深部回采工作面过断层期间矿压显现规律分析

高 超，储丹东，陈璋林，彭 瑞，杨学红

（1. 济宁矿业集团有限公司霄云煤矿，山东济宁 272000；2. 华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 065201）

0 引言

矿井生产过程中，断层的存在导致初始应力场扰动，局部产生附加应力，在采动影响下断层易发生活化。 断层附近的地压大、围岩破碎严重，会给采区系统、岩巷稳定以及井下施工造成一定影响。 林利军［1］、刘国栋［2］关于巷道掘进通过构造带问题进行了研究，结果表明，断层会破坏巷道围岩力学性质，导致巷道掘进支护后变形严重；郭顺［3］对回采工作面过断层超前治理技术研究，对钻孔布置、注浆设备选型以及钻孔封孔方式等进行确定，实现了安全高效回采；王立平等［4］对巷道受断层端部应力集中失稳机理及控制研究，分析了巷道围岩变形破坏的原因，并采用锚杆锚索支护技术很好地修复了巷道；李洪伟［5］通过对回采工作面过断层技术研究，控制采高和单项割煤等方式，直接通过断层，提高生产效率；宋来武等［6］通过对煤矿回采工作面地质构造及断层资料的分析，采用FLAC3D 进行数值模拟，对过断层的方式以及期间顶板的控制和断层带内的支护方式进行了研究；王刚等［7］通过FLAC3D 数值模拟研究了断层的落差、倾角以及沿上下盘开采对断层滑移失稳的影响；朱广安等［8］为研究开采扰动下断层滑移失稳诱发冲击矿压的致灾条件，基于“砌体梁”理论分析了开采过程中断层围岩系统的受力状态和力学响应；李志华等［9］采用数值模拟软件模拟了煤层开采过程中断层对顶板运动的影响；李志华等［10］为了研究断层附近冲击矿压发生规律，采用3DEC 数值模拟软件建立相应的断层模型；张帅［11］通过长短距离注浆加固、严格的回采工艺措施，实现了大倾角条件下综采工作面顺利通过大落差断层，避免了工作面搬家，杜绝了顶板事故。

但目前现有的文献对深部冲击地压矿井工作面过断层期间超前压力影响范围方面研究的较少，且研究内容和方法相对单一。 本文以鲁西南某冲击地压矿井2307 工作面过断层为研究对象，对工作面过断层期间回采进行数值模拟，得到超前影响区域。 因此，要加强围岩变形位移监测及时加强支护，保证矿井安全高效地生产。

1 工程背景

井田范围为东到山东省与江苏省省界或嘉祥断层，西至曹马集断层，南到各煤层露头线，北至拐点坐标连线（井田边界），井田东西长8.1 km，南北宽2.9 km，面积23.4248 km2，开采标高为-430～-1500 m，可采煤层主要为3 煤层。

二采区位于井田东南部，煤矿井田为全掩盖区，井田内钻孔揭露的地层自下而上分别为：古生界奥陶系、石炭系、二迭系，新生界第三系、第四系。 其中主要含煤地层为石炭系上统太原组及二迭系下统山西组。

此矿井埋深近800 m，经鉴定为冲击地压矿井，顶板坚硬，工作面过段层期间亟须掌握超前矿压显现范围，合理控制顶板稳定性。

2 数值计算模型建立

2.1 模拟范围确定

根据所提供资料2307 工作面周边情况如图2所示。 2307 工作面切眼长度200 m，工作面西侧为2307 轨道顺槽紧邻实体煤区域，东侧为2307胶带顺槽紧邻实体煤区域，北侧为2307 切眼紧邻实体煤区域，南侧至停采线紧邻二采区西翼胶带巷。

图1 太原组岩性岩相旋回结构示意图

图2 2307 工作面周边情况

为了解决回采初期XF83 断层对工作面超前影响，所模拟范围选取包含2307 工作面与XF83断层区域，即北向2307 轨道顺槽外延100 m 范围，南向二采区2307 胶带顺槽外延100 m 范围，西向采区西翼胶带巷外延100 m 范围，东向2307切眼外延200 m 范围，如图3 所示。

