断层影响区煤厚变异带对煤岩动力灾害的影响分析

谯永刚

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

断层作为煤矿生产中一种常见的地质构造，它不仅破坏了煤层的连续性、完整性与可采性，还会诱发重大的恶性事故，威胁煤炭的安全回采。大量研究表明[1-6]，断层周围构造应力集中区域通常会出现较为发育的构造煤以及封闭着高能瓦斯，为煤与瓦斯突出创造了良好条件。在采掘过程中，所形成的高采动应力使煤岩体易于发生失稳破坏，同时由于卸载的作用，会造成瓦斯大量解吸而异常涌出，这就会诱发煤与瓦斯突出、冲击地压、瓦斯爆炸等煤岩动力灾害。如，阜新孙家湾煤矿“2·14”特大事故，直接原因是断层构造诱发了冲击地压，导致瓦斯异常涌出而发生瓦斯爆炸。另外，在形成断层的地层运动中，煤层会发生塑性流动，造成断层影响范围内出现煤层厚度变异区，在煤厚变异区与断层叠加作用下往往会出现地应力异常，在煤层回采期间更容易引发煤岩动力灾害[7-8]。目前大多数研究把断层、煤层厚度进行单独考虑，而没有充分考虑断层与煤层厚薄突变的叠加作用。如，李志华[4]通过相似模拟实验分析了开采上下盘对超前支承压力、顶板下沉量等影响。孟召平、彭苏萍等人[5-6]通过现场观察和数值模拟等方法分析了采动影响下断层带应力场的变化。孙振武[7]通过数值模拟研究了原岩应力状态下煤厚变异区垂直应力的分布规律。赵同彬[8]研究了煤厚变异区内发生冲击地压的力学机制，初步探讨了超前支承压力对煤厚变异区的影响。为此，以潘一矿1361（3）工作面为工程背景为，针对邻近F5断层回采时发生的煤与瓦斯突出事件展开详细分析，利用FLAC3D数值模拟分析邻近断层由厚煤区向薄煤区和由薄煤向厚煤区回采时，工作面超前移动支承压力的分布规律，这将对煤岩动力灾害预警与防治提供一定的理论依据。

1 潘一矿煤与瓦斯突出共性因素分析

潘一矿是典型的煤与瓦斯突出矿井，位于潘集背斜南翼及东南部转折端南翼。地层走向自东向西为 N30°E-N60°W，倾向 SE-SW，倾角由浅入深逐渐变缓。井田内以斜切张扭性断层为主，压扭性断层次之。自1979年到1997年在一水平共发生煤与瓦斯突出14次，采用克里金插值方法生成煤层等厚线图，通过统计分析事故发生地点的地质因素（图1），事故大多集中在煤厚变化较大的区域与F4、F5断层构造附近。也就是说，断层、煤厚变化突变或二者叠加作用是煤与瓦斯突出的主要影响因素。

图1 潘一矿一水平13-1煤层厚度等值线与突出点分布图

2 1361(3)工作面煤与瓦斯突出典型事故分析

2.1 事故工作面概况

在众多突出事件中，选取其中1件典型的突出案例展开研究，即1986年11月14日在1361（3）工作面回采时发生的煤与瓦斯突出事件。

1361（3）回采工作面主采煤层13-1，煤层倾角为6°，煤厚2.02～8.18 m，平均4.44 m，变异系数25.26%，可采性指数为1，较稳定。煤层结构由简单至复杂，半数以上见煤点有1~2层夹矸，夹矸为炭质泥岩、泥岩；煤层有东厚西薄、下厚上薄的趋势。该工作面近邻F5逆断层，此断层为跨潘一、潘三井田及西北部边界断层，其产状为自东向西，走向SEEW-SW，变化较大，倾向由SW逐渐变为SSE，落差20～80 m，井田内水平延展长度约8 000 m，贯穿井田东西。断层面有扭曲现象，断层破碎带一般宽3~5 m，带内多为黏土岩屑及煤屑充填。断层两盘煤岩层牵引明显，断层附近煤岩倾角明显增大至50°以上，但影响范围不大，一般不大于50 m。具体突出事件发生位置如图2。

图2 突出事件位置

钻孔柱状图如图3。工作面距离距离地表540 m，13-1煤层直接顶岩性多以泥岩和砂质泥岩为主；底板为泥岩、砂质泥岩；基本顶岩性以粉砂岩、细砂岩为主，致密性较好，对煤层瓦斯具有良好的封存作用。

图3 钻孔柱状图

2.2 事故分析

F4断层为斜切平移正断层，F5断层为压扭性逆断层，压扭性断层主要受水平压应力挤压作用，该类断层附近往往存在较大的构造应力，可以有效地封存瓦斯。2断层的形成说明此区域经过较为强烈的地质运动，会产生煤层厚薄变化带。从突出事件的统计来看，煤层厚度变化剧烈区域与断层构造附近的叠加影响区是煤岩动力灾害的多发危险区域。

