松散层下开采次生小断层影响工作面突砂机制——以山东省横河煤矿1931W工作面突砂事故为例

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(1. 山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2. 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 青岛 266590；3.山东能源集团，山东 济南 250000)

松散层下开采次生小断层影响工作面突砂机制
——以山东省横河煤矿1931W工作面突砂事故为例

张文泉1,2，王长浩1，陈晓青1,3

(1. 山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2. 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 青岛 266590；3.山东能源集团，山东 济南 250000)

为研究松散层下开采次生小断层对工作面涌砂的影响，以山东省横河煤矿1931W工作面突砂事故为例，采用ANSYS有限元数值模拟方法，分析次生小断层对采动裂隙带高度发育的影响，根据模拟结果及流砂突出事故，对顶板流砂突出的机制和条件进行研究，得出在煤层开采过程中导水裂隙带受断层影响的一般规律，认为工作面推进过程中存在断层情况下，导水裂隙带最大发育高度和破坏程度会受到影响，导致其发育高度增大，引发涌水突砂事故。

断层；流砂；突出；数值模拟

Abstract: In order to study the influence of secondary faults on working face sand inrush under alluvium, this paper, taking the 1931W working face sand inrush accident of Henghe Coal Mine in Shandong Province as an example, discussed the effect of secondary faults on the development of fractured zone in roof by ANSYS finite element numerical simulation. Based on the simulation results and the occurrence of sand inrush accident, the roof quicksand inrush mechanism and conditions were studied and the general influencing law of fault on the water flowing fractured zone in the process of mining was obtained. It is concluded that the maximum development height and damage degree of the water flowing fractured zone will be affected when there are faults in working face advance, which will lead to the great increase of development height, resulting in water and sand inrush accidents.

Keywords: fault; quicksand; inrush; numerical simulation

我国华东、华北和西北矿区松散层厚度较大，部分矿区松散层厚度甚至达到900 m，由于部分矿区松散层过厚且基岩较薄，致使提高矿井开采上限时面临的复杂水文地质问题在国内外采矿界都极其罕见。许多受此威胁的煤矿存在水砂突涌的可能，严重威胁矿工生命安全和煤矿安全生产。特别是在厚松散层薄基岩条件下，次生小断层的存在影响了导水裂隙带发育情况，可能导致工作面水砂突涌而严重威胁矿井的安全生产，因此，分析次生小断层对导水裂隙带高度的影响情况对矿井安全回采具有重要意义。国内外一些专家学者[1-2]对该问题进行了研究，获得一些成功经验，但也有个别失利的教训。许多学者[3-5]针对断层活化特征，以及对采动影响研究不同地质条件下断层受采动影响活化的特征和一般规律。卜万奎等[6]对不同倾角的断层活化规律和对底板突水的影响进行了研究，得出断层倾角越大，断层越容易活化与突水的结论。张文泉等[7]对次生断层进行探讨，研究不同倾角次生断层对断层保护煤柱留设的影响。但针对次生断层对两带高度发育的影响以及对工作面水砂突涌的威胁等领域研究相对较少。

本文以山东省横河煤矿2002年10月31日发生的工作面顶板突砂导致二人被困9天13小时的事故为例，结合数值模拟结果，探讨断层对顶板采动裂隙发育的影响作用，进一步分析此次顶板流砂涌出的机制和条件，以便能够更好地从已发生的事故总结经验，制定相应防治对策，以防同类事故的再次发生。

1 事故工作面概况

1.1 工作面相对位置及采煤方法和工艺

山东省横河煤矿2002年10月31日发生的工作面顶板突砂事故导致二人被困9天13小时，此次事故引起了社会的极大关注以及各级主管部门的高度重视。

1931W工作面位于横河煤矿西翼采区的北端，西邻12312工作面(事故发生时正在掘进)；东以马家楼分支断层(H=20 m)为界，工作面轨道巷沿马家楼支二分断层西侧掘进；东北以马家楼断层保护煤柱与鲍店矿相邻；西北切眼以开采上限为界；南部为1731W工作面(事故发生时已回采完毕)。地面位于泗河河床内，邢家村西北约1 000 m。1931W工作面是沿走向布置的倾斜长壁工作面，长度40～90 m；倾斜长度310 m。工作面煤层底板标高-152.9～-196.5 m，采高2.0 m。

1931W工作面采用的是倾斜长壁俯斜开采方法，采煤工艺为炮采。选取铰接顶梁配DZ-25型单体液压支柱进行支护，该种型号支柱的初撑力为90 kN。采场支柱柱距0.7 m，排距1.0 m。控顶距范围为3.2～4.2 m。采取工作面铺设塑料网的方式，以起到假顶的作用。

