超前支承應力峰值逐漸增大，從6.7 MPa 增加到12.7 MPa，應力集中系數從1.0增加到1.9，采空區后方支承應力也逐步增加，從9.3 MPa 增加到13.3 MPa；模型斷層位置在X方向37 m處，隨著工作面向前推進，從5 m增加至 25 m，超前支承應力影響范圍逐漸減小，以斷層所在位置為界限，在斷層位置應力值突然降低，超前支承應力影響范圍也被截斷，工作面繼續向前推進至30，35 m 時，雖仍未過斷層，但從垂直應力值分布來看，此時監測點已處于斷層影響范圍之內，當工作面繼續推過斷層后，工作面超前支承應力急劇上升，隨著采空區范圍的增大，超前支承應力峰值達到19.2 MPa，應力集中系數為2.9，之后工作面垂直應力特征即與常規工作面相似。

因此，工作面過正斷層時，從頂板垂直應力變化特征可以得出，工作面在推進至距正斷層10～12 m之前時，頂板垂直應力變化隨著推進距離的增加而呈現周期性變化，變化幅度越靠近斷層位置越劇烈；工作面正斷層的影響范圍在20 m左右，即斷層前后各10 m，推過斷層10 m后，頂板應力變化特征繼續呈現周期性規律，逐漸與常規工作面類似。

3.2 工作面過逆斷層頂板垂直應力分析

工作面過正斷層應力監測分析后，為更好地研究斷層對工作面開采應力的影響特征，采取工作面反向推進,模擬過逆斷層時的頂板應力變化情況見圖3。

圖3 工作面過逆斷層頂板垂直應力變化特征

從圖3可知，工作面推進5 m至推進20 m時，工作面前方超前支承應力周期性規律并不顯著，且垂直應力峰值在越靠近斷層位置受到的影響越大，應力峰值不增反減，從6.7 MPa減小到5.9 MPa，應力集中系數從1.0降低到0.9，但采空區后方支承應力逐步增加，從14.4 MPa增加到17.5 MPa，應力集中系數從2.1增加到2.6；隨著工作面向前推進，從5 m增加至20 m，超前支承應力影響范圍逐漸減小，以斷層所在位置為界限，在斷層位置應力值突然降低，超前支承應力影響范圍也被截斷，工作面繼續向前推進至25，30 m直至50 m時，工作面已經推過逆斷層，垂直應力分布規律又呈現出周期性變化，工作面超前支承應力峰值由8.8 MPa增加到19.4 MPa，應力集中系數從1.3增加到2.9，推進30 m 之后，工作面垂直應力變化特征即與常規工作面相似。

因此，工作面過逆斷層時，從頂板垂直應力變化特征可以得出，垂直應力在工作面推進至斷層之前均未出現任何規律性變化，頂板垂直應力隨推進工作面距離減小而變??；工作面推過斷層之后，超前支承應力很快出現周期性變化規律，逆斷層的影響范圍主要表現在推過斷層之前10～15 m，推過斷層之后即與常規工作面壓力規律類似。

針對工作面過斷層時的應力分布結果，對礦壓規律變化分析可知，原因主要有以下兩點：

(1)當工作面過正斷層時，工作面從斷層下盤往斷層上盤推進，需要先開挖一部分頂板進而轉到煤層中繼續推進，此時斷層下盤承受較高的采動支承壓力，由于斷層本身是一個弱面，對應力傳遞產生了阻隔作用，導致斷層接觸面兩側應力值差別較大。

(2)當工作面過逆斷層時，工作面從上盤往下盤推進，需要先開挖一部分底板進而轉到煤層中推進，此時斷層上盤承受較高的應力，與過正斷層時類似，應力傳遞被阻斷，在斷層弱面處出現應力突變。

因此，無論工作面過正斷層或逆斷層，斷層弱面的存在導致斷層上下兩盤應力變化規律并不連續，在斷層處出現一定程度的變化。所以在工作面過斷層時，加強相應斷層影響區域的應力監測，防止出現工作面所受應力的突變而造成工作面設備或人員事故是十分重要的。

4 結 論

(1)正斷層與逆斷層整體礦壓規律顯現類似，工作面開采中正斷層對工作面影響程度在20 m，大于逆斷層10～15 m的影響范圍。

(2)由于斷層的存在，礦壓規律周期性變化在斷層處出現應力突變，工作面在斷層上下盤的應力值差別較大，加強工作面過斷層時的礦壓監測是規避風險的有效途徑。

(3)通過對木瓜礦工作面過斷層的礦壓規律研究，對礦井生產實踐提供了指導，同時也為相似地質條件下工作面生產提供借鑒。