深部开采临近断层应力场演化规律研究

罗 浩，李忠华，王爱文，肖永惠

(辽宁工程技术大学 力学与工程学院,辽宁 阜新 123000)

深部开采临近断层应力场演化规律研究

罗 浩，李忠华，王爱文，肖永惠

(辽宁工程技术大学 力学与工程学院,辽宁 阜新 123000)

针对耿村煤矿东部区段深部开采临近F16逆冲断层容易造成冲击地压问题，采用数值计算与相似材料实验相结合的研究方法，研究了随开采深度增加及临近F16断层过程中围岩应力场演化规律。研究结果表明，随着开采深度的增加及临近F16断层，增大了围岩应力集中程度，在断层上盘岩体水平推力、覆岩重力以及采空区岩层下滑力叠加作用下容易使得断层下盘岩体以某一轴线发生扭转，增大了冲击危险性。综合判断其冲击地压失稳模式为F16逆冲断层、井田境界煤柱影响下的高应力、大范围、区域性失稳。

深部开采；冲击地压；逆冲断层；应力演化；相似材料模拟

随着矿井开采深度和强度的不断增加，深部采区地质构造、应力场特征、煤岩体的破碎性质与动力响应特征均发生了显著变化，深部矿井动力灾害的致灾机理、触发条件、演化规律以及显现特征明显不同于浅部煤矿工程。我国煤炭资源已转入深部开采，相关的基础研究还不够系统深入，缺乏对深部开采条件下动力灾害的孕育-发生-演化机理的研究[1-2]。深部开采不能忽略的一个问题就是地下断层，断层的存在会破坏岩层的正常移动规律，使岩层移动复杂化。断层带的强度相对于周围岩体小很多，岩层移动过程中，容易产生沿断层面的剪切滑移，造成断层活化，使得断层附近的巷道、井筒遭到严重破坏。其次，断层附近常常会存在很高的构造应力，当工作面向断层推进时，断层构造应力与工作面超前支承压力叠加，形成高应力集中，当应力集中程度超过煤岩体的强度极限时，就可能引发断层型冲击地压。地下断层的广泛存在严重影响了煤矿井下采区的正常布置[3-5]，临近断层采掘导致断层活化容易发生冲击地压和强矿震，是更高层次量变到质变的过程，该项研究对于深部开采防灾减灾至关重要。

一直以来，国内外学者对断层影响下的采矿活动进行了大量研究[6-14]。潘一山等[10-11]将冲击地压分为煤体压缩型、顶板断裂型和断层错动3种基本类型，并分别研究其发生机理，提出了一些有针对性的治理措施，建立了扰动响应稳定性判别准则，并对断层冲击地压的一个简单模型进行了解析分析。潘岳等[12-13]采用折迭突变模型对断层冲击地压进行了进一步的理论研究，用解析方式对断层失稳前兆阶段及失稳(震)后阶段系统的稳定性作出了符合物理意义和实际观察的描述，给出了断层失稳前后的错距和围岩弹性能释放量计算公式。王学滨等[14]应用应变梯度塑性理论及能量准则，提出了断层岩爆的失稳判据解析解。目前对断层附近冲击地压的研究仍较少，大部分研究仅是对理论或震后所造成的灾害情况进行统计分析，实际经验较多，缺乏具有针对性的开采活动引起断层型冲击地压应力场演化规律研究。

在前人研究的基础上，本文以耿村煤矿为实例，采用数值计算和实验室相似模拟实验相结合的方法，研究在13210，13230，13250，13270工作面开采临近F16断层过程中工作面和围岩应力场演化规律，为后续开采进行总体部署、开采设计、冲击地压和强矿震灾害预测防治等其它研究工作提供科学依据，为国内同类矿山和岩石工程提供实验和应用基础。

