深井综采工作面过断层应力演化及岩层移动规律研究

王文杰，陈希凝

(1.山西潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿，山西 长治 046000；2.山西高河能源有限公司，山西 长治 046000)

煤系地层中存在不同类型的断层，导致岩体连续性遭到破坏，给煤炭资源开采带来诸多困难。随着工作面的推进，与断层的距离逐渐减小，断层受工作面采动影响损伤破裂加剧，采场覆岩运动特征与矿山压力显现情况较正常开采有明显差异[1-4]。针对断层对综采工作面开采的影响研究，王沉等[5]采用数值模拟结合现场实测，揭示了断层超前工作面活化、断层区域内煤壁片帮的特点；王兆会等[6]分析了断层构造处稳定性的影响因素及控制措施，得出断层构造处工作面前方煤体塑性破坏区的扩大增加了揭露前煤体损伤程度，为煤壁片帮发生奠定了基础；杨随木等[7]、焦振华等[8]、王存文等[9]通过研究断层对采动应力的影响特征及工作面过断层过程中覆岩的滑移规律，得出断层在高位地层中活化优先于低位地层，能量逐渐积聚后在工作面推进至断层附近时易引发冲击矿压等动力灾害；王爱文等[10]基于覆岩空间结构失稳与断层活化耦合致灾原理，分析了巨型逆冲断层下盘煤层开采采场覆岩运动过程，得出了断层面的应力变化规律。

尽管已有学者对工作面过断层安全开采展开研究，但针对工作面过断层应力传播及岩层移动情况的研究较少。为实现煤炭及伴生资源绿色开采，本文采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法分析综合机械化开采工作面过断层的应力演化及岩层移动规律，为实现煤矿安全、高效、绿色开采提供科学依据及技术指导。

1 研究背景

AB煤矿W1319工作面走向长度1 030 m，倾向长度110 m，地面标高+45～+47 m，工作面底板标高为-776.7 m左右。工作面主采3号煤层，平均厚度3.0 m，最大采高可达3.8 m，采用综合机械化走向长壁采煤法开采煤层，垮落法管理采空区顶板，在W1319工作面中存在F1302-6逆断层，断层倾角为70°，最大落差为1.5 m，该断层严重影响了工作面正常开采。煤层地质综合柱状图如图1所示。

2 断层对开采影响理论分析

随着工作面与断层的距离减小，断层逐渐活化，断层附近基本顶及其他关键层受采动影响后较为破碎，断裂的基本顶岩块Ⅰ向采空区翻转，并形成三铰拱，岩块滑落方向与力的作用方向相反，断层力学模型如图2所示。

根据砌体梁理论、三铰拱平衡原理，断面所受的正应力N、剪应力F、内摩擦角φ及断裂角θ表达式为式(1)～式(3)。

N=Tcosθ-Rsinθ

(1)

F=Rcosθ+Tsinθ

(2)

(Tcosθ-Rsinθ)tanφ≥Rcosθ+Tsinθ

Tsin(φ-θ)≥Rcos(φ-θ)

R/T≥tan(φ-θ)

(3)

式中：T为水平推力，N；R为剪切力，N；φ为顶板岩块内摩擦角，(°)；θ为岩块断裂角，(°)。

图1 煤层地质综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam geology

图2 断层力学模型Fig.2 Mechanical model of fault

当工作面推进至断层附近时，受构造应力的影响，断面正应力N增大，剪应力F减小，断裂角θ较小，而断层周边岩块的内摩擦角φ变化不大，根据三铰拱平衡原理，采空区上方断裂顶板难以达到平衡状态，易发生滑移、回转，断层周边覆岩较破碎，顶板岩块断裂较为频繁，一定距离内，断裂岩块较正常情况下增多，岩块铰接后稳定性差、承载能力弱[11]，因此工作面推过断层前矿压将会异常显现。当工作面推过断层后，断层上盘覆岩形成悬臂梁结构，断层切断了上下盘联系，下盘覆岩对工作面的影响作用骤减，工作面矿压显现异常程度减弱。