1.2 横河煤矿1931W工作面断层情况

该工作面巷道及切眼掘进和钻探中共有7处(其中掘进6处、钻探1处)遇到3条断层(马家楼支二分断层、F101断层及工作面中部小断层)。

在工作面轨道巷的掘进中，中部和下部先后有4处揭露马家楼支二分支断层，探明该断层为正断层，初步断定断层落差不小于20 m。该工作面轨道巷基本是沿着该断层掘进。

在工作面切眼的中部，掘进遇到的落差为0.95 m的正断层，其方向与工作面推进方向斜交。

在工作面切眼的上部，距上轨道巷约5 m处，掘进揭露F101断层，初步分析认为是马家楼支二分支断层的次生断层。该断层为正断层落差2.0 m，其断层方向与工作面推进方向斜交，当工作面投产后，向前推进6 m(发生突砂事故的前一班)就已推过该断层，如图1所示。

2 导水裂隙带受断层影响

根据事故专家组论证意见，发生事故的主要原因在于生产中未能及时分析断裂构造对工作面突水出砂情况的影响。因此，为了得出煤层开采过程中断裂构造对工作面突水出砂的影响，在参考前人工作[8]的基础上，利用ANSYS数值模拟软件分析采动过程中断层对覆岩变形破坏的影响。

图1 1931W工作面突砂事故示意图Fig.1 Schematic diagram of 1931W working face sand inrush accident

2.1 断层对于裂隙带范围的影响

利用ANSYS有限元分析软件建立走向方向的平面应变模型，走向长1 000 m，高为200 m；采用Drucker-prager屈服准则，模拟存在断层情况下，煤层开采过程中覆岩“两带”高度扩展发育情况(选取各岩层物理力学参数见表1)。在模拟过程中，为了更加方便地分析断层对裂隙带范围的影响，通过改变基本顶岩层属性、降低抗拉强度，以0.5 MPa的拉应力等值线代替裂隙带的轮廓线，探讨断层对裂隙带范围的影响。

通过分析该工作面煤层顶板至模型顶部沿断层面正应力变化，将其转换成距离煤层底板的高度，并绘制成图，如图2。由图2可知，当高度达到11 m开始，断层面上的拉应力呈逐渐增加的趋势，当高度达到31 m(此时拉应力为0.25 MPa)左右拉应力达到峰值。在拉应力持续增加过程中，在高度14.5 m时拉应力开始急剧增大，且保持增大趋势至峰值0.25 MPa。达到峰值后拉应力突然降低。结合现场实际探测情况，认为拉应力急剧变化过程中，断层受这种变化影响完全有条件发生断裂破坏，致使导水裂隙带高度增大。

表1 各岩层岩石力学参数表Tab.1 Mechanical parameters of each stratum

此现象发生的原因：工作面位于断层的下盘，岩层结构同时受到上覆岩层压应力和自身重力的双重作用而发生断裂破坏，由于断层处有较小内聚力，而断层附近区域发生断裂破坏所需要的拉应力又较小，因此当断层一旦发生断裂破坏，就会使岩层内部的应力分布发生变化，导致附近位置的拉应力降低，同时，断层附近较小的支承力也会引起远处的压应力变大，进而导致该处拉应力减小，使导水裂隙带高度有所降低。

当断层位于导水裂隙带范围内时，导水裂隙带的范围变化几乎不受断层的影响(图3)。由图3可知，断层位于导水裂隙带范围内时，导水裂隙带的高度减小，其值为28.5 m，且断层附近的高度略大于远处。

图2 断层线处的正应力曲线Fig. 2 Curve of normal stress at the fault line

上述现象主要原因为：工作面主体处于断层的上盘部分，可以将其岩层的断裂模型简化为一端固支、另一端简支的梁。由于断层处内聚力较小，因此当断层发生断裂破坏时所受到拉应力值相对较小。与两端固支梁不同的是，如果两岩梁同时发生断裂，一端固支一端简支的悬顶长度要小于两端固支的长度。因此当岩梁提前断裂时，下部岩层会在断层附近受到上覆岩层压应力和自重的共同作用，致使岩层的断裂破坏首先发生在远处端点处。当工作面向前推进，由于岩体的抗拉强度非常低，因此未推进至断层处时，岩层就已经开始发生破坏，致使周围岩体拉应力开始减小，因此导水裂隙带发育高度降低。

图3 断层在裂隙带范围内时的第一主应力等值线图Fig. 3 Contour map of the first main stress of fault in the fracture zone

2.2 断层对导水裂缝带分布的影响

根据ANSYS数值模拟结果，在前人研究基础上[9-11]，对采动过程中受断层影响的导水裂缝带分布规律进行总结：

1) 对于落差较小的断层，采取工作面平推硬过措施处理，从断层上盘往下盘推进时，由断层引起的两带高度最大增长率大于下盘往上盘推进时的最大增长率。

2) 断层引起的导水裂缝带高度增长率随断层面倾角的增大而增加。

3) 当留设一定的断层防水煤柱时，只开采断层上盘煤层或者下盘煤层，或者断层上、下盘同时留设防水煤柱，导水裂缝带高度无增大趋势，但裂隙带在靠近断层一侧宽度会减小。

4) 断层对导水裂隙带分布的影响程度因断层与采空区的相对位置不同而变化，当断层位于采空区正上方弹性区内部时，断层受到双向来压，此时导水裂隙带发育高度以及分布形态受断层影响相对较小。

