下盘向正断层开采保护煤柱受力及变形规律研究

和国瑞 白方强 葛林峰

(中达集团焦家沟煤业有限公司)

下盘向正断层开采保护煤柱受力及变形规律研究

和国瑞 白方强 葛林峰

(中达集团焦家沟煤业有限公司)

为探明正断层附近开采的致灾规律，为断层煤柱尺寸的选择提供理论依据，采用FLAC3D软件建立数值计算模型，研究下盘向正断层开采时不同尺寸断层煤柱的支承应力和覆岩变形规律。研究表明：因断层松软破碎，阻隔了采动应力传递，断层保护煤柱尺寸越小，煤柱内支承应力峰值越大，当断层煤柱减小至15 m时，应力峰值突增，致使煤柱发生塑性破坏，释放弹性能，易诱发煤柱冲击地压；当断层煤柱大于40 m时，顶板沉降受断层影响较小，沉降曲线呈现对称“U”盆地状，当煤柱尺寸进一步减小时，顶板沉降呈现非对称性“√”盆地状，最大下沉点位于断层侧，需加强工作面超前支护，防止压架、围岩大变形等情况的发生。结果为工作面安全开采提供了参考依据。

正断层 下盘开采 保护煤柱 支承应力 变形规律

断层是我国煤炭开采中极为常见的地质构造，其附近会存在较大的应力集中，当受到工作面开采扰动时，易活化失稳[1-3]。针对断层煤柱留设尺寸的问题，国内学者进行了大量研究。李伟[4]通过FLAC3D数值软件模拟了不同尺寸断层煤柱与不同工作面宽度组合时的围岩破坏情况，研究表明，当断层尺寸一定时，随工作面宽度的增加，围岩破坏加剧。董永[5]从矿压作用、水力劈裂作用角度推导出工作面采动对岩层的破坏深度，并通过算例验证其正确性。徐传伟[6]采用UDEC数值软件模拟了下盘工作面向逆断层推进过程中的支承应力演化特征，研究表明，随工作面向断层推进，支承应力存在先减小后增大的变化趋势。因此，断层煤柱尺寸的大小对于矿井的安全生产有着至关重要的影响。本文采用FLAC3D数值软件模拟下盘向正断层推进时，不同尺寸断层煤柱下的支承应力和围岩的演化规律，为现场开采提供理论指导。

1 正断层的赋存状态

根据断层两盘相对运动的性质和力学背景，可分为正断层、逆断层和走向滑动断层。通常将上盘下降、下盘上升的断层称为正断层，如图1所示。

正断层是在重力和构造运动产生的附加张力共同作用下形成的，其形成时的应力状态如图2所示，此时最大主应力σ1垂直于地面，中间主应力σ2和最小主应力σ3平行于地面[7]。

图1 正断层示意

图2 正断层主应力分布

2 FLAC3D数值模型建立

基于FLAC3D建模原理和模拟的需要，考虑边界效应，建立走向长380 m，倾向长250 m，高200 m的数值模型，由断层上盘、断层带和断层下盘3部分组成，如图3所示。

图3 数值计算模型

模拟断层倾角为45°，落差为4 m，模拟煤层厚3.5 m，工作面开采宽度为140 m，沿下盘向断层推进。模拟埋深500 m，在模型上方施加9 MPa均布载荷补偿未模拟断层，两侧取0.5倍垂直应力施加水平应力，并限制底部垂直方向位移，限制左右两侧水平位移。岩层参数参考中达焦家沟煤矿岩层参数，如表1所示。

表1 岩层参数

3 模拟结果分析

3.1 垂直应力演化规律研究

由断层保护煤柱为30，20，10 m时的垂直应力分布云图(图4)可知，以断层带为界，断层上下盘应力分布显著不同，断层对工作面采动应力的阻隔效应显著。留设30 m煤柱，应力峰值为29.1 MPa；当煤柱减小至20 m时，因断层切割了顶板的完整性，使其失去传递载荷的能力，随着工作面与前方断层保护煤柱尺寸的减少，超前支承压力峰值不断增大，达到31.1 MPa；当断层煤柱继续减少至10 m时，此时断层煤柱在高应力作用下已被压酥，发生塑性变化，不能有效承担上覆载荷，致使应力峰值突降为2.67 MPa。

