综放工作面过地堑构造采场围岩状态研究

师皓宇，田 多

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

综放工作面过地堑构造采场围岩状态研究

师皓宇，田 多

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

为掌握综放工作面过地堑构造前后采场围岩状态变化，以34201综放工作面Fs27断层和Fs28为工程背景，采用FLAC3D数值模拟计算方法，计算分析了工作面推过地堑构造前后采场围岩的垂直应力、水平应力、最大主应力、剪应力，可以得出：断层的存在对工作面围岩应力状态影响较大，超前影响距离约为20m左右；断层附近的裂隙带发育高度较大，由拉应力和剪应力共同作用下的裂隙带高度最大可达80m左右，对上覆岩层导水影响较大。针对矿压显现规律与裂隙带发育规律提出过地堑构造的技术措施。

综放工作面；地堑构造；围岩应力；活化高度

采场顶板结构经过近30年的研究后，顶板事故得到了有效的控制[1-3]。断层是影响煤炭开采重要的地质因素，比如冲击地压的诱发、导水通道的形成、顶板事故等[4,5]。长期以来,国内不少学者进行了大量有关断层的相似模拟和数值模拟试验研究[6,7]，诸如大型逆冲断层受逆冲断层覆岩结构、断层“活化”前后工作面覆岩运动特征、矿压显现规律和动力响应特征、“短砌体梁”结构发生切落且沿断层面滑动[8,9]。研究了工作面由断层下盘向断层推进、工作面由断层上盘向断层推进不同阶段的应力变化特征、活化特性等[10,11]。

1 工程背景

中煤平朔集团井工三矿34201综放工作面回采区域位于二采区西部南邻二采区4煤辅运大巷；北邻矿界保护煤柱；西邻一、二采区分界线；东邻二采区34202工作面，如图1所示。34201工作面地质构造复杂，掘进过程中共揭露断层37条，其中落差大于10 m的4条，落差5～10 m的11条，落差小于5 m的22条，本文主要研究较大正断层Fs27和Fs28，其落差分别为15 m和9 m，形成地堑，对工作面的生产有较大影响，如图2所示。34201工作面采用综采放顶煤回采工艺，一次采全高，机采采高3.3 m，循环进度0.8 m，单向割煤，往返一次割一刀。当工作面推过地堑构造期间，降低采高，不放顶煤。为实现综放工作面安全高效通过该地质构造，需要研究工作面推过地堑之前、之中、之后的覆岩活动状态，研究工作面与断层的相互影响，以确定在工作面推进至不同位置时应采取的支护措施[12]。

图1 34201工作面布置图

34201工作面煤层总体赋存稳定，该煤层及围岩属于石炭系上统太原组上部含煤岩段，工作面煤层厚度为4.98～14.21 m，平均8.36 m，为特厚煤层，煤层硬度f=1～3。老顶为平均厚度6.42 m的K3砂岩，直接底板为平均3.49米的砂质泥岩，老底为平均3.54 m的细粒砂岩，如图1和图2所示，岩石力学性质如表1所示。34201工作面东坡向斜核部，断层、裂隙发育，属防治水工作的重点区域，而在该区域地表有一水塘，南北宽约50～145 m，东西宽约260 m，水域面积1.5万m2，平均水深约1m，水量约1.5万m3，在34201主运巷上方南北宽约50 m，掘进过程中主运巷安全通过地表水塘。本文采用FLAC3D的方法研究工作面推过地堑之前、之中、之后的覆岩活动状态，研究工作面与断层的相互影响，以确定在工作面推进至不同位置时应采取的支护措施。

图2 Fs27和Fs28地堑剖面图

岩性ρ/kg．m-1E/GPaσt/MPaC/MPaφ/°粗砂岩251213．614．695．4240中砂岩261814．326．406．8542．7砂质泥岩24789．432．162．7633．46泥岩25808．722．573．9141．78煤层14987．411．592．1637．46

2 综放工作面过地堑构造数值模型

2.1 模型建立

以34201工作面和Fs27、Fs28断层为原型，建立的数值模型，长(x方向)、高(z方向)分别为450 m、150 m，采高为3.5 m(采煤机采高)，模型顶部施加上覆岩层自重应力。岩石的抗压强度一般较其抗拉与抗剪强度高的多，因此本次模型计算采用摩尔-库仑屈服准则。建立计算模型如图3所示：