1 地质概况

耿村煤矿东部采区东翼靠近千秋井田境界煤柱，而千秋煤矿靠近耿村井田的工作面已经回采完毕。耿村东区13170，13190工作面已经开采完毕，沿煤层倾向向下的13210工作面已安装设备准备回采，继续向下逐渐靠近井田南部F16断层的接续13230，13250，13270工作面，各个工作面回采时上区段回采完毕，下区段未进行回采，属于半岛工作面，由于一侧采空，回风巷道受上区段工作面顶板活动影响，运输巷道在原岩应力区，未进行卸压，均具有冲击危险性。

工作面回采采用走向长壁式布置，综合机械化放顶煤采煤工艺。工作面回采的煤层为2-3煤，煤层厚度平均为10.5 m，煤层倾角10°～14°，黑色，呈块状和粉末状，煤岩成分以暗煤为主，夹亮煤条带，沥青光泽，属半暗型煤，裂隙发育，裂隙被方解石脉充填；基本顶为分层厚度6～10 m、总厚度大于100 m的坚硬砂岩；直接顶为灰黑色、黑色泥岩、粉砂质泥岩，具隐蔽水平层理，含少量动植物化石碎片，致密坚硬，中上部有少量黄铁矿结核，平均厚度20.5 m；直接底为深灰色泥岩，厚1.2～4.2 m，平均2.5 m，致密块状结构，断口较平坦，裂隙发育。如图1所示，13210工作面下巷标高+1～+45 m，上巷标高+40～+75 m，地面标高：+625～+656 m，平均采深600 m。

图1 耿村煤矿东部区段地质剖面图Fig.1 Geological profile of the eastern mining area in Gengcun Mine

图1中F16为区域性逆冲断层，属于三门峡-平舆断层的组成部分，在陕渑-义马矿区，延展长度约45 km，走向近东西，倾向南略偏东，浅部倾角75°，深部倾角一般15°～35°，落差50～450 m，断距由耿村向西逐渐变小。F16断层为压性逆冲断裂，逆冲断面上陡下缓呈犁式，浅部断层面倾角大，切层向下逐渐平缓，局部出现下切，当遇到巨厚的砾岩层时，其作用力减小，且砾岩层产生刚性断裂，因此造成了断层下部水平断距大，上部水平断距小，上陡下缓的铲状断层，这种状态下，受F16断层影响的耿村井田内的采掘工程容易造成F16断层的滑移失稳。

2 数值计算

2.1 模型的建立

模型考虑了临近耿村井田的千秋煤矿工作面形成的大范围采空区及F16大断层影响，三维计算模型如图2所示，模型尺寸为1 400 m×1 030 m×500 m，煤层倾角10°，断层倾角60°，模型共计298 710个单元，315 974个节点。岩层属性参数见表1，同时在模型上下盘间添加接触面模拟断层带，接触面采用库仑剪切模型，主要参数参见文献[15]，法向刚度2 GN/m，剪切刚度5 GN/m，内摩擦角20°，黏聚力0.5 MPa。模型顶部施加100 m上覆岩层自重，即2.5 MPa，根据相邻矿区千秋煤矿地应力大小模型水平方向施加1.2倍的竖直方向应力，模型底端固定。在开采煤层中设置了监测点，记录各参量随回采过程的动态变化规律，为尽可能准确地显示煤层受力情况，模型中煤层及断层附近单元网格划分较密，远离煤层单元划分较疏。

表1岩层属性参数
Table1Rockpropertyparameters

岩层体积模量/GPa剪切模量/GPa内聚力/MPa内摩擦角/(°)抗拉强度/MPa密度/(kg·m-3)覆岩8 187 753 228 22 52680顶板11 218 763 730 62 72620煤层1 671 471 825 81 41450底板8 187 754 228 73 12530

图2 耿村东部采区数值模型Fig.2 The numerical model of the eastern mining area in Gengcun Mine

2.2 采动过程中水平应力场演化规律

图3为东区13170，13190工作面开采后煤层底板水平应力云图，从图中可以看出千秋煤矿工作面开采后形成大范围的采空区，采空区上覆岩层质量转移至未采区域，致使井田境界煤柱附近形成应力集中区域，聚集大量的弹性能，根据数值计算结果，此应力增高区域扩展至耿村井田境界300 m左右。13170，13190工作面开采后在13190工作面倾向下部实体煤层底板形成应力增高区域。结合13210工作面布置图可以分析出该工作面巷道掘进期间发生的冲击地压与此应力集中区域有很大关系。