图3 数值模拟范围

2.2 实际模型简化

为了进一步方便对上述工作面进行数值计算，对模拟范围内的各关键要素进行必要简化，包括但不限于工作面形状、工作面走向倾角、工作面倾向倾角、巷道以及断层，简化后模型如图4、图5 所示。

如图4 所示，2307 轨道顺槽简化长度520 m，胶带顺槽简化长度550 m，切眼简化长度200 m；模型整体尺寸南北走向共850 m，东西倾向400 m。XF83 断层简化为贯穿2307 切眼与胶带顺槽，断层倾角70°，落差为8 m。

图4 数值模型简化俯视图

如图5 所示，为了便于模型建立，将各岩层厚度取整。 模型整体以所提供岩层最低点向下延伸50 m 做底，依次向上排列分别为：5 m 泥岩、10 m细砂岩、5 m 泥岩、5 m 煤、10 m 粉砂岩、5 m 中砂岩、10 m 细砂岩，模型整体以所提供岩层最高点向上延伸50 m 做顶。

图5 数值模型简化侧视图

2.3 模型建立及质量检查

三维快速拉格朗日法是一种基于三维有限差分法的数值分析方法，十分适合模拟岩土或其他材料的三维力学特性。 FLAC 3D 是美国ITSACA咨询集团公司开发的三维快速拉格朗日分析程序。 该程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时产生的破坏或塑性流动的力学特性，特别适用于分析渐进破坏失稳及模拟大变形。

采用FLAC 3D 对上述模型进行建模计算，根据上述条件对模型进行建模效果如图6 所示，模型南北走向长度850 m，东西走向长度为400 m，高度为25 m。 岩层呈现东南方向埋深小，西北方向埋深大。 模型中，2307 工作面、煤层与断层分布如图7 所示。

图6 模型效果图

图7 2307 工作面位置

图8 网格质量检查

采用FLAC 3D 中Boundary 功能显示模型网格间差异性，若模型中存在网格交错或者欠贴合网格，则Boundary 显示中会呈现深色交界面，而本模型经过仔细检查与优化，各岩层与断层间均不存在不贴合面，模型网格质量较好，能够进行下一步计算。

2.4 模型参数取值

模型整体涉及以下岩性：顶、底部分（采用粗砂岩参数），泥岩，细砂岩，粉砂岩，中砂岩，煤与断层。 各岩层采用摩尔库伦模型进行弹塑性计算，具体参数取值见表1。

表1 各岩层参数取值

2.5 数值模型初始平衡

2307 工作面最大埋深为900 m，对应模型顶部埋深为700 m。 对模型顶部施加17.5 MPa 应力，底部施加位移边界限制Z 方向移动，模型左右施加位移边界条件，限制X 方向移动，模型前后施加位移边界条件，限制Y 方向移动。 重力加速度取值为-9.8 m／s2。 其边界条件示意如图9所示。

图9 边界条件设置

对模型进行初始平衡，其最大位移如图10 所示。 由图10 可知，模型整体位移呈现随深度增大，其顶部最大位移为38.7 cm，同一深度断层两侧下盘受上盘挤压位移较大。

模型初始平衡后，其最大主应力如图11 所示。 由图可知，模型整体压缩应力呈现随深度增大，其底部最大压应力为26 MPa，断层区域由于进入塑性区，其应力值较小。 同一深度断层两侧下盘受上盘挤压压缩应力较大。 以上初始平衡位移、应力状态及塑性区分布符合现实条件，数据比较合理，可以进行下一步开挖模拟。

图11 初始平衡最大主应力云图

图12 初始平衡塑性区分布图

取煤层最大主应力如图13 所示。 由图可知，煤层受断层影响，其上盘区域轨道顺槽部分受影响距离为90 m，此区域内最大主应力较高。 上盘区域胶带顺槽部分受影响区域为80 m，此区域内最大主应力较高。 下盘区域胶带顺槽部分受影响区域为90 m，此区域内最大主应力较小。

图13 煤层最大主应力云图

将轨道顺槽、胶带顺槽巷帮最大主应力数据绘制曲线如图14 所示。 由图可知，初始平衡状态，受断层影响，轨道顺槽巷帮最大主应力随与切眼距离增大而减小。 胶带顺槽巷帮最大主应力随与切眼距离增大，与断层距离减小而减小；随与切眼距离增大，与断层距离增大而增大。 由此可知，初始状态下断层对煤层最大主应力分布具有较大影响。