2.2 边界条件

根据计算模型的实际赋存条件，计算模型的上部边界条件：一般情况下，数值计算的上部边界条件设定为煤层上覆岩层的重量，即：σ=γH，式中：γ—上覆岩层的平均体积力，kN/m3；H—煤层的埋深，m。4#煤层平均垂深约为300 m左右，上覆岩层的平均体积力取27 kN/m3，代入式得：σ=γH=8.1 MPa。下部边界条件：本模型的下部边界条件为底板，简化为位移边界条件，在x、y方向可以运动，z方向为固定铰支座，即v=0。两侧边界条件：本模型的两侧边界条件均为实体煤岩体，简化为位移边界条件，在z方向可以运动，其他方向为固定铰支座，即u=w=0。

3 综放工作面过地堑构造全过程应力状态研究

为研究综放工作面过地堑构造全过程的应力状态，本计算模型从距离Fs28断层100m处开始向前推进，每次推进5m，计算结果如图4～图7所示。

3.1 综放面过地堑之前采场应力状态分析

由图4-A可知，工作面逐步向前推进，在推进至距FS28断层25 m以远时，工作面的推进对断层影响不大，工作面前方的超前应力影响范围约为20 m，最大应力为15 MPa左右，及超前应力集中系数为1.875；如图4-B所示，当工作面推进至距FS28断层25 m时，开动对断层产生影响，Fs28断层面上的垂直应力增至12～15 MPa；如图4-C所示，当工作面推进至距FS28断层15 m时，采场超前应力影响范围增大至30 m左右；如图4-D所示，当工作面推进至距FS28断层5 m时，采场超前应力影响范围增大至40 m左右，前FS28断层下盘围岩的垂直应力降低，降低至7.5 MPa左右，略低于原岩应力，明显低于上盘的垂直应力，表明Fs28断层下盘岩体应力释放，此时应重点控制顶板下沉。

图4 综放工作面推过地堑之前应力状态变化云图

3.2 综放面过地堑期间采场应力状态分析

如图5-A所示，当工作面推过FS28断层5 m时，采场超前应力影响范围增大至50 m左右，Fs28断层下盘岩体的垂直应力继续降低至5 MPa左右，上盘岩体的垂直应力为10 MPa左右，表明此时上下盘已发生错动或离层，应重点监控下盘台阶下沉，加强支护，提高液压支架初撑力，必要时采用木垛或单体支架补强支护，以防止断层下盘整体下沉或冒落。

由于断层结构面的存在，破坏了顶板结构的连续性，其力学效应是采动过程顶板的变形和受力的连续性随之受到影响。对变形连续性的影响主要反映在断层两侧产生差异变形，其显现特征是结构面两侧可能处于不同的受力状态；断层结构面两侧虽处于相同的受力状态，但两侧的受力强度存在明显差异。如图5-B～5-F所示，工作面继续推进时，Fs28断层上盘应力也随之降低，工作面朝前应力影响范围仍为40 m左右，且Fs28断层的下盘继续下沉，上下盘的落差继续加大，由此可造成Fs28断层面裂隙张开，形成导水裂隙，因此推过地堑期间，要密切注意采空区涌水状况，判断断层活化是否导通地面水塘。

图5 工作面过地堑之中采场应力状态图

3.3 综放面过地堑之后采场应力状态分析

如图6-A所示，当工作面推过Fs27断层10 m时，顶板应力分布区域连续，断层上下盘无明显的应力落差，表明此时Fs27断层尚未发生离层错动。如图6-B所示，当工作面推过断层20 m时，应力区域存在跳跃，断层上下盘应力区域不连续，表明此时Fs27断层开始错动，上盘下沉。如图6-C～6-D所示，在此后的工作面推进过程中，工作面超前应力影响范围保持在30～40 m之间，应力峰值在20 MPa，应力集中系数约为2.5，采空区后方的断层上下盘落差仍在加大，表明工作面推过之后，仍要监测采空区涌水情况，如有问题须及时处理。