图3 13170，13190工作面回采完成后煤层底板水平应力Fig.3 Horizontal stress distribution of the coal floor after finishing 13170，13190 working face

随着后期13210工作面延续，开采深度逐渐增加，开采区域逐渐临近F16断层，为寻求围岩应力场随开采深度增加以及工作面临近F16逆冲断层开采时围岩应力演化规律，本模型模拟开挖了13210，13230，13250及13270工作面，图3和4为各个工作面分别开采后煤层底板水平应力分布云图。由数值计算结果可以看出，随着13210，13230，13250，13270的开采工作面逐渐临近F16断层，采空区范围不断扩大，高位岩层活动量不断增大，采空区倾向下部煤层底板应力集中区向断层方向移动，与千秋矿井田境界煤柱水平应力集中区向断层方向移动，且范围不断扩大。如图4(c)所示，13250工作面回采完成后井田境界煤柱水平应力与未采的13270工作面底板水平应力叠加达到最值，断层另一侧水平应力逐渐增高，13250工作面冲击危险性增大。图4(d)中13270工作面回采完成后应力集中区域转移至断层另一侧，13270工作面发生断层型冲击危险性增大。

2.3 采动过程中垂直应力场演化规律

图5为13170,13190工作面回采后围岩垂直应力分布云图。由图中可看出采空区上方及采空区下方岩层应力释放，形成低应力区，应力集中区向采空区两侧转移，煤柱处垂直应力较大。

各个工作面开采后围岩垂直应力分布规律如图6所示。由图可以看出，工作面相继回采后，采空区上方顶板、下方底板垂直应力降低，垂直应力集中区转移至回采区域前方，应力集中区域面积随工作面向深部发展而减小，应力峰值不断升高。对比水平应力云图可以看出垂直应力变化与水平应力变化表现出同步性，13250工作面回采结束后，未采的13270工作面垂直应力峰值达到最大，13270工作面回采结束后，采空区下方应力降低，断层另一侧垂直应力升高。因此，随着工作面不断临近F16断层，开采深度不断加大，工作面前方煤体垂直应力集中程度逐渐增加，受F16断层影响愈加显著，冲击危险性增强。

图7 回采完成后下区段煤体垂直应力Fig.7 Vertical stress of the coming section coal after finishing the extraction

数值计算过程中对工作面下区段煤体垂直应力进行监测，如图7所示，工作面开采完成后下区段煤体垂直应力呈现先增大然后减小趋于稳定的趋势，13250工作面回采完成后，距煤壁前方43 m处垂直应力达到最大。综合以上数值计算分析耿村煤矿东区冲击地压属于F16逆冲断层、井田境界煤柱影响下的高应力、大范围、区域性失稳。

3 相似材料模拟实验

为验证数值计算的有效性，对耿村煤矿深部开采临近断层进行了相似模拟实验。相似模拟实验采用与原模型力学性质相似的材料，在满足边界相似、几何相似、运动相似、动力相似条件下，按照一定的比例模拟岩体及煤层，在断层面铺设聚乙烯材料并添加适量云母粉，使在相应的时期内造成与实际矿井相似的矿山压力现象，同时在断层位置布置A，B，C三个剪切应力监测点，如图8所示。模型选择石英砂作为骨料，石灰、石膏作为胶结物，根据材料不同配比分层模拟相应的煤层及岩层。

