逆断层下盘不同采高工作面支承应力演化规律研究∗

徐传伟 蒋金泉 王 普 张培鹏 孔 朋 张国龙 刘绪峰

(山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地,山东省青岛市,266590)

逆断层下盘不同采高工作面支承应力演化规律研究∗

徐传伟 蒋金泉 王 普 张培鹏 孔 朋 张国龙 刘绪峰

(山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地,山东省青岛市,266590)

以逆断层下盘不同采高工作面开采为背景,采用UDEC数值模拟方法,研究了下盘工作面向逆断层推进过程中不同采高下支承应力的分布特征及演化规律。研究表明：下盘工作面向逆断层推进过程中,由于逆断层松弛活化产生的阻隔效应,支承应力分布特征发生演化,其峰值呈现先减小后增大的变化趋势,其明显影响范围不断减小。下盘工作面3 m和5 m采高的支承应力演化基本同步,支承应力分布相似;当煤层采高增大为7 m时,受断层采动活化及煤柱的耦合作用影响,支承应力峰值较高,采动影响更为强烈。工作面前方逆断层对支承应力的影响较大,应及时加强工作面及回采巷道支护。

逆断层 下盘工作面 不同采高 数值模拟 支承应力演化

我国大多数矿井地质条件较复杂,采区内断层较发育,断层对煤矿的开采设计、工作面布置、安全生产等有着重要的影响。针对断层赋存条件下工作面开采支承应力的演化规律,学者们进行了大量的研究,但已研究成果大多通过数值模拟或相似材料试验单独研究分析断层活化、开采顺序或断层煤柱留设的支承应力分布及演化,而对断层赋存条件下煤层不同采高支承应力演化规律的研究较少,研究逆断层下盘不同采高下支承应力的演化规律,可以为留设断层煤柱、顶板支护提供科学依据。因此,本文通过UDEC数值模拟分析,研究了逆断层下盘工作面不同采高、留设不同断层煤柱时采动支承压力分布及其演化规律,研究结果对断层附近支承应力演化及留设煤柱、顶板支护提供了参考依据。

1 UDEC数值模型建立

1.1 UDEC数值计算选择依据

UDEC数值模拟软件是一种处理不连续介质的二维离散元数值计算程序,能够用于模拟非连续介质承受静载或动载的响应,且允许块体沿不连续面发生最大位移和转动;在计算过程中能够自动识别新的接触面;相对于三维模拟软件,在同等条件下,UDFC数值模拟划分网格较少,计算速度快,因此,UDEC二维数值模拟能够满足研究的实际需要。

1.2 UDEC模型建立

根据研究需要,并考虑边界效应,建立走向长度为360 m,高度为110 m的数值计算模型,模型分上盘、断层和下盘三部分,模拟工作面开采煤层为近水平煤层,厚度分别为3 m、5 m和7 m,采用大采高一次采全厚综采工艺;工作面埋深为800 m,左侧切眼留设70 m煤柱,从下盘左端向逆断层推进,其中逆断层落差为5 m,断层带宽度为10 m,断层倾角为30°。UDEC数值计算模型如图1所示。

图1 数值计算模型

根据现场地质资料,煤层顶底板多为砂岩,依据岩石力学试验和模拟经验,并考虑岩体富含节理和弱面,确定顶底板岩层的物理力学参数,而断层带岩层较破碎,岩石力学强度低,模拟参数较顶底板岩层进行适当弱化。煤岩层物理力学参数见表1。

表1 煤岩层物理力学参数

1.3 数值计算边界条件

计算模型上部为应力边界,根据煤层埋深为800 m,补偿上覆未模拟岩层,模型顶部补偿垂直应力为21.12 MPa,左右两侧边界施加水平应力25.4 MPa,地应力侧压系数为1.2。模型底部采用全约束条件,左右两侧为速度边界条件,为X方向固定、Y方向自由的边界条件。模型块体本构关系为Mohr-Coulomb塑性模型,节理模型为接触—库仑滑移模型。

2 数值模拟结果及分析

工作面与断层距离较远时,受断层影响较小,工作面支承应力呈现常规演化特征,研究意义较小。因此,在煤层上方直接顶10 m位置处设置一条应力监测线,研究并分析下盘工作面向逆断层推进且断层煤柱宽度分别为50 m、40 m、30 m、 20 m和10 m时,在断层影响下工作面采高分别为3 m、5 m和7 m时支承应力的演化规律,如图2所示。

由图2可知,采高为3 m、5 m和7 m时工作面在留设不同宽度断层煤柱时切眼处支承应力峰值变化较小,均稳定在60 MPa左右,支承应力影响范围基本保持不变,采高对切眼处支承应力分布影响较小。

由图2(a)可知,当逆断层煤柱宽度为50 m时,3 m和5 m采高工作面支承应力峰值和应力影响范围基本相同,应力峰值集中系数为2.73,表明3 m和5 m采高在断层煤柱为50 m时支承应力影响差异较小;当采高增加至7 m时,工作面开采使上方覆岩纵向受影响范围增大,使支承应力集中显著,应力峰值明显增大,应力峰值集中系数为3.14,支承应力影响范围增加,且偏向于工作面煤壁侧,表明7 m采高较3 m和5 m采高对支承应力有更明显的影响。

图2 不同断层煤柱宽度时不同采高工作面支承应力分布

由图2(b)和图2(c)可知,当逆断层煤柱为40 m、30 m时,由于逆断层倾向工作面推进方向上采动影响诱使断层带松弛活化,使上盘覆岩载荷传播受到影响,致使工作面支承应力有所降低。7 m采高工作面支承应力峰值系数逐渐减小为2.78,3 m采高工作面支承应力峰值集中系数由2.73逐渐降为2.36,5 m采高工作面支承应力峰值集中系数由2.73逐渐降为2.47,降低幅度相对7 m采高时小,表明此时倾向工作面推进方向的逆断层带松弛活化使支承应力峰值降低。