图6 综放工作面推过地堑之后应力状态变化云图

4 综放工作面过地堑构造覆岩状态研究

由图7-A可知，当工作面推过地堑构造时，在切眼向采空区方向延伸的顶板上方和Fs28断层面附近的垂直应力较小，表明该范围内的应力已经释放，岩体下沉量较大，或者已经发生破坏；在Fs28断层顶板上方20 m内的的断层面有较大的拉应力，最大为1.34 MPa，表明该断层在20 m以内的上下盘可能发生离层。对于岩石材料来说，具有抗压和不抗拉的能力，其抗拉强度非常小。本文模拟研究采用拉应力的大小来确定裂隙带的范围，当其拉应力大于岩层的抗拉强度时就认为岩层发生破坏，当其小于岩层的抗拉强度时则认为没有发生破坏。由图7-B可知，Fs28断层上方70 m范围内的岩体受拉应力作用，部分岩体所受拉应力已超过其抗拉强度，因此初步判断顶板冒裂区域在采场顶板70 m左右。由图7-C可以看出，采场剪应力主要集中在切眼和工作面附近，工作面顶板上方的最大剪应力为8.36 MPa，切眼顶板上方的最大剪应力为6.82 MPa，根据地质资料可知，顶板上方的岩层主要以粗砂岩、泥岩、砂质泥岩为主，其中泥岩最大抗剪强度为6.5 MPa，其他岩性的平均抗剪强度均小于6 MPa，剪应力集中区岩体所受剪应力大于其抗剪强度。因此，在切眼向采空区方向延伸的顶板上方主要受剪切破坏。由图7-D可以看出，采空区顶板上方30 m左右受水平拉应力作用，最大拉应力为3.7 MPa，大于顶板岩体抗拉强度，因此顶板上方30 m以内岩体必然发生拉断破坏，该范围为采场冒落区；顶板上方20 m～70 m之间岩体所受水平压应力小于5 MPa，表明该范围内的水平应力有所释放，可判断顶板上方20～70 m的岩层为可能的裂隙发展区域；顶板上方70 m以上岩体所受水平压应力较大，大于10 MPa，而该范围内的岩体为细中砂岩和砂质泥岩等岩体，平均抗压强度大于40 MPa，因此该范围的岩体未发生破坏，可判断顶板上方70 m以上岩体为弯曲下沉带。

图7 推过地堑后采场围岩应力状态

如图8所示，在切眼附近顶板上方岩体有较大范围的塑性破坏区域，以压剪破坏为主，局部有拉剪破坏；而在采空区顶板上方的岩体产生塑性破坏的高度约为20 m，以拉伸破坏为主；断层面附近有局部的塑性破坏区域，但这些区域范围小、不贯通，可以看出塑性破坏存在的区域与前述拉应力区、剪切应力集中区基本保持一致。

图8 塑性破坏图

根据图7和图8分析，可以得到34201工作面过地堑构造后的采场围岩应力分布特征，如图9所示，当工作面推过地堑构造后，采空区顶板受拉应力破坏，发生拉断破坏的岩体裂隙易张开、贯通，与含水层导通后可能发生突水事故。切眼附近顶板的剪应力集中区发育高度为80 m左右；断层面上裂隙发育高度为70 m，且在顶板上方20 m内断层上下盘呈张开状态，从本次计算分析可知，冒落裂隙带发育区域未与地面水塘导通，即地面水塘对34201工作面生产威胁不大，但仍要加强监测，特别Fs28断层为34201防顶板突水的重点区域，如有异常须及时处理[12,13]。

图9 综放面过断层应力分析图

5 技术措施

根据断层带地质特征，提出了综放工作面推过断层带和绕过断层带两类方案。当断层有突水危险或大面积冒顶危险，应采取绕过断层带方案。当断层无突水危险或大面积冒顶危险，工作面可以直接推过断层带。根据研究，34201工作过断层采用直接推过方案，当断层破碎，易发生冒顶危险时，应考虑采用注浆加固方案。设计注浆方案如图10所示，注浆钻孔开口位置距离顶底板0.5 m处，顶板注浆孔上仰15°，注浆孔孔径及孔深为Φ42 mm×5000 mm，有效注浆深度为(5-1.2)*cos15°=3.67m，设计钻孔间排距为3 m×3.2 m，工作面循环进尺0.8 m，即割4刀煤注浆一次。经测算，该方案顶板加固厚度约为1.9 m～2.73 m，平均2.3 m，能满足支护要求。由于注浆区域内被注介质松软，为提高注浆效果，设计为交错打眼，钻孔交错布置。注浆施工顺序为：一班在架间打眼注浆，一班在架间打眼注浆，其施工顺序为：① 1-1、1-3、……；② 1-2、1-4、……。下一班在架前打眼注浆，其施工顺序为：① 2-1、2-3、……；② 2-2、2-4、……。

图10 注浆钻孔布置示意图

该技术方案在34201工作过断层及其他地质构造工程的应用中取得较好的经济效益和安全效益。

5 结论

以34201工作面过断层Fs27和Fs28地堑构造为工程地质原型，建立数值模型计算分析，得到如下结论：

(1)断层的存在对工作面围岩应力状态影响较大，超前影响距离约为20 m左右；断层附近的裂隙带发育高度较大，由拉应力和剪应力共同作用下的裂隙带高度最大可达80 m左右，对上覆岩层导水影响较大。

