不同倾角下工作面沿正断层开采断层煤柱应力演化规律研究

丁 楠 马 宁 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)

断层作为常见的矿山地质构造，与采矿活动有着紧密的联系。当工作面布置在断层附近时，由于断层构造破坏原岩应力，造成应力重新分布，局部区域会形成应力集中，冲击地压发生的可能性显著增加。

长期以来，国内外专家学者对断层附近的采矿活动进行了大量的研究，并取得了丰硕的研究成果。孔朋采用数值模拟的方法研究了工作面沿断层走向推进和工作面过断层期间，断层带及工作面特征参数对工作面冲击危险性的影响。代进等研究了回采巷道沿断层边界布置时先采断层上盘或先采断层下盘两种开采顺序下，对断层煤柱采动应力的影响。孔朋等以工作面沿正断层走向布置时断层两侧工作面开采为背景，采用数值模拟研究了下盘工作面接替上盘工作面开采及上盘工作面接替下盘工作面开采时，断层两盘煤柱应力及接替面超前支承应力的演化规律。张国龙等以赵楼煤矿断层下盘一侧采空的11303(东)工作面地质条件为背景，采用数值模拟软件模拟分析了断层下盘工作面背向断层推进时，断层煤柱应力、工作面中部及采空侧断层超前支承应力演化规律。蒋金泉、王涛等采用三维数值模拟方法，分别研究了工作面向正断层和逆断层推进过程中断层煤柱应力演化特征等、煤层顶板运动特征以及断层活化规律。

综上所述，目前对于断层影响区采矿活动的研究主要建立在巷道围岩稳定性、断层煤柱支承应力规律的基础上。对于工作面沿断层走向推进期间断层倾角对煤柱稳定影响研究较少，为此，本文通过FLAC3D数值模拟研究不同断层倾角条件下，工作面沿断层走向回采时断层煤柱应力演化规律，为类似条件下的采矿生产活动提供相应的理论依据。

1 工程背景与数值模拟

1.1 工程背景

赵楼煤矿5310工作面位于矿井中南部，地面标高为+43.87～+44.98 m，工作面煤层底板标高为-748.4～-861.1 m，平均开采深度635～670 m。5310工作面长度130 m(两平巷内帮垂直平距)，工作面平均推进长度634.3 m，为五采区北翼首采工作面。运输平巷沿DF46断层开采，工作面具体布置方式如图1所示。

图1 5310工作面布置图

1.2 数值模拟

以赵楼煤矿5310工作面地质条件为研究背景，通过FLAC3D数值模拟软件，建立工作面沿不同断层倾角推进的数值模型，研究断层煤柱的应力演化规律。模拟断层倾角分别为45°、50°、55°和60°，断层落差12 m，模型尺寸520 m×360 m×220 m，工作面宽度为130 m，埋深650 m。为保证断层带两侧完整性，防止模型网格变形，采用弱化带模拟断层，如图2所示。

本构模型采用Mohr-Coulomb准则，模型顶部为自由边界，施加12.25 MPa的均布载荷，水平方向施加8.75 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。煤岩物理力学参数见表1。

图2 断层模拟模型

岩性 密度/kg·m-3剪切模量/1010Pa抗拉强度/MPa内聚力/MPa内摩擦角/(°)泥岩23400.32.152.525粉砂岩27500.4844.472.330中砂岩27000.3384.194.2628煤13500.31.201.425.2细砂岩27000.4382.152.528断层带20000.000350.400.0015

2 不同倾角上盘煤柱应力演化规律

上盘工作面沿断层开采时，不同倾角条件下断层煤柱宽度为30 m和40 m时垂直应力分布如图3和图4所示。同时，沿工作面倾向布置应力监测线，每5 m布置1个测点，得出不同倾角下煤壁与断层之间不同距离的垂直应力变化曲线，如图5所示。

