屯留煤矿断层活化下巷道顶板的数值分析

刘茂

(西山煤电股份有限公司西曲矿，山西古交030200)

·试验研究·

屯留煤矿断层活化下巷道顶板的数值分析

刘茂

(西山煤电股份有限公司西曲矿，山西古交030200)

为解决屯留煤矿过断层巷道顶板支护问题，利用有限元分析软件ANSYS对逆断层下盘掘进穿越断层前的巷道顶板应力分布情况和顶板变形特征进行了分析，得出:巷道顶板最大应力集中在距断层面2 m处，最大应力集中系数为3.22，最小应力集中在距断层12 m处，最小应力集中系数为1.84．整个模拟过程中应力转化规律为当巷道初始掘进时，受掘进影响，应力集中区向掘进面前方转移，其集中系数值逐渐增大，随着距断层之间的距离逐渐减小，应力集中系数在断层前方增到最大，之后又减小，直至断层面。该结论为解决过断层巷道顶板支护提供了理论依据。

断层;巷道顶板;ANSYS软件;数值分析

屯留煤矿在生产过程中，地质形态是影响井下矿建的重要因素。断层作为一种比较常见的地质形态，直接影响着井下各结构应力场的分布。由于井下开采和掘进的过程中，断层会发生活化现象，进而改变巷道顶板塌落时的规律。因此，研究过断层时巷道顶板的受力状态及变形情况至关重要。

本文利用ANSYS软件对屯留煤矿实际问题进行数值模拟，观测巷道在逆断层下盘掘进穿越断层前的巷道顶板应力分布规律及顶板变形特征，为解决过断层巷道顶板支护提供理论依据［1－2］．

1 断层活化下巷道顶板的有限元分析

1.1 屯留煤矿地质条件

以屯留煤矿煤巷过断层前掘进过程为对象，井田内主要断层有北边界文王山南正断层，南边界西魏正断层及其附近东贾、F24、F25正断层，对初期开采无影响。井田北中部有余吾、前苏村逆断层，断距。井田断层较发育，大小断层多达33条，且以逆断层为主。

屯留煤矿逆断层下盘11025#巷道埋深548 m，煤层厚4.0 m，巷道高2.55 m．直接顶为砂质泥岩，厚度为3.7 m，老顶以石英为主，厚度7 m，直接底为砂质泥岩，厚度5 m，老底为中粒砂岩，厚5 m，上覆基岩密度2.6×103N/m3.煤层和围岩分布图见图1.

根据实际的受力情况和节约运行时间，利用二维模型进行建模。具体尺寸为长50 m，高24.65 m，煤层厚度548 m．对模型底部施加水平和垂直方向的固定约束，左右两边约束水平方向。上表面施加垂直载荷13.7 MPa．

1.2 材料特性的确定和网格划分

根据勘探得知屯留煤矿的地质主要由砂岩、泥岩等材料构成［3－4］，根据煤矿行业标准得知，其材料属性见表1.

表1 材料属性表

图1 煤层和围岩分布图

利用ANSYS软件进行二维有限元分析时，其网格划分一般采用三角形网格划分，见图2.

图2 有限元模型网格划分图

2 开挖后有限元分析

在断层的开挖过程中采用沿水平逐渐掘进至断层处，同时为了能够避免工作面在开挖完成后煤层顶板垮落，采用依次开挖的方式，开挖距离分别为12 m、8 m、4 m、2 m、1 m．本文所设定的开挖距离与屯留煤矿实际情况基本一致。本此建立模型分析断层，下面图中所指左高右低的分界面为断层面。通常，巷道开挖沿模拟方向称为逆断层，反之为顺断层，简称断层。下面分析逆断层开挖的情况。

第一次开挖距断层12 m时垂直方向的应力云图见图3，ANSYS软件中以拉应力为正，压应力为负，故以绝对值的大小判定最大应力［5］．由图3可以得出:

下盘距断层12m时巷道超前应力峰值点的应力集中系数ω=δ/α，其中:δ为平均应力值，α为巷道超前应力峰值点的应力，则:

ω=306/166=1.84

图3 距断层12 m时垂直方向的应力云图

同理，不同开挖深度下巷道顶板的应力分布见图4～7．

图4 距断层8 m时垂直方向的应力云图

从ANSYS分析结果可以看出，按照屯留煤矿的实际情况模拟的断层开挖处距离断层面2 m时，巷道顶板集中应力最大且最大应力集中系数为3.22，当开挖处距离断层面12 m时，巷道顶板集中应力最小且最小应力集中系数为1.84，见表2.

图5 距断层4 m时垂直方向的应力云图

图6 距断层2 m时垂直方向的应力云图

图7 距断层1m时垂直方向的应力云图

表2 巷道超前应力峰值点的应力集中系数表

模拟断层开挖的过程发现，随着开挖深度的不断加深，巷道顶板的集中应力呈现逐渐增大的趋势，当开挖距离逐渐靠近断层时，其应力集中系数在断层前方达到最大，当达到断层面时，反而再次减小。这主要是由于随着开挖过程的进行，原煤不断地被开采出来，这样就形成了采空区［6－7］．采空区的出现导致其周围岩石的应力状态发生了变化，失去了开挖前的受力平衡状态。原煤被开采出来后，上覆岩层质量分别由前后方及两侧煤柱及矸石等支撑，形成支承压力，但由于工作面前方断层的存在，导致上下盘的应力不连续，在开挖影响下断层正应力下降，剪应力上升，断层发生“活化”，顶板稳定性变差，工作面支承压力增加［8］．

因此，随着开采的推进巷道顶板的集中应力呈现逐渐增大的趋势，当开挖距离逐渐靠近断层时，其应力集中系数在断层前方达到最大，当达到断层面时，反而再次减小。该仿真结果完整地应用到屯留煤矿巷道的开挖中，为开挖提供了理论与技术保障，实现了有限元分析与矿区实体情况相吻合。

3 结语

本文利用有限元分析软件ANSYS对矿井巷道过断层时顶板破坏特征进行了数值模拟，获得了断层附近巷道顶板的应力分布以及变化情况，为解决过断层巷道顶板支护提供了理论依据。但本文也存在局部缺陷，没有考虑瓦斯的影响，希望今后模拟实际工况时，将这一因素考虑到位。

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［8］牛学超，岳中文，窦波洋．新峪煤矿近距离煤层采空区下巷道顶板破坏特征分析［J］．煤炭技术，2014(3):76－79.

Numerical Analysis of Roadway Roof on Activity of Fault in Tunliu Coal Mine

LIU Mao

In order to solve the problem of roadway roof supporting through fault，uses ANSYS software to analyze the roadway roof stress distribution and roof deformation characteristics before reverse fault footwall tunnelling through the fault．The results show that themaximum stress of roadway roof concentrates on a distance from fault plane 2 m，themaximum stress concentration factor is 3．22．Theminimum stress concentrates on a distance from the fault 12 m，theminimum stress concentration factor is1．84．In thewhole simulation process，the stress transformation rule is that stress concentration zone transfers to driving face ahead，the concentration factor value gradually increasing affected by driving on roadway initialadvancing．With the decrease ofdistance from fault，stress concentration factor increasing to the maximum in front of the fault，then decreasing until to the fault plane．The conclusion provides theoretical basis for roadway roof support crossing fault．

Fault;Roadway roof;ANSYS software; Numerical analysis

TD322

A

1672－0652(2015)09－0030－04

2015－07－24

刘茂(1985—)，男，山西代县人，2005年毕业于山西煤炭职业技术学院，工程师，主要从事煤矿开采技术工作(E－mail)592652621@qq．com