图14 工作面顺槽巷帮应力分布

3 2307 回采不同距离超前影响

将模型位移清零，进行不同距离回采时工作面围岩应力场以及回采巷道应力分布影响范围分析。

3.1 回采距离10 m

对2307 自切眼进行回采模拟，首次回采距离为10 m，其最大主应力计算结果如图15 所示，其轨道顺槽与胶带顺槽巷帮最大主应力分布曲线如图16 所示。

图16 回采10 m 时工作面顺槽巷帮应力分布

由回采10m 范围结果来看，结合云图与曲线可知，2307 超前影响范围大致为轨道顺槽超前85 m，胶带顺槽超前断层85 m，结合实际情况，胶带顺槽无断层贯穿。 因此，考虑轨道顺槽超前影响即可。

3.2 回采距离20 m

对2307 进行进一步回采模拟，回采距离为20 m，其最大主应力计算结果如图17 所示，其轨道顺槽与胶带顺槽巷帮最大主应力分布曲线如图18 所示。

图17 煤层最大主应力云图（回采20 m）

图18 回采20 m 时工作面顺槽巷帮应力分布

由回采20m 范围结果来看，结合云图与曲线可知，2307 超前影响范围大致为轨道顺槽超前88 m，胶带顺槽超前断层88 m，结合实际情况，胶带顺槽无断层贯穿。 因此，考虑轨道顺槽超前影响即可。

3.3 回采距离30 m

对2307 进行进一步回采模拟，回采距离为30 m，其最大主应力计算结果如图19 所示，其轨道顺槽与胶带顺槽巷帮最大主应力分布曲线如图20 所示。

图20 回采30 m 时工作面顺槽巷帮应力分布

由回采30 m 范围结果来看，结合云图与曲线可知，2307 超前影响范围大致为轨道顺槽超前87 m，胶带顺槽超前断层93 m，结合实际情况，胶带顺槽无断层贯穿。 因此，考虑轨道顺槽超前影响即可。

3.4 回采距离40 m

对2307 进行进一步回采模拟，回采距离为40 m，其最大主应力计算结果如图21 所示，其轨道顺槽与胶带顺槽巷帮最大主应力分布曲线如图22 所示。

图21 煤层最大主应力云图（回采40 m）

图22 回采40 m 时工作面顺槽巷帮应力分布

由回采40 m 范围结果来看，结合云图与曲线可知，2307 超前影响范围大致为轨道顺槽超前90 m，胶带顺槽超前断层100 m，结合实际情况，胶带顺槽无断层贯穿。 因此，考虑轨道顺槽超前影响即可。

3.5 回采距离50 m

对2307 进行进一步回采模拟，回采距离为50 m，其最大主应力计算结果如图23 所示，其轨道顺槽与胶带顺槽巷帮最大主应力分布曲线如图24 所示。

图23 煤层最大主应力云图（回采50 m）

图24 回采50 m 时工作面顺槽巷帮应力分布

由回采50 m 范围结果来看，结合云图与曲线可知，2307 超前影响范围大致为轨道顺槽超前95 m，胶带顺槽超前断层106 m，结合实际情况，胶带顺槽无断层贯穿。 因此，考虑轨道顺槽超前影响即可。

3.6 回采距离90 m

对2307 进行进一步回采模拟，回采距离为90 m，其轨道顺槽与胶带顺槽巷帮最大主应力分布曲线如图25 所示。

回采90 m 时，2307 超前影响范围大致为轨道顺槽超前98 m，胶带顺槽超前断层105 m，顺槽的最大主应力明显增大，应力集中明显，结合实际情况，胶带顺槽刚好贯穿断层。 因此，要考虑断层对顺槽超前影响。

4 结论

（1） 断层对煤层最大主应力分布具有较大影响。 轨道顺槽巷帮最大主应力随与切眼距离增大而减小。 胶带顺槽巷帮最大主应力随与切眼距离增大，与断层距离减小而减小；随与切眼距离增大，与断层距离增大而增大。

（2） 根据上述模拟计算，得到2307 工作面不同回采距离下超前影响距离。 2307 回采期间，其超前影响距离为85～95 m 区间，在回采期间应对轨道顺槽超前范围加强监测。