图5为不同宽度煤柱内的应力集中曲线。可见，煤柱内的应力集中程度随断层煤柱宽度的减小而逐步增加；当煤柱减小至15 m时，应力集中系数突增至3.38；当煤柱宽度继续减小至10 m时，因上覆顶板岩层载荷对煤柱继续加压，煤柱内的应力过大，使煤柱被压酥，发生塑性破坏，此时应力集中系数开始降低，为2.62；而当留设5 m煤柱时，煤柱破碎程度增加，承载能力更弱，应力集中系数只有1.32。由此可见，在煤柱发生塑性破坏前存在应力突增的现象。因此，在现场实际开采时，应留设足够保护煤柱，当发现煤柱内应力突增时，需及时采取措施，预防煤柱冲击地压的发生。

图4 不同宽度煤柱垂直应力分布云图

图5 不同宽度煤柱内应力集中系数曲线

3.2 覆岩运移规律分析

在煤层顶板设置测线，得到工作面距断层不同距离时的覆岩位移变化曲线(图6)。 可知，当煤柱大于40 m时，顶板运动受断层影响较小，下沉曲线呈现对称的“U”盆地状；留设40 m断层煤柱时，下沉曲线形状发生变化，顶板最大下沉量为1.3 m，最大下沉位置开始偏近断层，表明此时断层已受到工作面采动影响；当断层煤柱逐步减小至15 m时，顶板下沉曲线呈明显非对称的“√”盆地状，顶板最大下沉位置靠近断层侧，且随着工作面距断层距离越近，顶板最大下沉位移距断层越近，表明因断层切断了顶板的完整性，当工作面推进至断层附近时，支承应力集中，断层活化，诱使断层附近顶板剧烈运动；当留设10 m断层煤柱时，顶板最大下沉量为2.5 m，较之前推进相同步距时的增幅大，顶板沉降速度加快；而当工作面推进至距断层5 m时，顶板下沉量突增至3.4 m，因工作面前方顶板被断层切断，失去传递力作用，使断层煤柱产生较高的应力集中，当其发生塑性破坏时，致使顶板大面积沉降，煤岩体弹性能突然释放，极容易诱发冲击地压。

4 结 论

(1)下盘向正断层推进过程中，断层对采动应力传递的阻隔作用显著，随着断层煤柱尺寸减小，应力峰值增大，且存在应力峰值突增

图6 下盘工作面向断层推进时顶板下沉曲线

点，致使断层煤柱发生塑性破坏，断层失稳活化。

(2)下盘开采随断层保护煤柱的减少，采空区顶板下沉曲线由对称“U”盆地状转化为非对称“√”盆地状，最大沉降值位于断层侧，当断层煤柱减少为15 m时，顶板突降，极易造成压架、围岩大变形等情况，应加强相应支护。

[1] 卢兴利,尤春安,孙 锋,等.断层保护煤柱合理留设的数值模拟分析[J].岩土力学,2006(S1):239-242.

[2] 王其芳.断层保护煤柱留设方法研究[J].有色金属：矿山部分,2006,58(5):6-7.

[3] 赵华安,赵光明,孟祥瑞.断层下盘留煤柱开采数值模拟[J].煤矿安全,2014，10(11):27-29.

[4] 李 伟,张广鹏,刘志达,等.断层保护煤柱合理宽度及工作面合理宽度数值模拟研究[J].矿业安全与环保,2014(1):16-19.

[5] 董 永,孟祥瑞,高召宁.断层影响下防水煤柱留设合理宽度研究[J].煤炭科学技术,2014(S1):241-243.

[6] 徐传伟,蒋金泉,王 普,等.逆断层下盘不同采高工作面支承应力演化规律研究[J].中国煤炭,2016(8)：39-42.

[7] 黄福明.断层力学概论[M].北京：地震出版社,2013.

2016-10-11)

和国瑞(1976—)，男，助理工程师，717300 陕西省延安市子长县。