薄煤层工作面对断层活化的数值模拟研究

郝瑞云, 郭五平

(山西煤炭进出口集团 科学技术研究院有限公司,太原 030006)

薄煤层工作面对断层活化的数值模拟研究

郝瑞云, 郭五平

(山西煤炭进出口集团 科学技术研究院有限公司,太原 030006)

针对煤层较薄而顶板较厚较坚硬的情况,在回采工作面推进过程中对断层活化的影响。采用数值模拟方式进行分析,通过对不同推进距离、顶板管理方式、断层倾角、断层内摩擦角、断层内聚力进行比较研究,得到采取放顶充填方式,断层内聚力为2 MPa,活化起始推进距离为90 m,断层活化深度为21.5 m。不采取放顶充填方式,断层内聚力为0.5 MPa,活化起始推进距离为60 m,断层活化深度为52.1 m,断层面破坏严重,有可能形成导水通道。

薄煤层;断层活化;内摩擦角;推进距离

我国煤矿企业存在特别严重的安全问题,断裂构造严重制约着矿井的安全生产,尤其是中小断层的危害影响更为多发[1-2]。断层附近的应力分布有很大的不同,开挖的扰动会引起断层周边的位移场、塑性区及应力场重新分布[3]。孟召平、彭苏平[4-5]采用空隙观测、显微预裂以及力学实验的方法,对正断层周围岩层的物理力学进行了研究,并通过数值模拟实验对正断层周围岩层的应力分布状态进行了深入的研究。孙玉宁[6]等人经过长期实验研究发现:岩层顶板的垮落现象与断层有着一定的联系。王金安[7]利用数值模拟的手段,研究了开采地层中由于断层构造引起的地表沉陷现象,采用经典概率积分法有效地预测了地层受到断层影响之后的地表沉陷量大小。目前国内鲜有对工作面前方遇到断层的现象进行深入研究,以及未能对回采工作面前方断层进行危险评定。本文针对鹿台山矿普采面过断层问题,采用及数值模拟的手段对工作面断层活化影响进行分析研究,从理论上为薄煤层工作面过断层提供指导。

1 工程地质背景

鹿台山矿2号煤厚度在1.57 m～2.04 m之间,平均厚度约为1.97 m,工作面走向长度约为1 401 m,倾向长度约为217 m。通过钻孔揭露状况以及探测结果可知,在对一采区首采面2201工作面进行开采时会遇见若干断层,主要包括推进距离984 m处5 m落差的正断层以及若干小正断层。在进行巷道掘进与工作面回采的同时,将对施工造成一定的影响。表1为9#煤层岩石力学参数表。

表1 岩石物理力学试验成果表Table1 Rock physical and mechanical test results

2 数值模型的建立

本次数值模拟采用FLAC3D5.00对影响断层活化深度的因素进行分析[8-10]。以下为本次数值计算模型的建模方法:

由于鹿台山煤矿地层倾角较小,假定模型内各地层水平,厚度均匀,岩层内部各向同性,并根据煤层顶底板岩层的物理力学参数表建立研究范围内的井田模型。模型共35 800个单元体,尺寸为长×宽×高=286 m×2 m×86 m,其中煤层厚度1.3 m。断层落差取已知最大的断层落差5 m,并采用库伦滑动分界面(Interface)进行模拟。模型网格采用莫尔-库伦本构模型进行分析计算,考虑重力g=-9.81 m/s2。模型边界条件为:底部固支,侧面限制水平位移,上部利用应力边界来模拟上覆岩层对模型的压应力。

本次数值模拟共建立如表2所示的3种不同参数的数值模型,以分析采空区管理方法和断层本身性质对断层活化深度的影响。

表2 三种断层活化数值模型参数表Table2 Parameters of three fault activation models

3 数值模拟结果

3.1充填对断层活化的影响

图1 模型1开挖30 m模拟结果图Fig.1 Simulation results of mining 30 m of Model 1

图2 模型1开挖90 m模拟结果图Fig.2 Simulation results of mining 90 m of Model 1

图1为模型1开挖30 m模拟结果图,图2为模型1开挖90 m模拟结果图。断层内聚力取0.5 MPa,开挖30 m即对采空区进行充填,以防止老顶悬露面积过大。工作面推进30 m时,采空区对原岩应力的扰动未达到断层,未对断层产生显著影响。此时断层内最大剪应力为0.73 MPa,未开始活化。工作面推进60 m时,采空区对原岩应力的扰动已达到断层,对断层已产生一定影响。此时断层内最大剪应力为3.24 MPa,但未超过断层极限剪应力,断层未开始活化。工作面推进90 m时,采空区松动圈已包络断层,此部分断层附近垂直应力近似于0,而水平应力还维持在5 MPa～15 MPa之间,二向应力之差使得断层内最大剪应力峰值达到13 MPa左右,超过断层极限剪应力,断层开始活化,断层剪切运动方向为上盘上升,活化深度为0 m～31.2 m。