(2)从垂直应力变化看，工作面逐步向前推进，在推进至接近断层时(20 m)，开始对工作面产生影响，工作面煤壁内的应力峰值开始增大；当工作面推进地堑构造时，处于采空区的断层上下盘之间开始错动。

(3)根据工作面推过地堑构造后采场围岩的垂直应力、水平应力、最大主应力、剪应力云图，分析了采场围岩应力分布特征及围岩的破坏机理，采空区上方处于拉应力集中区，其主要塑形破坏形式为拉伸破坏，处于切眼斜上方的岩层处于剪应力集中区，主要塑形破坏形式为剪切破坏，且处于剪应力集中区的冒裂区发育高度较大，最大可达80 m。

(4)以本工作面生产条件来看，断层附近冒裂带发育高度未与地面水塘导通，即地面水塘对34201工作面生产威胁不大，生产过程中加强监测，特别Fs28断层为34201防顶板突水的重点区域，如有异常须及时处理。

[1] 彭成. 2004-2008年全国煤矿顶板事故分析[J].中国煤炭, 2010(1): 104-105.

[2] 高平 傅贵. 我国煤矿顶板事故特征及发生规律研究[J]. 工业安全与环保，2014,40(8)：46-48.

[3] 田多，师皓宇，梁兴旺，等. 综放工作面过陷落柱阶段划分及其顶板结构分析[J]. 采矿与安全工程学报，2015,32(1)：49-53.

[4] 孟召平,彭苏萍,冯玉,等.断裂结构面对回采工作面矿压及顶板稳定性的影响[ J]. 煤田地质与勘探, 2006,34(3):24-27.

[5] 朱光丽，张文泉，张贵彬. 采动诱发断层活化导水试验研究[J]. 岩土力学，2017,38(11)：1-8.

[6] 彭苏萍,孟召平,李玉林.断层对顶板稳定性影响相似模拟试验研究[J].煤田地质与勘探,2001,29(3):1-4.

[7] 勾攀峰,胡有光.断层附近回采巷道顶板岩层运动特征研究[J].采矿与安全工程学报,2006,23(3):285-288.

[8] 赵善坤. 采动影响下逆冲断层“活化”特征试验研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2016,33(2):354-360 .

[9] 姜耀东,王涛宋,义敏. 煤岩组合结构失稳滑动过程的实验研究[J]. 煤炭学报，2013,38(2)：177-182 .

[10] 李志华,窦林名,陆振裕，等. 采动诱发断层滑移失稳的研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2010,27(4):499-504 .

[11] 师本强，侯忠杰. 覆岩中断层活化突水的力学分析及其应用[J]. 岩土力学 ，2011,32(10)：3053-3056.

[12] 王琦，李术才，李智. 煤巷断层区顶板破断机制分析及支护对策研究[J]. 岩土力学，2012，33(10)：3093-3012.

[13] 张忠温. 平朔矿区两柱掩护式放顶煤支架适应性研究[J]. 煤炭科学技术， 2011,39(11):31-35.

StudyonStressStateofStopeSurroundingRockinFullyMechanizedTopCoalCavingWorkingFacePassingbyGrabenStructure

SHI Hao-yu, TIAN Duo

(SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao, 065201,China)

For mastering the changes of stope surrounding rock state before and after fully mechanized caving face passing by graben structure，taking fault FS27 and fault FS28 in 34201 working face as engineering background, using FLAC3DNumerical simulation calculation method，this paper calculated and analyzed vertical stress & horizontal stress & maximum principal stress & shear stress of stope surrounding rock before and after fully mechanized caving face passing by graben structure, the following conclusion can be drawn: the existence of graben structure has a great influence on the stress state of surrounding rock，the advance influence distance is about 20m；the fracture zone near fault is highly developed，the maximum height of fracture zone is about 80m under the combined action of tensile stress and shear stress，it has great influence on overlying strata water transfer. According to law of strata behavior and the development law of fracture zone, the technical measures of passing by graben structure are put forward.

Fully Mechanized Top Coal Caving Working Face; Graben Structure; Surrounding Rock Stress; Activated Height

2017-05-27

国家自然科学基金重点项目(51234005,51434006),廊坊市科学技术研究与发展计划自筹经费项目(2016011035)

师皓宇(1979-)，男，内蒙古化德县人，华北科技学院安全工程学院讲师，中国矿业大学(北京)在读博士，主要从事采场围岩应力、巷道支护、数值模拟等方面的研究工作。E-mail:shihaoyu2000@163.com

TD323

A

1672-7169(2017)04-0008-07