3 断层与煤厚变异影响区应力分布规律

3.1 原岩地应力环境

潘一矿-530 m水平的最大主应力值为17.14 MPa，方位角 235.4°，倾角为-3.0°；中间主应力为自重应力，应力值为10.01 MPa；最小主应力为近SN向水平应力，应力值为7.38 MPa[9]。可见，潘一矿地应力以水平压应力占优。

3.2 数值模型

模型尺寸为 x×y×z为 600 m×100 m×100 m，煤岩层倾角取为0°。模型底部固定，顶端施加垂直向下载荷10 MPa，模型四周施加法向正应力与切向剪应力。本构模型采用Mohr-Column,数值模型如图4。取断层落差30 m，选取8 m长的煤厚变异区为研究范围，变异区煤厚由5 m变为3 m。重点分析临近断层区域且由厚煤向薄煤带回采以及由薄煤向厚煤带回采过程中煤厚变异区附近的垂直应力分布规律。参考工程实际背景，确定顶板初次来压30 m，周期来压20 m。模型中的煤岩力学参数见表1。

图4 数值模型

表1 力学参数表

3.3 结果分析

3.3.1 靠近断层且由厚煤向薄煤区开采

工作面向薄煤层方向回采垂直应力分布规律如图5。在断层上盘且回采工作面由厚煤向薄煤区推进过程中，当工作面距煤厚变异区10 m左右时，超前工作面的变异区且临近变异区的薄煤层出现了高度应力集中，垂直应力峰值达到28 MPa左右，此时主要是煤厚变异区对采场应力场的影响；当推进至变异区时，超前工作面应力峰值前移至变薄临界点与薄煤层中，应力集中范围增大，应力峰值达到29 MPa左右，此时断层对采场应力场的作用开始显现；当工作面进入变异区时，超前工作面应力峰值前移至薄煤层中，并超过了30 MPa，主要是受到煤厚变异区与断层对采场应力场的叠加作用影响。当工作面越过变异区时，完全在薄煤层开采过程中，超前工作面应力在断层附近产生集中现象，此时主要受到断层对采场应力场的影响。

3.3.2 远离断层且由薄煤向厚煤区开采

在断层上盘且回采工作面由薄煤向厚煤区推进过程中垂直应力分布规律如图6，当工作面在距离变异区28 m处时，煤厚变异区出现应力集中，超前应力峰值达到18 MPa左右，但断层对超前工作面应力场无影响，主要是对下盘断层带附近产生了很大影响，出现了高度应力集中现象；当工作面距离变异点20 m时，煤厚变异区的应力峰值达到20 MPa；当回采至变异区与越过变异区时，超前工作面应力集中带前移至厚煤层中，应力峰值不超过25 MPa。

3.3.3 工作面应力分布规律

超前工作面垂直应力分布曲线图如图7。由图7（a）可知，在厚煤层回采且远离煤厚变异区时，即当工作面距离煤厚变异区大于20 m时，工作面前方应力峰值相对较小，煤厚变异区与断层对采场应力场无明显作用；当邻近煤厚变异区回采时，即当工作面距变异区距离小于20 m时，煤厚变异区对工作面前方的应力场产生影响，此时断层并无明显作用，应力曲线呈“双峰”形态，即在变异区附近位置出现应力突然升高，随后在该位置前方迅速下降，最终应力在薄煤层中升高至峰值；当工作面推进至变异区时，逐渐靠近断层，断层对采场应力场影响开始显现，超前工作面应力峰值增加；当越过变异时，断层对采场应力场的影响起主导作用，此时应力曲线呈现“单峰”形态，应力峰值有所下降。

由图7（b）可知，在薄煤层回采且远离变异区时，即距离断层20 m时，此时正远离煤厚变异区20 m，断层与煤厚变异区对采场应力场影响很小，应力峰值较小。当工作面距离变异区10 m时，受到变异区影响有所显现；当回采至变异区时，在变异区内出现了应力升高，随后应力下降，在厚煤层达到应力峰值，应力曲线呈“双峰”形态；当工作面越过变异区进入厚煤层时，工作面应力峰值增大，但对比向薄煤层方向开采时，其峰值较小。

图5 工作面向薄煤层方向回采垂直应力分布规律

图6 工作面向厚煤层方向回采垂直应力分布规律

综上所述，从应力场的角度出发，靠近断层由厚向薄煤层开采较远离断层由薄煤向厚煤层开采时，应力集中程度更高，更容易使得煤岩体发生失稳破坏，破坏过程中会造成大量的瓦斯解吸，进而诱发煤岩瓦斯动力灾害。因此，应该尽量使工作面远离断层以及由薄煤层向厚煤层开采。

4 结论

1）煤层厚度变化剧烈区域与断层构造附近通常存在应力与瓦斯异常现象，尤其二者的叠加耦合作用更易诱发煤与瓦斯突出灾害，成为煤岩瓦斯动力灾害的高危区域。

图7 超前工作面垂直应力分布曲线图

2）在回采阶段，靠近断层由厚向薄煤层开采较远离断层由薄煤向厚煤层开采时，超前工作面应力集中程度更高，更易使得煤岩体发生失稳破坏，引发煤岩瓦斯动力灾害。