不同采高条件下正断层下盘开采支承应力演化与断层活化规律研究

丁 楠 李小裕 蒋力帅

(山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266510)

★ 煤炭科技·开拓与开采★

不同采高条件下正断层下盘开采支承应力演化与断层活化规律研究

丁 楠 李小裕 蒋力帅

(山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266510)

以兴隆煤矿7302工作面工程地质条件为背景，采用连续介质数值模拟，研究了正断层下盘工作面推进过程中，采高对采动应力分布演化规律的影响以及断层活化特征，通过断层带法向应力与切向应力的比值作为判别依据，监测得到下盘工作面开采诱发断层活化规律。研究结果表明：下盘工作面向正断层推进过程中，断层的阻隔效应会造成采动应力的奇异性，不同采高条件对工作面超前支承应力演化规律影响显著； 6 m采高条件下，断层活化发生在工作面推进至距断层40 m处。通过现场实例验证了不同采高条件下，工作面前方支承应力显现与断层的时空关系差异显著，现场实践中，需根据实际工程地质条件进行分析预测，提前布置工作面防冲措施，保证安全高效生产。

正断层下盘开采 支承应力分布 断层活化 采动影响 不同采高工作面

断层是我国煤矿开采过程中常见的地质构造，断层的存在会切割破坏岩层的整体性，影响采动应力的传播，因此工作面在向断层推进时往往会出现明显的矿压显现，工作面超前支承应力峰值突增。一些学者采用数值模拟手段研究了断层煤柱的合理尺寸设置；分析了断层上、下盘工作面向逆断层推进过程中采动应力演化特征、煤层顶板运动特征、断层接触面上法向应力的时空演化规律；研究了导致采场应力异常，诱发冲击矿压的主要因素以及提高巷道支护强度、爆破卸压、降低冲击矿压灾害的施工方法。目前，采高因素对正断层下盘开采的影响研究相对较少，为此，本文采用FLAC3D数值模拟研究不同采高条件下工作面向断层推进过程中超前支承应力演化规律，为类似条件下煤层开采提供相应的理论依据。

1 工程背景与数值模型

1.1 工程背景

兴隆煤矿位于兖州向斜北翼，七采区3#煤层埋深400 m左右，平均厚度8 m，缓斜向赋存，工作面长度约160 m，区内地质条件复杂，落差大于5 m的正断层21条，其中，7302工作面沿肖家庄2#、3#断层布置，其断层落差分别为58 m、51 m，DF9、DF10断层基本平行于工作面煤壁，落差分别为4 m、8 m。

1.2 数值模型

本文以兴隆煤矿七采区7302工作面地质条件为背景，通过三维有限差分数值模拟软件FLAC3D建立正断层下盘工作面向断层推进的数值模型。

模型由断层上盘、下盘以及断层带组成，其中，为保持断层带两侧完整性，防止模型网格变形，采用弱化带模拟断层，倾角为50°。模型如图1所示。

模型尺寸为300 m×260 m×200 m，工作面长度为140 m，埋深400 m，分别设置3 m、4 m、6 m的采高，采煤工艺为一次采全高。倾向两侧各留60 m边界煤柱，断层落差为4 m。本构模型采用摩尔-库伦模型，模型顶部为自由边界，施加6.5 MPa的均布载荷，水平方向施加5.75 MPa的分布载荷，底部垂直方向及左右两侧采用位移限定边界。岩层岩性具体参数见表1。

表1 各岩层岩性参数表

2 采高对正断层下盘开采支承应力演化规律的影响

2.1 采高为6 m时正断层下盘开采工作面超前支承应力演化规律

工作面向断层推进初期，距离断层较远，受断层影响较小，工作面支承应力基本保持不变，保持在25.12 MPa左右。当工作面向前推进至距离断层40 m时，由于断层与煤壁之间的距离减小，顶底板垂直应力及煤层支承压力的集中程度开始增加，工作面超前支承应力随之发生变化。当工作面与断层之间的距离分别是40 m、30 m、20 m时，工作面超前支承应力分布如图2所示。

由图2可知，在有断层构造的条件下进行采掘作业时，其上下盘的应力分布差异显著。工作面采动应力受断层阻隔效应显著。当工作面推进到距离断层40 m时，由于断层切割了顶板的完整性，其阻隔效应开始显现，工作面支承应力开始积聚且升高到26.73 MPa；随着工作面继续向前推进至与断层相距30 m时，工作面与前方断层距离进一步缩小，此时断层阻隔效应更加显著，工作面与断层之间的断层煤柱应力集中程度较高，超前支承应力峰值达到27.30 MPa，如图3所示，此时工作面前方约20 m的断层煤柱已经发生了塑性破坏，剩余10 m断层煤柱未发生破坏。当工作面与断层距离减小到20 m时，此时由于支承应力集中，断层煤柱已发生显著塑性破坏而失去载荷能力，且弹性势能释放，导致工作面前方支承应力突降至22.33 MPa。因此，当工作面距离断层40 m时应提前做好防冲措施，加强工作面及巷道围岩支护，预防动力压力灾害发生。由图3可知，当工作面与断层距离30 m时，前方大部分煤柱已发生塑性变形，当工作面与断层相距为20 m时，前方已完全发生塑性破坏，煤柱失去载荷能力。

