某掘进巷道过断层的应力演化规律及预防措施

杨 阳 郭 雷 张 恒 李奥博 黄一祖 张继涛3

（1.山东唐口煤业有限公司；2.南阳理工学院土木工程学院）

冲击地压是指井下围岩突然发生破坏而引起的剧烈震动，同时伴有大量煤岩块抛出的一种矿压动力灾害现象，这种现象严重威胁煤矿的安全生产［1-3］。断层是冲击地压事故产生的易发区域，这主要是由于断层可以阻隔应力的传递，造成煤岩体局部应力集中，同时，断层结构面为弱面，采掘影响下断层极易产生活化，从而引起断层结构失稳［4-5］。

国内外学者通过实验、理论和数值模拟对断层诱发冲击地压的现象进行了大量研究［6］。例如BERGER P等［7］指出受地质因素影响的逆冲断层具有深部倾角较大、而浅部倾角较小的特征，分析了逆冲断层周围的应力分布特征，指出其诱发冲击的机理。孙平远等［8］采用数值模拟，研究了倾角变化对断层周围应力的改变，并指出了断层失稳过程中的破裂特征。然而数值模拟方法多采用平面应变模型，由于地下构造的复杂性，平面应变模型往往不能完整地反映出采动与断层的相互作用，并且断层对掘进巷道的影响范围均采用预估的方法，没有确切的实验和理论数据进行支撑。

因此，采用三维数值模拟方法来研究断层的应力分布特征问题是非常有必要的。为了探究断层对掘进巷道的影响范围，本研究以2-216工作面地质条件为基础模型进行FLAC3D数值试验，以期定量分析断层的影响范围，为后续工作面巷道支护参数设计提供依据，同时，对类似工作面的安全掘进也具有一定借鉴意义。

1 工程概况

2-216工作面地表处于洪洞县南沟村东北部；背面距鑫磊煤业工业广场约1 000 m，东北方向距上跑蹄村约800 m，东侧距上跑蹄工业广场约1 600 m，西南侧距南沟村约300 m。黄土覆盖厚度为31～89 m，基岩厚度为39～492 m。工作面位于310 m水平二采区的正前轨道巷左侧，东北方向紧邻二采区正前轨道巷，东侧距离2-206工作面约310 m，其余方向无任何工作面。2-216工作面内煤层整体为单斜构造，东北高西南低，工作面煤层开采时整体坡度较小。工作面煤层倾角一般为9°，预计在工作面掘进途中会揭露9条断层。其中，副巷揭露的F1388断层对工作面掘进影响较大。

2 掘进巷道过断层应力演化规律数值模拟

2.1 数值模型

为研究煤柱以及断层对巷道掘进的影响，运用FLAC3D数值模拟软件，对2-216工作面进行数值模拟，以得到掘进过程中应力演化规律。巷道掘进过程的数值计算模型以2-216工作面实际地质情况为依据进行建模，模型尺寸为300 m×90 m×60 m（长×宽×高），其中巷道截面尺寸为5.0 m×5.0 m（宽×高），模型共7层岩层，如图1所示。

模型纵向高度为400 m，由单元和网格节点组成，数量分别为13 230和16 126个，因此，设置9.8 MPa的上覆岩层等效荷载于模型上部。模型的前、后、左、右、底各面均采用固支方式。

2.2 细观参数选取

基于2-216工作面实际地质条件，并对其进行岩层系统整合归类，结合顶底板及煤层的室内力学试验结果进行微观力学参数选取，具体参数见表1。

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2.3 模拟方案及结果分析

对所建模型进行静力平衡，按照距离断层位置100，90，80，70，60，50，40，30，20，10，0 m分别开挖巷道，得到工作面距断层不同距离时垂直应力分布云图，部分结果如图2所示。