3 数值模拟及其结果分析

根据W1319工作面的工程背景，建立宽240 m、高96 m的数值模拟模型，模型中设置断层弱面宽度为1 m，断层两侧落差1.5 m，F1302-6断层距离模型左侧128 m，通过模拟工作面推过断层过程中应力的演化及传播规律、岩层运动情况，模型顶端为厚度725 m的第四系松散层，因此在模型顶端加18.13 MPa的松散层等效载荷，约束模型两侧及下边界位移，模型上边界可自由移动，模型块体采用Mohr-Coulomb模型，节理采用残余强度滑移模型。为准确表现煤岩体的块体结构，煤层及直接顶岩层、断层软弱面选用Voronoi块体作为基本单元[12]，自模型左侧50～190 m为开挖区域，模型两侧各留设50 m边界煤柱，各岩层的参数见表1，数值模拟模型见图3。

模拟工作面推进78 m的揭露断层，其中工作面过断层过程中应力演化及覆岩运移状态如图4所示。

表1 岩层参数表Table 1 Rock formation parameters

图3 数值模拟模型Fig.3 Numerical simulation model

图4 工作面覆岩运移及应力分布模拟结果图Fig.4 Simulation results of overburden migration and stress distribution in working face

工作面距断层一定距离时，受断层影响，基本顶及其他关键层断裂频繁，对覆岩承载能力减弱，工作面上方直接顶岩层较破碎，煤壁出现片帮现象，工作面前侧上方覆岩发生回转下沉，且断层破坏覆岩的连续性，回转下沉后断层下盘应力释放显著，工作面上方形成锥形应力释放区，该区域应力为4.5 MPa，而断层上盘受断层弱面阻隔，应力积聚量小于正常情况；工作面继续推进，煤壁片帮加剧，顶板破碎严重，易发生冒顶事故，超前应力峰值出现在煤层前方1.6 m，应力值为63.7 MPa，此时断层下盘应力释放，断层上盘应力积聚，断层弱面内应力大小接近原岩应力水平；工作面继续推进至揭露断层，此时断层弱面及直接顶岩块破碎严重，超前应力峰值出现在断层上盘，在巨大矿山压力作用下，顶板下沉量较大，工作面高度有所减小，断层下盘采空区上方处于应力释放状态，而断层上盘沿断层表现为应力积聚，上下盘应力值相差5个梯度，表明断层可对应力传播起到阻隔作用；工作面推过断层后，顶板仅发生轻微破碎，片帮程度明显减轻，采空区上方均处于应力释放状态，而断层下盘应力释放量较断层上盘释放量大。工作面过断层前后塑性区发育情况数值模拟结果如图5所示。

由图5可知，工作面推过断层前覆岩处于拉伸破坏状态区域呈“漏斗”形分布，最大破坏高度为54.5 m，拉伸破坏程度自下而上递减，直接顶、基本顶塑性破坏严重，工作面前侧上方处于正在发生塑性破坏，破坏超前工作面16.5 m，断层软弱面内塑性破坏严重，断层上盘仅发生轻微破坏；当工作面推过断层后，断层下盘在巨大的矿山压力作用下，呈拉伸破坏、塑性破坏，工作面前侧上方覆岩破坏程度较过断层前明显减轻，破坏范围减至9.4 m，断层对破坏有明显的阻隔作用。在煤层、直接顶、基本顶、基本顶上方细粒砂岩(根据组合梁理论，该岩层为关键层)、模型顶端细粒砂岩中设置测线1～测线5，以便监测煤层超前应力状态及覆岩竖向位移情况，以模拟岩层移动情况，通过导出测线2～测线5竖向位移数据，绘制出工作面过断层后各岩层下沉曲线(图6)。通过导出测线1在工作面推进距离断层分别为30 m、15 m、揭露断层、推过断层15 m、推过断层30 m的应力数据，绘制出工作面开挖过程中超前应力曲线(图7)。

图5 工作面过断层前后塑性区发育数值模拟图Fig.5 Numerical simulation of plastic zone development before and after the working face passes through the fault

