工作面过多断层支承压力演化规律研究

摘  要：针对工作面过多断层开采易发生冲击地压等动力灾害问题，以姚桥煤矿7263工作面为原型，采用Flac3D数值模拟软件，对工作面过多断层开采时支承压力演化规律进行研究。研究结果表明：由于断层构造切割阻隔作用，使得工作面向断层推进时，支承压力在断层附近不断增加形成较高的应力集中区，部分应力通过断层传递到对盘，形成“双峰”状应力形态。受上盘开采扰动和多断层构造影响，两断层间围岩应力较初始应力明显升高。

关键词：多断层;采动;支承压力;沖击地压;数值模拟

中图分类号：TD325     文献标识码：A       文章编号：1671-2064（2020）03-0000-00

0 引言

断层的存在破坏了岩层的完整性和连续性，导致断层附近煤岩体初始应力异于常规地应力场，易产生局部附加应力[1]。当工作面向断层推进时，采场上覆岩层应力变化表现出明显的时空特性[2]。特别是当工作面推进至距断层一定距离时，支承压力峰值将达到极限并伴随着巨大能量释放，轻者开采盘易沿断层面发生剪切滑移，重则两盘突发相对错动失稳引起冲击地压灾害事故发生，造成人员伤亡和财产损失[3]。鉴于此，国内外大量学者对断层附近采动应力进行了大量研究，但是对工作面过多断层开采研究相对较少。

因此，本文将采用数值模拟研究方法，模拟工作面过多断层开采时的支承压力演化规律，对保证煤矿合理、安全、高效开采具有重要的指导意义。

1 地质概括

7263综采工作面位于姚桥煤矿西九采区，工作面标高为-627～-708m，走向长度777.2m，倾向长度为253.5m，煤层厚度为2.2～5.2m，平均3.7m。7263工作面中部有两条较大断层（f216∠60°H=8m、f602∠85°H=17m），对工作面开采影响较大，存在较大的冲击危险性，不利于安全开采。

2 Flac3D数值模型

2.1模型建立

根据7263工作面钻孔资料，采用Flac3D模拟软件，模拟工作面过多断层开采时应力演化规律。断层属于复杂的地质构造，为较真实还原现场情况，对模型进行适当调整优化。模型倾向和走向各留设75m和50m保护煤柱消除模型边界效应影响，边界条件设置：采用Fix命令固定模型左右边界和底部边界，模型顶部设置为自由边界施加均布载荷模拟煤层上覆岩层自重载荷（15.25MPa），两盘之间利用Interface命令建立接触面表示断层软弱面。几何模型长500m、宽250m，高120m，模型共有384000单元，412126节点。所构建的多断层构造模型如图1所示。

2.2岩石力学参数

根据现场地质调查及实验室测试结果，初步确定煤岩石力学属性，考虑到井下岩石的复杂性常表现出较高的抗压强度和极低抗拉和抗剪强度，其应力—应变关系也呈现出不规则特征。因此，对相关参数进行适当调整，模拟计算所采用的岩体力学参数见表1。

2.3模拟方案

以模型的左端边界50m位置处为起始点，从左往右依次开采，每次开挖10m待模型平衡后再延续上一工作面进度继续推进直至完全推至模型右端边界。为了便于研究工作面过断层前后支承压力演化规律，通过History命令设置应力检测线并记录工作面开采后应力变化特征。

3 工作面过断层开采时应力演化规律

3.1工作面过f602断层时应力变化特征

根据上述构造模型，分别模拟工作面距f602断层80m、50m、40m、30m、20m和10m等不同位置时超前支承压力分布及其演化规律，超前支承压力云图及应力变化特征曲线如图2和3所示。