图2 工作面向断层推进过程中支承应力分布图

图3 工作面向断层推进时塑性区分布图

2.2 不同采高条件下正断层下盘开采工作面超前支承应力演化规律

不同煤柱宽度下，工作面支承应力峰值情况如表2所示。

由表2可知，当采高为3 m时，在工作面向断层推进前期，超前支承应力基本保持在23.50 MPa左右。当工作面与断层距离减小到20 m时，断层阻隔效应开始显现，此时工作面支承应力为24.20 MPa；当工作面与断层距离减小到15 m时，超前支承应力峰值迅速增加到26.89 MPa；当工作面与断层距离减小到10 m时，断层煤柱发生塑性破坏并释放弹性势能，失去承载能力，工作面支承应力突降为16.78 MPa。当采高为4 m时，其支承应力峰值与采高为3 m时相差不大。因此，在工作面向前推进距离断层20 m时应提前布置防冲措施，预防工作面巷道动力灾害。

表2 不同采高工作面向断层推进过程中支承应力峰值

采高为3 m、4 m和6 m时，工作面向断层推进过程中支承应力峰值变化曲线如图4所示。

由图4可知，工作面向断层推进过程中，当采高为3 m和4 m时工作面超前支承应力变化基本一致，在工作面与断层距离减小到30 m时，断层阻隔效应开始显现，工作面超前支承应力开始集聚，在工作面与断层距离从20 m减小到15 m时，应力峰值增速最快且达到最大值。随着工作面继续推进，煤柱释放弹性势能从而失去承载能力，致使支承应力突降；当采高为6 m时，与采高为3 m和4 m相比，工作面支承应力都相对较高。在工作面与断层距离减小到40 m时，断层阻隔效应开始显现，工作面支承应力开始积聚，到工作面与断层距离减小到30 m时达到最大值为27.30 MPa。3种采高条件下，工作面支承应力峰值都是呈现先减小再增大的趋势。采高为6 m时的工作面比采高为3 m和4 m的工作面超前10 m体现这一规律，但是应力突变曲线相对更缓和。

图4 工作面推进时不同采高支承应力变化曲线

不同采高条件下，工作面前方支承应力显现与距断层距离的时空关系有所差异。当采高为6 m时，工作向前推进距离断层40 m时，支承应力开始集中。而当采高为3 m和4 m时，支承应力集中出现在工作面推进至距离断层20 m时。即相同工程地质条件下，采高不同对工作面超前支承应力显现有明显作用，在现场实践中，需要根据其规律和现场工程地质条件进行分析预测，提前布置工作面防冲措施，保证安全高效生产。

3 采高对正断层下盘开采断层活化规律的影响

为研究断层活化规律，在煤层直接顶板(煤层上方10 m处)断层带中点处取监测点，并在采高为6 m时对其进行检测。下盘开采时断层带应力变化如图5所示。

由图5(a)可知，随着工作面与断层之间的距离减小，监测点处断层带法向应力值逐渐减小。当工作面与断层距离大于50 m时，法向应力比较稳定，维持在13 MPa左右，受开采活动的影响较小。当工作面与断层距离小于50 m时，随着断层与工作面的距离减小，监测点处断层带法向应力迅速减小。由图5(b)可知，监测点切向应力与法向应力的演化规律不同，当工作面与断层距离为40 m时，切向应力值最大为0.41 MPa。当工作面与断层距离在10～40 m时，其演化规律呈漏斗状，当工作面与断层距离由40 m减小到28 m时，监测点切向应力急剧降低并达到最低值0.13 MPa，当工作面与断层距离由28 m减小到10 m时，切向应力值对应增高，最终达到0.38 MPa。

图5 采高6 m时断层带应力变化

为进一步观察断层活化的可能性，取切向应力与法向应力的比值作为考察指标，如图6所示。

图6 采高6 m时切向应力与法向应力比值

由图6可知，断层带切向应力的分布规律与切向应力与法向应力比值的分布规律基本相同，所以在正断层下盘开采时，切向应力对断层活化的影响程度大于法向应力，是影响断层活化的主要因素，因此，当工作面与断层距离为40 m时，煤层直接顶开始活化。在实际开采过程中要及时观察断层带切向应力值，防止煤矿冲击地压事故的发生。