图6 工作面过断层覆岩下沉曲线图Fig.6 Subsidence curve of working face through fault overburden

由图6可知，工作面推过断层之后，断层两侧竖向位移有一定落差，落差值随着层位靠上而递减，其主要原因是工作面推过断层前矿山压力较大，垮落的顶板在巨大的矿山压力作用下被压实，而工作面推过断层后，下盘影响骤减，矿压减小，垮落后的顶板未被完全压实，破碎岩体间存在大量空隙，故顶板

图7 工作面过断层过程中超前应力分布曲线图Fig.7 Distribution curve of pre stress in the process of working face passing fault

的竖向位移量相对较小。由图7可知，有断层发育的工作面从开切眼向前推进，超前应力影响范围较大，距工作面30 m左右时，受断层影响，超前应力峰值异常增大，而当工作面推过断层后，超前应力峰值大幅减小。工作面自开切眼开始应力上升至应力平稳阶段，工作面受断层影响后进入应力增大阶段，工作面推过断层后转为应力减弱阶段，具体流程如图8所示。

开采过程中当工作面在应力平稳阶段超前应力值为56.5 MPa，应力集中系数为2.76，在过断层过程中，应力增大阶段、应力降低阶段、相对应力平稳阶段超前应力峰值变化较大。应力增大阶段超前应力最大值为63.7 MPa，应力集中系数为3.11；应力减弱阶段超前应力最小值为48.2 MPa，应力集中系数为2.35，垮落法管理顶板工作面过断层过程中应力集中系数为2.35～3.11。

图8 断层发育工作面推进过程中应力发展流程图Fig.8 Flow chart of stress development in the process ofadvancing fault development working face

图9 矿压数据实测分析折线图Fig.9 Line chart of actual measurement and analysis of mineral pressure data

4 现场实测及工作面过断层技术

在1302工作面开采期间，在部分液压支架前柱安设矿用本安型数字压力计，对工作面支架受力情况进行实时连续观测，图9为综采工作面过断层程中43#液压支架工作阻力的变化曲线。其中断层距切眼272 m，矿压数据表明，液压支架的平均工作阻力为22.1 MPa，来压判据为31.8 MPa；工作面推进距离在242 m之前，不受断层影响，工作面处于来压稳定状态区，该区域来压时支架最大工作阻力为36.4 MPa；继续向前推进工作面受断层影响，进入矿压异常增大区，压力异常增大区域长度约25 m，该区域来压时最大阻力为44.2 MPa；工作面继续向前推进至过断层后，进入压力降低区，压力降低区域长度36 m，该区域来压时最大工作阻力为28.6 MPa；推过断层40 m以后，矿压恢复正常状态，再次进入来压稳定区。

在W1319工作面回采前，已对工作面做好勘探工作，过断层过程中应用了以下技术措施：①在工作面接近断层前采用高压推力将马丽散压入顶板及断层软弱面中，加固断层软弱面及煤层顶板；②工作面揭露断层时，在工作面斜侧上方打锚杆，将断层上下盘组合成整体，保证顶板的完整性；③工作面过断层过程中，增加劳动作业人员，加快推进速度，降低液压支架高度并提高其初撑力，减小断层活化时间，迅速推过断层。

采取以上技术措施后，工作面过断层过程中虽然顶板来压频率较高、来压强度较大，但支架上方顶板仍保持其完整性，未发生冒顶事故，回采工作可顺利进行，现场应用工作面过断层效果良好，可为类似工程地质条件提供参考。

5 结 论

1) 综采工作面过断层前顶板断裂较为频繁，岩块铰接后稳定性差，矿山压力会异常增大，易发生片帮、冒顶等事故，过断层过程中应力集中系数为2.35～3.11，断层对应力传递及塑性区发育都有阻隔作用。

2) 断层发育工作面受断层影响前处于应力平稳阶段，受断层影响后进入应力增大阶段，推过断层后进入应力减弱阶段，原因是推过断层后断层下盘对工作面的影响骤减，继续向前推进再次进入应力平稳阶段，过断层后断层弱面两侧覆岩竖向位移量有明显落差，落差值自基本顶向上依次递减。

3) 为避免断层发育的工作面发生动力灾害，回采前需做好勘探工作，揭露断层前组合及加固顶板，改变支架工作状态，增加劳动作业人员各工序同步进行以加快工作面推进速度，现场应用效果良好，可为类似条件提供有益参考。