由图3和图4可知，由于断层对支承应力传播的阻隔作用，上下盘应力分布差异较大。当断层煤柱宽度为30 m和40 m时，煤壁与断层之间的支承应力峰值都随着倾角的增大而增大。当断层煤柱宽度为30 m时，不同倾角下断层煤柱支承应力峰值分别为48.83 MPa、50.23 MPa、51.36 MPa和52.30 MPa；当断层煤柱宽度为40 m时，其应力峰值分别为40.65 MPa、46.51 MPa、47.41 MPa和48.51 MPa；工作面沿断层推进时，工作面煤壁前方超前支承应力沿倾向越靠近断层，应力集中程度越大。由上述分析可知，在相同的断层煤柱宽度条件下，随着倾角的增大，断层煤柱应力集中峰值逐渐变大，冲击危险相应增大。工作面煤壁靠近断层一侧应做好加强支护，保证安全高效生产。

图3 不同倾角下30 m断层煤柱垂直应力分布云图

图4 不同倾角下40 m断层煤柱垂直应力分布云图

图5 上盘不同倾角下胶带平巷距断层不同距离支承应力分布曲线图

上盘工作面沿断层开采时，不同倾角下胶带平巷距断层不同距离支承应力分布曲线如图5所示。由图5可知，不同倾角下当断层煤柱宽度相同时，断层倾角越大其应力集中程度越大。因此，在实际施工过程中，靠近较大倾角的断层构造采掘时要尤其注重冲击地压的防治工作。断层煤柱宽度为30 m时，断层煤柱所受垂直应力达到最高值，之后随着断层煤柱的减小，在高应力作用下煤柱发生塑性破坏并开始卸压。当断层煤柱宽度≥30 m时，应力集中区域在断层煤柱上；当断层煤柱宽度<30 m时，支承应力峰值逐渐向煤壁转移，当断层煤柱宽度为20 m时，最高应力集中区域集中靠近回采巷道，具有冲击地压发生的可能性，因此当工作面沿断层回采时，应在断层煤柱宽度大于30 m的基础上进行施工，保证工作面安全回采。

3 不同倾角下盘煤柱应力演化规律

下盘工作面沿断层开采时，应力监测线布置方式与上盘一致，所得不同倾角下煤壁与断层之间不同距离的垂直应力变化曲线如图6所示。

由图6可知，工作面沿断层下盘开采时，不同断层倾角下断层煤柱应力分布差异显著。当断层倾角为45°时，断层煤柱应力分布呈双峰状且煤壁应力集中程度高于断层侧。当断层煤柱宽度≥20 m时，应力分布基本一致，最高支承应力峰值为25 MPa，当断层煤柱<20 m时，断层煤柱发生塑性破坏，最高应力峰值降为20 MPa，故当断层倾角为45°时，断层煤柱宽度应保证大于20 m情况下进行开采；断层煤柱为50°时，当断层煤柱宽度≥30 m时，煤柱支承应力曲线呈双峰状且最高应力峰值达30 MPa，当断层煤柱宽度<30 m时，煤柱已发生塑性破坏释放弹性能。

因此当断层倾角为50°时，应保证断层煤柱宽度≥30 m；当断层倾角为55°和60°时，断层煤柱支承应力分布呈单峰状且应力峰值曲线分布基本一致，受断层煤柱影响不大。当断层煤柱宽度<30 m时，断层煤柱释放弹性能失去承载能力，此时，应保证断层煤柱宽度≥30 m。

图6 下盘不同倾角下平巷距断层不同距离支承应力分布曲线图

4 结论

(1)工作面沿断层上盘走向推进时，断层应力阻隔效应显著，断层煤柱支承应力峰值随断层倾角的增大而增大，工作面前方应力峰值主要积聚于靠近断层一侧。

(2)工作面沿断层下盘走向推进时，当断层倾角为45°和50°时，煤柱应力峰值曲线呈双峰状，当断层倾角为55°和60°时，煤柱应力峰值曲线呈单峰状。

(3)工作面沿断层走向推进时，上盘断层煤柱支承应力峰值高于下盘且上盘断层煤柱应力峰值受断层倾角影响较大，下盘断层煤柱支承应力峰值受断层倾角影响较小，上下盘断层煤柱宽度应保证不小于30 m。