可以看出，随着掘进迎头逐渐靠近断层，断层附近的应力变化范围和应力集中程度逐渐增加。当迎头距断层100 m时，断层开始受到扰动，此时断层周围应力集中程度明显较低，最大仅为20.8 MPa，应力变化范围也较小，断层受掘进扰动的影响产生较小的滑动。当迎头距离60 m时，断层周围应力集中程度相比于距断层100 m时增加不大，但应力集中范围明显增加，这说明断层虽受掘进扰动的影响，但是由于断层存在一定的强度，所以断层失稳程度不大，此时掘进工作面相对安全。当迎头距离断层40 m时，掘进迎头扰动完全作用于断层，此时断层周围的应力集中程度进一步增大，达到21.66 MPa，同时断层的应力集中范围进一步增加，断层失稳的冲击危险性明显增大。当迎头掘进至断层时，断层周围的应力集中程度达到最大值22.6 MPa，此时滑动面周围有应力释放的特征，断层产生相对滑动。

为了进一步探究断层周围的应力变化情况，通过布设在断层四周的应力测量点，获得断层面上集中应力在掘进迎头位置的改变下其相应的变化，如图3所示。

当掘进迎头位置与断层距离为40 m时，断层面四周产生的集中应力大小随着距离的减小逐渐增加，应力的变化速率显著提高。由此可得，在距离断层面40 m时起，工作面的超前支承压力将会因断层的存在而有一定的影响，断层附近应力集中的现象更加明显，应力集中系数并不高，但掘进过程中仍应加强对于冲击危险的监测并准备卸压工作。

3 掘进过断层期间的预防措施探讨

3.1 工作面过断层技术措施

（1）在工作面过断层时，于断层面的上下盘处分别以“破顶留底煤”和“破底留顶煤”为标准施工，从而使断层面上二盘得以相随。

（2）工作面顶板较破碎区域及时上经纬网维护顶板，同时配合前梁上道轨或工字钢维护顶板。

（3）当存在小于1 m的断层被工作面穿越时，可以通过对支架的高度进行调节以及开震动炮来破顶和破底，或采取对上盘留顶三角煤、下盘留底三角煤协同机组进行截割的措施，以致上下两盘相随，台阶高度不允许超过0.2 m，若超出允许值，则必须先用原木或者板梁于无顶支架上构顶后，再调高并且锁紧支架。

（4）缩减工作面中断层的暴露面积，遇断层时可根据实际情况调整工作面方向。

（5）依照断层性质、标高和顶底板岩层硬度等因素，确定采用挑顶和下切的方法穿过断层，遵循利于顶板日常维护、减少破岩量的原则。

（6）岩石的普氏系数f＜4时，允许采取直接割岩的方法，并调低牵引速度。

（7）穿过断层要提前、趋缓降低采高，减削破岩量，提高支架稳定程度，同时，对立柱的伸缩余量要有足够的保留，保持支架的正常工作状态。

（8）对断层段需要采取下切或留底进行侧斜回采时，应维持顶底板侧斜的方向均匀变动，确保支架和输送机槽的正常工作。

3.2 工作面过断层卸压措施

基于数值模拟结果，掘进距断层40 m时，应进行冲击灾害的预防，确保工作面安全掘进。预防措施可采用大直径卸压钻孔预卸压：①钻孔孔深不低于15 m；②钻孔间距不大于3 m；③钻孔直径为110 mm；④钻孔高度位置为煤层中部；⑤所有卸压孔均垂直于煤壁，最大俯仰角不超过3°，若受现场施工的条件制约，与煤壁最大角度不得大于45°。

3.3 实践成果

通过对开展钻孔预卸压工作，在2-216工作面向前掘进时期并无大煤炮产生，同时应力在线监测和钻屑法监测均未产生超标现象，说明卸压防冲效果较好，满足了矿井安全生产要求。

4 结 论

（1）通过对2-216工作面掘进期间的断层应力分布特征研究，指出了当掘进迎头位置与断层距离为40 m时，断层面四周产生的集中应力大小随着其距离的减小逐渐增加，并且增加趋势逐渐显著。

（2）工作面距离断层40 m位置时进行加密大直径钻孔卸压的措施，取得了良好的卸压防冲效果。