4 应用

断层冲击地压是由于采掘活动引起采动应力异常集中及断层突然相对错动，进而诱发能量突然释放现象。生产实践表明，在断层构造附近开采容易引发冲击地压，冲击危险性较高，且释放大量的能量，破坏能力强，严重威胁矿井的安全生产。

兖州煤业济三煤矿6303工作面采高为6 m，推进到1338 m(下盘工作面距SF28正断层35 m)时，工作面支架压力急剧升高，工作面辅助运输巷内顶板下沉量增加，距工作面煤壁35 m范围内辅助运输巷发生了冲击地压，煤帮瞬间突出1.5～2 m左右，该区域内的设备被掀翻，冲击的位置处于SF28断层的下盘，如图7所示。

图7 济三煤矿6303辅助运输巷冲击地压位置

山东某矿3110工作面采高为4 m，向断层F3110-1和F3109-1推进时，距离断层约20 m的位置，因采动应力与构造应力集中导致冲击地压事故，上出口向外17 m范围内巷道底臌1.7～1.8 m，煤壁片帮严重，有煤块抛出，支架歪斜。冲击地压位置处于断层F3110-1和F3109-1下盘，如图8所示。

图8 山东某矿3110工作面冲击地压事故位置图

下盘工作面在向正断层推进时，断层阻隔效应明显，阻隔了应力传播，在工作面煤壁与断层之间的断层煤柱上形成很高的应力集中，不同采高条件下工作面与断层之间采动应力积聚状态发生改变，表现为不同采高条件下，工作面前方支承应力显现与距断层距离的时空关系有所差异。在现场实践中，需要根据其规律和现场工程地质条件进行分析预测，提前布置工作面防冲措施，保证安全高效生产。

5 结论

(1)正断层赋存条件下，工作面向断层推进过程中，断层会削弱岩层中应力传递的特性，起到断层应力阻隔效应，工作面超前支承应力会发生演化，呈现先降低后升高的规律，在不同的采高条件下，工作面推进至距断层一定距离时，会产生应力峰值最高点，导致断层煤柱发生塑性破坏且失去承载能力。

(2)随着工作面向断层推进，采高为3 m和4 m时的工作面超前支承应力演化规律基本相同；当采高为6 m时，受断层阻隔应力传递效应影响较采高为3 m、4 m时显著，支承应力峰值在不同煤柱宽度下都相对较高，但应力峰值变化曲线较采高为3 m、4 m时相对平缓。

(3)采高为6 m时，当工作面与断层距离为40 m时应加强工作面及巷道围岩支护及钻孔卸压，预防动力灾害。采高为3 m和4 m时，以上灾害可在工作面与断层相距20 m之前布置。

(4)在采动影响下，切向应力是影响正断层稳定的主要因素。在6 m采高条件下，工作面与断层距离为40 m时，断层开始活化。在现场实践中，需要根据实际施工情况，进行监测和防治，防止煤矿事故的发生。

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(责任编辑 郭东芝)

Researchonlawsofabutmentpressureevolutionandfaultactivationinnormalfaultfootwallminingwithdifferentminingheight

Ding Nan, Li Xiaoyu, Jiang Lishuai

(College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510, China)

Taking the 7302 working face of Xinglong Mine as the engineering background, the continuum of numerical simulation was employed to study the effect of mining height on law of mining stress distribution and characteristics of fault activation in the process of working face heading to the normal fault. Based on the ratio of the normal stress and tangential stress on the fault, the law of the induced fault activation was obtained. The results showed that the fault's barrier effect led to abnormality of mining stress and different mining height brought significant influence on evolution laws of advanced abutment pressure. In case that the mining height was 6 m, the fault was activated when the distance between normal fault and working face was 40 m. Validated by field practices, different mining heights had notable effects on the space relationship between the abutment pressure behaviors and the fault in front of working face. In the field practices, the burst control measures should be arranged based on the case-dependent analysis with geological and geotechnical conditions in order to ensure safe and efficient production.

normal fault footwall mining, abutment pressure distribution, fault activation, mining influence, working face with different mining height

丁楠，李小裕，蒋力帅. 不同采高条件下正断层下盘开采支承应力演化与断层活化规律研究[J]. 中国煤炭，2017,43(8)：71-75. Ding Nan, Li Xiaoyu, Jiang Lishuai. Research on laws of abutment pressure evolution and fault activation in normal fault footwall mining with different mining height[J]. China Coal, 2017, 43(8): 71-75.

TD323

A

丁楠(1991-)，男，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，主要研究方向为矿山压力与岩层控制。