（1） 工作面距f602断层80m位置

（2）工作面距f602断层10m位置

根据现场实测，断层是由一条松散破碎岩石、泥岩等充填物组成的破碎带，断层带及其两侧岩体的物理力学特性上具有显著差异，对支承压力的传递起到了一定的阻隔效应。随着工作面逐渐推向断层，支承压力峰值不断增加，应力峰值位于煤壁前方约5m位置处，且支承压力随着工作面推进持续前移并逐渐靠近断层。与此同时，对盘应力也随之增加，故在图3中呈现出一大一小“双峰”状应力曲线。该研究结果与代进教授[4]现场实测结果相吻合，间接证明本次数值模拟的合理性。

当工作面从距断层80m推进至50m期间时，支承压力曲线增幅较小几乎无明显变化，表明当前工作面受断层影响较小，应力峰值由33.7MPa增至35.6MP，应力集中系数由1.92增至2.03，影响范围约为45m。当工作面从距断层50m位置处继续推进时，受采动和断层的影响，应力峰值增幅较为显著。在距断层20m位置时，应力峰值达到最大值，应力峰值由35.6MPa增至43.7MPa，应力集中系数达到2.50，断层剩余煤体内积聚了大量弹性应变能。当工作面继续推进时，应力峰值迅速减小至34.9MPa，应力集中系数只有1.9，断层剩余煤柱的集中应力超过自身极限破坏强度，剩余煤体不再具有承载载荷效应且极易诱发冲击地压等灾害事故发生。因此，当超前支承压力峰值由最大值突然减小前，应停止继续向前开采，将剩余未开采的煤体留设为断层保护煤柱，工作面向下掘巷道过断层的同时，还需加强断层影响范围内巷道、硐室等维护，预防矿压灾害事故发生。

3.2工作面过f216断层时应力变化特征

同理，分别模拟分析了工作面距f216断层90m、70m、50m、40m、30m和20m等不同位置时超前支承压力分布及其演化规律。

受上盘工作面开采和多断层影响，两断层之间围岩应力较初始应力明显升高。当工作面继续向f216断层开采时支承压力变化趋势基本相似，当工作面由距f216断层 90m推进至50m位置时，支承压力缓慢增加且保持着较高水平，应力峰值由34.6MPa增至37.9MPa，应力集中系数由2.0增至2.2。当工作面由距f216断层50m推进至30m位置时，支承压力增幅程度较为显著，且在距f216断层30m位置时，支承压力达到顶峰44.4MPa，应力集中系数增至2.5。当工作面继续推进时，支承压力发生骤降，表明剩余断层煤岩体将不再具有承载效应并发生塑性破坏。此时工作面应停止开采，将剩余煤体留设为断层保护煤柱，工作面过断层时应采取相应的安全措施。

4 结语

大量实践证明，断层附近工作面开采往往具有高冲击危险性，经数值模拟，本文得到如下结论：

（1）随着工作面向断层推进，断层的阻隔效应越发显著，超前支承压力在断层附近不断增加形成较高的应力集中区，并传递到对盘形成一大一小“双峰”状应力状态;

（2）两断层之间形成了局部应力集中区，工作面距f216断层30m位置时支承压力达到顶峰，较工作面距f602断层20m位置时矿压显现更加剧烈;

（3）当断层剩余煤体积聚的弹性势能达到极限时，将不再具有承载载荷效应并发生塑性破坏。使得工作面超前支承压力迅速下降并伴随着大量能量释放，极易诱发冲击地压等动力灾害事故发生。

参考文献

[1]杨继强，张照允，王珂.正断层上盘边角煤开采诱发断层活化规律[J].煤矿安全，2018，49 （12）：204-207+211.

[2]姜耀東，王涛，赵毅鑫，等.采动影响下断层活化规律的数值模拟研究[J].中国矿业大学学报，2013，42（01）：1-5.

[3]宋义敏，马少鹏，杨小彬，等.断层冲击地压失稳瞬态过程的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（04）：812-817.

[4]代进，蒋金泉.上下盘开采顺序对断层煤柱采动应力的影响[J].采矿与安全工程学报，2016，33（01）：35-41.

收稿日期：2019-01-03

作者简介：宋香凯（1987—），男，河北邢台人，本科，主要从事煤矿设计工作。