木瓜矿断层对工作面开采应力影响数值模拟分析

温 敏

(霍州煤电集团团柏煤矿)

断层是由地壳破裂形成的沿破裂表面相对移动的岩石，其严重影响地质构造的稳定性，对采煤工作面安全生产有很大的影响[1-4]。断层构造附近煤岩物理力学参数发生变化，导致工作面推进矿压显现与正常表现不同，周围岩体的应力传递和塑性区发育在断层上下盘出现很大差异[5-7]。针对工作面过断层期间的矿压显现规律，研究人员做了大量卓有成效的工作，本文基于已有的研究基础，对木瓜矿10煤工作面过断层矿压显现规律进行系统分析，以期为工作面安全开采提供理论依据。

1 工程概况

木瓜煤矿10-211工作面北邻10-213采空区，南邻10-209采空区，西邻井田边界，靠近风氧化带及西纵高速公路保安煤柱，东邻二采区3条大巷。工作面标高为+851～+895 m，地面标高为+1 095～+1 225 m。工作面走向长1 195 m，倾向长296 m，煤层厚2.92～3.12 m，平均为3.02 m，煤层倾角为3°～7°，平均为5°，为近水平煤层。工作面直接顶为砂质泥岩，平均厚1.0 m，致密较硬，中厚层状构造；基本顶为粗砂岩，平均厚5.0 m，厚层状、棱角状，泥质胶结；直接底为泥岩，平均厚1.0 m，灰黑色，平坦状；基本底为细砂岩，平均厚4.0 m，致密坚硬。

工作面在掘进过程中共揭露2条断层，回采区域预计会遇见F1、F22条断层，落差最小为0.5 m，最大为2.1 m，断层产状见表1。F1、F2断层对回采工作会造成一定影响，为此研究存在断层情况下的煤层回采应力分布规律，保证回采工作的安全稳定。

表1 断层产状信息

2 断层数值模型建立

本次断层模拟设计选取10-211工作面F2断层为工程背景，煤层平均厚度取3.0 m，平均埋深为300 m，采用单一走向长壁综合机械化采煤法，工作面顶板采取全部垮落法管理。建立的数值模型尺寸为70 m×100 m×58 m(长×宽×高)，断层倾角为40°，断距为2.0 m，模型共计596 000个块体。模型整体按照近水平建立，四周固定位移约束，底部采取固定约束，上部为自由边界，并施加6.7 MPa垂直应力模拟上覆岩重，模型四周各留设10 m煤体以消除边界效应，建立的三维模型见图1。计算采用莫尔-库伦本构模型，所需煤岩物理力学参数可参照文献[8]，具体见表2。断层的刚度选取模型最硬刚度的5‰，其他参数均选取为5%。

图1 三维计算模型

3 工作面过断层数值模拟结果分析

方案一按照实际生产中10-211工作面推进过程中遇到的断层为正断层，在模型初始应力平衡后，从模型左侧开挖，开挖步距为5 m，每开挖一次进行一次应力平衡，分析断层两侧垂直应力变化规律，布置的监测点位于煤层顶板2 m上泥岩岩层内；方案二采取从模型右侧开挖，开挖步距与监测点布置与方案一相同，进行工作面过逆断层的对比分析。

表2 煤岩物理力学参数

3.1 工作面过正断层顶板垂直应力分析

按照木瓜矿10-211工作面实际推进过正断层顶板垂直应力变化情况见图2。

图2 工作面过正断层顶板垂直应力变化特征

从图2可知，工作面推进5 m至推进25 m时，工作面前方超前支承应力峰值逐渐增大，从6.7 MPa 增加到12.7 MPa，应力集中系数从1.0增加到1.9，采空区后方支承应力也逐步增加，从9.3 MPa 增加到13.3 MPa；模型断层位置在X方向37 m处，随着工作面向前推进，从5 m增加至 25 m，超前支承应力影响范围逐渐减小，以断层所在位置为界限，在断层位置应力值突然降低，超前支承应力影响范围也被截断，工作面继续向前推进至30，35 m 时，虽仍未过断层，但从垂直应力值分布来看，此时监测点已处于断层影响范围之内，当工作面继续推过断层后，工作面超前支承应力急剧上升，随着采空区范围的增大，超前支承应力峰值达到19.2 MPa，应力集中系数为2.9，之后工作面垂直应力特征即与常规工作面相似。