图8 相似材料模型全貌Fig.8 The panorama of the similar material model

模型开采过程中每次挖空一个工作面，待200 min稳定后继续挖下一个工作面，累计时间约为1 200 min。图9为各工作面开采完成后采场及覆岩破坏情况。图10为工作面开采过程中F16断层面监测点剪切应力变化情况。通过相似材料模拟实验结果可以看出,采掘完成后，顶板垮落充满采空区，上覆岩层出现了“V”形或倒“V”形裂隙，如图9红色虚线所示。对比图9和图10可以看出，断层带剪切应力不断变化进行振荡调整，由一个平衡状态过渡至另一个平衡状态，开采13230工作面至755 min时发生底板局部失稳现象，此过程中断层位置3个剪应力监测值先降低后升高，然后大幅度波动，其主要原因可能为临近千秋井田境界煤柱，受高水平应力挤压作用导致煤层底板失稳破坏。开采13250工作面至825 min时顶板发生大范围失稳现象，与数值计算中垂直应力达到最大值结果吻合，此时3个剪应力监测值同时产生剧烈振荡，其主要原因为:在断层上盘岩体水平推力、覆岩重力以及采空区岩层下滑力叠加作用下,使得断层下盘岩体以某一轴线向左下方扭转，扭转的支撑部分为回采区域前方煤体，导致工作面与断层带范围内的围岩应力更加集中，增大了开采过程中的冲击危险性(图9)。开采至13270工作面时，产生了与断层倾角一致的裂隙带，断层发生活化，“扭转效应”更加明显，该过程中B测点剪应力大幅升高，而后降低。因此，耿村煤矿东区冲击地压属于F16逆冲断层、井田境界煤柱影响下的高应力、大范围、区域性失稳。

图9 开采完成后围岩破坏情况Fig.9 The failure forms of surrounding rock after finishing the extraction

图10 监测点剪切应力变化规律Fig.10 Shear stress change law of the monitoring point

4 结 论

(1)随着工作面向F16逆冲断层布置，开采深度不断加大，高应力集中区域逐渐向井田境界煤柱和F16断层方向转移，且距离F16断层越近增加梯度越大，工作面开采完成后下区段煤体垂直应力呈先增大后减小至稳定的趋势，13250工作面回采完成后，距煤壁前方43 m处垂直应力达到最大。

(2)在断层上盘岩体水平推力、覆岩重力以及采空区岩层下滑力叠加作用下使得断层下盘岩体以回采区域前方煤体为轴线向左下方扭转，导致工作面与断层带附近的围岩应力更加集中，增大了开采过程中的冲击危险性。

(3)通过相似模拟实验发现，13250,13270工作面的开采对断层的扰动作用明显，13270工作面开采后断层活化，产生了与断层倾角一致的裂隙带，同时断层带B监测点剪切应力升高。数值计算和相似模拟实验同时判断耿村煤矿东区冲击地压属于F16逆冲断层、井田境界煤柱影响下的高应力、大范围、区域性失稳。

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Studyontheevolutionlawofstressfieldwhenapproachingfaultindeepmining

LUO Hao,LI Zhong-hua,WANG Ai-wen,XIAO Yong-hui

(SchoolofMechanicsandEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

According to the problems which F16 thrust fault can easily cause rockburst in the deep mining of the eastern mining area in Gengcun Mine,the evolution law of surrounding rock stress field was studied as the increasing of mining depth and approaching to the F16 fault by using numerical calculation and similar material experiment.Research results show that the degree of surrounding rock stress concentration becomes higher as the increasing of mining depth and approaching to the F16 fault.The fault footwall rock occurs torsion easily in an uncertain axis under the action of superposition that horizontal thrust of fault upper wall rock,the gravity of overburden rock and glide force of goaf’s rock mass,and rockburst hazard increased.It is determined comprehensively that rockburst occurred pattern is high stress and large range,regional instability under the influence of F16 trust fault and mining field boundary coal pillar.

deep mining;rockburst;thrust fault;stress evolution;similar material simulation

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2006

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB226803)；国家自然科学基金面上资助项目(11172121，51174107)

罗 浩(1987—)，男，辽宁开原人，博士研究生。E-mail:luohao8711@163.com

TD322

A

0253-9993(2014)02-0322-06

罗 浩，李忠华，王爱文，等.深部开采临近断层应力场演化规律研究[J].煤炭学报,2014,39(2):322-327.

Luo Hao,Li Zhonghua,Wang Aiwen,et al.Study on theevolution law of stress field when approaching fault in deep mining[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):322-327.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2006