正断层煤层开挖煤岩体的力学特性研究

周 勇，程建圣，张占国，冀超辉

（1.国家能源投资集团有限责任公司，北京 100011；2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001；3.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；4.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

当在煤层断层附近开挖时，开挖区上覆岩体存在冒顶、塌落等安全生产隐患。长期以来，国内外不少学者已注意到断层对开挖的影响。如张景公[1]认为过断层构造带施工中，缺乏有效的临时支护手段和设备，将会引起上覆岩层冒顶或抽冒。张卫强等[2]研究表明，随着开挖区不断接近断层带，断层带附近应力不断集中，等效于对断层带及周围介质组成的系统进行的1个不断加载的过程，达到临界条件，系统发生失稳；赵海军[3]、唐东旗[4]研究表明，断层上下盘开挖将会引起岩体的下移，会导致岩移效应，对施工安全造成危害；蒋建平[5]认为随着隧道离断层距离的不同，隧道两侧受到的应力不同；张健儒[6]、王学忠[7]、李洪等[8]对隧道过断层时的施工工艺进行了探究，为隧道的布置提供依据；与隧道开挖相对应，白海波[9]对逆断层下煤层的安全开采进行了研究。但由于受观察条件的限制，对断层带介质的分布特征缺乏系统的认识。现有的岩层力学特性基本上都是建立在均匀连续介质基础上，没有考虑岩层中存在的不连续面，如节理、裂隙以及断层的影响，而实际上岩层中存在大量的节理裂隙和规模不等的断层，这些不连续面的存在，在采动影响下易于发生“活化”[9-10]，煤顶板岩层难以控制，尤其是当开采区域断层比较发育时，断层对煤岩力学分布规律的影响十分明显[11-13]。正断层是在煤矿开采过程中经常遇到的一类构造，严重影响煤矿开采[14]，因此，研究正断层煤层上下盘开挖煤岩体的力学特性，为正断层煤体开挖的危险性防护提供理论依据。

1 正断层煤层开挖模型

1.1 力学模型的建立

正断层煤层模型长100 m，宽50 m（上部22 m砂岩，中间6 m煤层，下部22 m砂岩），正断层示意图如图1，煤层距离地表大约400 m（按上覆岩体平均密度2 500 kg/m3计），上部施加10 MPa的压力。模型底部固定，左右受拉，取侧压系数0.9，即左右拉应力9.0 MPa。正断层面是弱面，厚1 m，岩体力学性能较低，可塑性较强[15]。

图1 正断层示意图（单位：m）

1.2 基本参数

模型中煤岩体分为3种：砂岩、煤体和断层面，它们的基本参数见表1。

2 数值模拟及分析

以正断层落差为1 m为例，分别对正断层煤层上盘开挖和下盘开挖2种情况下的煤岩体力学特性（最大竖向应力、最大竖向位移、最大水平应力、最大水平位移）进行计算分析。

表1 基本参数

2.1 煤层上下盘开挖数值模拟

从上盘开挖，距断层（水平距离）40 m的竖向应力、竖向位移、水平应力、水平位移、最大主应力、最小主应力如图2。

图2 上盘开挖距断层40 m应力、位移云图

从图2可以看出，随着开挖区与断层之间距离的减小，开挖区周围的竖向应力不断增大，且在与断层同一距离下的竖向应力由开挖顶端向前方逐渐减小，并呈哑铃形放射状分布，即最大竖向应力位于开挖区顶端；随着开挖区与断层之间距离的减小，开挖区周围的竖向位移逐渐增大，且在与断层同一距离下的竖向位移由开挖后方上端顺着开挖方向呈弧状逐渐减小，即最大竖向位移位于开挖后方上端；开挖区周围的水平应力为压应力，随着开挖区与断层之间距离的减小，压应力在开挖区前部呈钳状向未开挖区逐渐减小，即最大水平应力在开挖顶端上边缘，其周围则是拉应力；随着开挖区与断层之间距离的减小，开挖区周围的水平位移在开挖区顶端有向开挖区膨胀的趋势，即最大水平位移在开挖顶端，其余部分则受拉伸长，但伸长量较小。