3.2不充填对断层活化的影响

图3 模型2开挖30 m模拟结果图Fig.3 Simulation results of mining 30 m of Model 2

图4 模型2开挖90 m模拟结果图Fig.4 Simulation results of mining 90 m of Model 2

图3为模型2开挖30 m模拟结果图,图4为模型2开挖90 m模拟结果图。断层内聚力取0.5 MPa,不对采空区进行充填,因9号煤较薄(1.3 m)而顶板较坚硬且较厚(石灰岩8.6 m,砂质泥岩7.0 m),采空区内极易形成大面积老顶悬露。工作面推进30 m时,采空区对原岩应力的扰动未达到断层,未对断层产生显著影响。此时断层内最大剪应力为0.74 MPa,未开始活化,类似于模型1。工作面推进60 m时,采空区对原岩应力的扰动已达到小部分断层,对小部分断层已产生一定影响。此部分断层附近垂直应力约为20 MPa,而水平应力约为6 MPa,二向应力之差使得断层内最大剪应力峰值达到5.31 MPa左右,超过断层极限剪应力,断层开始活化,断层剪切运动方向为上盘下降,活化深度为18.9 m～24.0 m。工作面推进90 m时,采空区松动圈已包络全部底板断层,此部分断层附近垂直应力近似于0,而水平应力还维持在3 MPa～12 MPa之间,二向应力之差使得断层内最大剪应力峰值达到11 MPa左右,超过断层极限剪应力,断层开始活化,断层剪切运动方向为上盘上升,活化深度以达到模型下部边界,即>52.1 m。

3.3内聚力对断层活化的影响

图5为模型3开挖30 m模拟结果图,图6为模型3开挖90 m模拟结果图。断层内聚力取2 MPa,开挖30 m即对采空区进行充填,以防止老顶悬露面积过大。工作面推进30 m时,采空区对原岩应力的扰动未达到断层,未对断层产生显著影响。此时断层内最大剪应力为0.72 MPa,未开始活化,类似于模型1。工作面推进60 m时,采空区对原岩应力的扰动已达到断层,对断层已产生一定影响。此时断层内最大剪应力为3.24 MPa,但未超过断层极限剪应力,断层未开始活化,类似于模型1。工作面推进90 m时,采空区松动圈已包络断层,此部分断层附近垂直应力近似于0,而水平应力还维持在5 MPa～13 MPa之间,二向应力之差使得断层内最大剪应力峰值达到12 MPa左右,超过断层极限剪应力,断层开始活化,断层剪切运动方向为上盘上升,活化深度为0 m～21.5 m。

图5 模型3开挖30 m模拟结果图Fig. 5 Simulation results of mining 30m of Model 3

4 结论

1)采取放顶充填方式,断层内聚力为0.5 MPa,活化起始推进距离为90 m,断层活化深度为31.2 m;断层内聚力为2 MPa,活化起始推进距离为90 m,断层活化深度为21.5 m。

图6 模型3开挖90m模拟结果图Fig.6 Simulation results of mining 30m of Model 3

2)不采取放顶充填方式,断层内聚力为0.5 MPa,活化起始推进距离为60 m,断层活化深度为52.1 m,断层面破坏严重,有可能形成导水通道。

3)针对煤层较薄而顶板较厚较坚硬的情况,采空区顶板管理方法和断层自身性质为断层活化深度的主要影响因素,工作面在过断层时应采区放顶措施对采空区进行填充,降低断层的活化对工作面的影响。

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NumericalSimulationofFaultActivationonThinCoalSeamWorkingFace

HAORuiyun,GUOWuping
(InstituteofScienceandTechnologyCo.,Ltd.,ShanxiCoalImport&ExportGroup,Taiyuan030006,China)

With thin coal seams as well as thicker and harder roofs, the caving face was affected by fault activation in the advancing process. Numerical simulation was used to compare the different advancing distances, roof management approaches, fault inclination angles, fault internal friction angles, and fault cohesion. The results show, with the top coal filling method, the cohesive force is 2 MPa, the starting advancing distance of the fault activation is 90 m, and the depth is 21.5; without the top coal filling method, the cohesive force is 0.5 MPa, the starting advancing distance of the fault activation is 60 m, and the depth is 52.1.In addition, since the fault face is severely damaged, it is possible to form water channels.

Thin coal seam; Fault activation; internal friction Angle;forward distance

1672-5050(2017)03-0015-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.005

2017-04-03

郝瑞云(1989-),男,山西交城人,硕士,从事煤矿安全管理工作。

TD823.81

A

(编辑:刘新光)