由图2(d)可知,当逆断层煤柱为20 m时,断层受工作面采动影响使得支承应力升高,其中3 m、5 m采高工作面支承应力峰值集中系数分别增加至2.57、2.60,而7 m采高工作面支承应力增加幅度较大,应力峰值集中系数增加至3.04,此时断层带阻隔作用对支承应力分布产生明显影响。

由图2(e)可知,当逆断层煤柱为10 m时,随断层煤柱持续减小,由于受断层切割阻碍作用, 3 m、5 m和7 m采高工作面支承应力影响范围均减小,且应力峰值距工作面煤壁距离也减小; 3 m、5 m采高工作面支承应力峰值集中系数又恢复到2.6,7 m采高工作面受断层剧烈活化影响,支承应力峰值迅速增大至86.6 MPa,应力峰值集中系数达到3.9,此时工作面支承应力表现为断层构造及煤柱支承应力叠加的结果。

综上所述,随断层煤柱的减小,受逆断层松弛活化及阻隔影响,不同采高工作面支承应力的影响范围均不断向煤壁缩小,且应力峰值位置距煤壁距离不断减小;随断层煤柱宽度的减小,3 m、5 m采高工作面支承应力演化基本同步,变化幅度较小,而7 m采高工作面支承应力演化与3 m、5 m采高工作面有较大差异,应力变化幅度大。

为更加直观的呈现出逆断层对不同采高工作面开采支承应力影响,提取3 m、5 m和7 m采高工作面不同断层煤柱宽度支承应力峰值,绘制出支承应力峰值随断层煤柱宽度减小的变化曲线,如图3所示。

由图3可知,受逆断层影响,随断层煤柱宽度减小,3 m、5 m和7 m采高工作面支承应力峰值均呈现先减小后增大的变化趋势。3 m、5 m采高工作面支承应力峰值变化幅度较小,变化趋势较为平缓,而7 m采高工作面应力峰值总体大于3 m、5 m采高工作面,在逆断层煤柱小于20 m时,逆断层松弛活化及阻隔对工作面支承压力产生显著影响,支承应力峰值迅速增大。

图3 不同断层煤柱宽度与采高下工作面支承应力峰值变化

3 结论

(1)在下盘工作面向逆断层推进的过程中,随着断层煤柱宽度的不断减小,由于逆断层松弛活化使上盘覆岩荷载的传播受到影响,且受断层阻隔作用与煤柱效应的影响,支承应力分布特征发生演化,其峰值呈现先减小后增大的变化趋势,其明显影响范围不断减小。断层活化与阻隔作用对支承应力的影响较大,应及时加强工作面及回采巷道支护,减轻断层采动应力对工作面煤壁及巷道的的影响。

(2)随逆断层煤柱的减小,下盘工作面3 m和 5 m采高的支承应力演化基本同步,支承应力分布相似;当煤层采高增大为7 m时,受断层采动活化及煤柱的耦合作用,支承应力峰值较高,逆断层影响下的采动影响更为强烈。

[1] 孙少龙,孙小杨,王源.深埋大采高综放采场超前支承压力分布规律[J].中国煤炭,2015(8)

[2] 谭辅清,昝东峰,周楠等.巨厚砾岩层下工作面过断层覆岩运动规律研究及应用[J].中国煤炭,2011 (9)

[3] 郑朋强,李成成,张兆民.断层附近回采工作面采动应力分布规律研究[J].煤,2011(2)

[4] 蒋金泉,武泉林,曲华.硬厚岩层下逆断层采动应力演化与断层活化特征[J].煤炭学报,2015(2)

[5] 蒋金泉,武泉林,曲华.硬厚覆岩正断层附近采动应力演化特征[J].采矿与安全工程学报,2014(6)

[6] 翟晓蓉,吴基文,彭涛等.断层对煤层开采应力分布影响的数值模拟分析[J].煤矿开采,2013(5)

[7] 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(增1)

[8] 张国庆,黄霆.某矿UDEC数值模拟研究[J].煤,2010(6)

[9] 翟晓蓉,吴基文,彭涛等.断层对煤层开采应力分布影响的数值模拟分析[J].煤矿开采,2013(5)

Research on evolution law of bearing stress in working face with different mining height in reverse fault footwall

Xu Chuanwei,Jiang Jinquan,Wang Pu,Zhang Peipeng, Kong Peng,Zhang Guolong,Liu Xufeng
(State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

Taking the working face with different mining height in footwall of reverse fault as engineering background,the distribution characteristics and revolution law of bearing stress in footwall face with different mining height during advancing to the reverse fault were studied.The results showed that because of the barrier effect caused by reverse fault relaxation and activation, the distribution of bearing stress changed during the face advancing,the peak of bearing stress decreased first then increased,obvious influence range shrank.The bearing stress evolutions of footwall face with 3 m height and 5 m height were basically synchronous,and the distributions of bearing stress were similar;when the height of face increased to 7 m,the peak of bearing stress was higher and the mining influence was more intense under the influence of fault activation and coupling effect of coal pillar.In front of working face,the influence of reverse fault on bearing stress was greater,so strengthening the supporting in working face and roadway was necessary.

reverse fault,footwall face,different mining height,numerical simulation, bearing stress evolution

TD323

A

徐传伟(1990-),男,山东新泰人,山东科技大学在读研究生,从事矿山安全工程方面的研究。

(责任编辑 郭东芝)

国家自然基金(51574155),泰安市科技发展规划(201560699)