因此，工作面过正断层时，从顶板垂直应力变化特征可以得出，工作面在推进至距正断层10～12 m之前时，顶板垂直应力变化随着推进距离的增加而呈现周期性变化，变化幅度越靠近断层位置越剧烈；工作面正断层的影响范围在20 m左右，即断层前后各10 m，推过断层10 m后，顶板应力变化特征继续呈现周期性规律，逐渐与常规工作面类似。

3.2 工作面过逆断层顶板垂直应力分析

工作面过正断层应力监测分析后，为更好地研究断层对工作面开采应力的影响特征，采取工作面反向推进,模拟过逆断层时的顶板应力变化情况见图3。

图3 工作面过逆断层顶板垂直应力变化特征

从图3可知，工作面推进5 m至推进20 m时，工作面前方超前支承应力周期性规律并不显著，且垂直应力峰值在越靠近断层位置受到的影响越大，应力峰值不增反减，从6.7 MPa减小到5.9 MPa，应力集中系数从1.0降低到0.9，但采空区后方支承应力逐步增加，从14.4 MPa增加到17.5 MPa，应力集中系数从2.1增加到2.6；随着工作面向前推进，从5 m增加至20 m，超前支承应力影响范围逐渐减小，以断层所在位置为界限，在断层位置应力值突然降低，超前支承应力影响范围也被截断，工作面继续向前推进至25，30 m直至50 m时，工作面已经推过逆断层，垂直应力分布规律又呈现出周期性变化，工作面超前支承应力峰值由8.8 MPa增加到19.4 MPa，应力集中系数从1.3增加到2.9，推进30 m 之后，工作面垂直应力变化特征即与常规工作面相似。

因此，工作面过逆断层时，从顶板垂直应力变化特征可以得出，垂直应力在工作面推进至断层之前均未出现任何规律性变化，顶板垂直应力随推进工作面距离减小而变小；工作面推过断层之后，超前支承应力很快出现周期性变化规律，逆断层的影响范围主要表现在推过断层之前10～15 m，推过断层之后即与常规工作面压力规律类似。

针对工作面过断层时的应力分布结果，对矿压规律变化分析可知，原因主要有以下两点：

(1)当工作面过正断层时，工作面从断层下盘往断层上盘推进，需要先开挖一部分顶板进而转到煤层中继续推进，此时断层下盘承受较高的采动支承压力，由于断层本身是一个弱面，对应力传递产生了阻隔作用，导致断层接触面两侧应力值差别较大。

(2)当工作面过逆断层时，工作面从上盘往下盘推进，需要先开挖一部分底板进而转到煤层中推进，此时断层上盘承受较高的应力，与过正断层时类似，应力传递被阻断，在断层弱面处出现应力突变。

因此，无论工作面过正断层或逆断层，断层弱面的存在导致断层上下两盘应力变化规律并不连续，在断层处出现一定程度的变化。所以在工作面过断层时，加强相应断层影响区域的应力监测，防止出现工作面所受应力的突变而造成工作面设备或人员事故是十分重要的。

4 结 论

(1)正断层与逆断层整体矿压规律显现类似，工作面开采中正断层对工作面影响程度在20 m，大于逆断层10～15 m的影响范围。

(2)由于断层的存在，矿压规律周期性变化在断层处出现应力突变，工作面在断层上下盘的应力值差别较大，加强工作面过断层时的矿压监测是规避风险的有效途径。

(3)通过对木瓜矿工作面过断层的矿压规律研究，对矿井生产实践提供了指导，同时也为相似地质条件下工作面生产提供借鉴。