分别采用上述模型计算分析煤层上盘开挖距断层30、20 m时煤岩体的应力云图和位移云图，上盘开挖区煤岩体应力、位移极值见表2。

表2 上盘开挖区煤岩体应力、位移极值

与从上盘开挖的数值模拟相似，数值计算分析煤层下盘开挖距断层40、30、20 m时煤岩体的应力云图和位移云图，发现其云图的位移和应力分布及变化趋势均与从上盘开挖时相似。下盘开挖区煤岩体应力、位移极值见表3。

表3 下盘开挖区煤岩体应力、位移极值

通过对图2和表2、表3的分析可知：当断层落差1 m时，无论是从上盘开挖还是从下盘开挖，煤岩体的竖向应力、竖向位移、水平应力、水平位移、最大主应力、最小主应力均随与断层距离的减小而增大。又由图2可知，开挖顶端容易应力集中，所以可利用第三强度理论：

式中：σ1为开挖顶端最大主应力；σ3为最小应力；[σ]为砂岩的许用拉应力。

因此，由表2和表3可知，当断层落差1 m时，开挖区越接近断层面，开挖区顶端的相当应力（σ1-σ3）越大，说明开挖进程越靠近断层面越危险。

2.2 上盘和下盘开挖煤岩体力学特性对比分析

煤层上盘和下盘开挖时煤岩体的最大竖向应力、最大竖向位移、最大水平应力、最大水平位移、相当应力对比分析如图3。

图3 上盘和下盘开挖煤岩体力学性能对比

由图3可知，随着开挖区与断层面之间距离的减小，不论是从上盘还是下盘开挖，煤岩体的最大位移、最大应力及相当应力均呈逐渐增加的趋势。水平位移的方向虽不同，但均较小，即对煤层开挖顶端煤岩体的影响较小。水平应力对开挖工作面冒顶和岩体破坏的影响较小。因此，可只需考虑地应力作用的影响，即竖向应力和竖向位移（开挖后上覆岩层的沉降），开挖顶端相当应力是引起开挖工作面冒顶和岩体破坏的主要原因，因此从防止冒顶和开挖顶端岩体破坏的角度来看，可只需分析不同煤岩体竖向位移和开挖顶端相当应力。

由以上可知，与上盘开挖引起的竖向应力、竖向位移和开挖顶端相当应力相比，从下盘开挖均较大，因此当其他变量相同时，从上盘开挖比从下盘开挖更安全。

3 不同断层落差上盘和下盘煤层开挖对比分析

断层落差分别取3、5 m，开挖上盘和下盘煤层时开挖顶端相当应力和竖向位移综合分析如图4和图5。

图4 断层落差3 m

由图4和图5可知，断层落差3 m和5 m时，上盘和下盘开挖时，煤岩体的相当应力和竖向位移与断层落差 1 m 时（图3（b）、图3（e））具有相同的变化规律，即正断层煤层从上下盘开挖时，无论断层落差多大，从下盘开挖时相当应力和竖向位移均比从上盘开挖时大，因此，从下盘开挖将增大煤岩体破坏的可能性，即增大了冒顶、开挖顶端煤岩体塌落的危险性。进而，对存在正断层煤矿安全生产，从上盘开挖较从下盘开挖时安全性更高。

图5 断层落差5 m

4 结论

1）竖向位移和相当应力偏大是引起开挖顶端应力集中的主要原因，也是冒顶的主要原因。

2）当煤层中存在正断层时，从上盘开挖引起开挖顶端的相当应力和竖向位移比从下盘开挖引起的小，且开挖区与断层距离越近，开挖顶端相当应力和竖向位移越大。

3）从预防巷道冒顶和开挖顶端煤岩体破坏的角度考虑，正断层的落差相同时，从上盘开挖较从下盘开挖安全。