5) 当只对断层上盘或下盘煤层开采时，导水裂隙带发育及分布情况不受断层落差和断层性质的影响。

3 横河煤矿1931W工作面突砂机制

2002年10月28日1931W工作面开始投产开采，10月31日24时当工作面推进6 m时，工作面溜尾断层(H=2.6 m)附近顶板垮落并随之发生溃砂。事故的原因如下：

1) 1931W工作面的开切眼位于三个断层的结合部附近，断层分别为马家楼之二断层、马家楼之二分支断层和掘进切眼时所揭露的落差2.6 m断层，由于上述复杂地质构造的存在造成工作面覆岩裂隙发育、顶板破坏程度较大，诱发突砂事故。

横河煤矿在多年的开采实践中揭露的马家楼之二分支断层，其分布延展方向大体与马家楼之二断层呈弧状相交，该断层南部落差约6～9 m，北部与马家楼之二断层在相交位置落差不小于20 m。发生事故的1931W工作面的轨道斜巷基本沿分支断层掘进。在工作面开切眼靠近轨道巷的边界部，揭露一条正断层，落差2.0 m。工作面突砂区是两条断层的交汇部，突砂点是工作面推过2.6 m断层的位置。断层附近煤岩层破碎，失去了对上覆第四系底砂的支撑作用，由于受到采动影响，在支柱回撤时，发生顶板垮落破坏程度大于其承载极限能力的现象，从而发生溃砂。

2) 工作面初采区域煤岩柱的留设未考虑到断裂构造和粘土层缺失等因素，是导致事故发生的又一直接原因。

事故发生区域的钻探证实，该工作面煤层上部基岩厚度仅为14.4 m，小于“三下采煤规程”所规定的最小基岩厚度15.2 m，在工作面靠近轨道巷约20 m范围内，设计0.5～1.0 m的剩余顶煤起到基岩作用。但煤岩柱厚度的留设分析一般是在工作面顶板稳定条件下进行的，由于1931W工作面存在断层构造，影响了区域覆岩的整体性，因此此种留设顶煤的方案难以达到所规定的煤岩柱厚度的强度。加之顶煤会随着开采的进行出现部分冒落现象，难以达到理想的保护层作用，实际有效岩柱并不能达到规定要求的15.2 m有效岩柱的厚度。

通过上述分析得出，断层会影响导水裂缝带的最大发育高度，与未受到地质破坏的工作面相比，其破坏程度有较大程度的变化，即使是落差很小的次生断层也往往导致突砂(水)或淹井等严重事故。横河煤矿1931W工作面溜尾断层(H=2.0 m)附近区域发生溃砂不仅仅是由于上覆第四系底粘土层缺失，溜尾落差2.0 m断层引起的导水裂缝带高度增大也是导致突砂事故的重要原因。

4 结束语

通过分析1931W工作面突砂事故实例，结合ANSYS数值模拟结果，得出本次事故发生的两个主要原因为：

1) 含断层煤层开采过程中，由于剧烈的拉应力变化使断裂破坏，导水裂隙带增高，1931W工作面突砂事故产生的原因之一是工作面断层的存在导致导水裂缝带高度增大。

2) 煤层采动导致断层附近煤岩层破碎，失去支撑作用，加上煤岩柱留设时忽略了断裂构造的影响，这是造成此次事故的原因之二。

此外，在分析此次事故原因的基础上，结合前人研究成果对导水裂隙带受断层影响的一般规律进行总结，得出当工作面推进过程中揭露断层时，导水裂隙带最大发育高度会增大的结论，致使发生突砂事故的可能性变大。

在实际生产过程中，研究断层对覆岩变形破坏的影响作用时，由于岩层破坏的隐蔽性，实测难度很大，且实测数据极少，绝大部分研究成果只能通过经验及数值模拟获得，但由于各地区地质条件煤层赋存存在较大差异，经验判断无法作为可靠的取值依据，而数值模拟方法限于自身算法的局限性及参数取值的人为主观性，降低了数值模拟对研究区域预测结果的可信度。因此，重视顶板上部微小裂隙的高度探测是判断第四系松散含水层能否发生水砂溃、生产是否安全的基础。同时，对工作面内的小断层(次生)也应该给予足够的重视，并在回采至断层附近时制定科学、完善的安全预防技术措施，并严格执行，以确保煤矿生命财产安全。

[1]国家安全生产监督管理总局. 煤矿安全规程[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2016: 78-79.

[2]隋旺华, 蔡光桃, 董青红. 近松散层采煤覆岩采动裂缝水砂突涌临界水力坡度试验[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(10): 2084-2091. SUI Wanghua, CAI Guangtao, DONG Qinghong. Experimental research on critical percolation gradient of quicksand across overburden fissures due to coal mining near unconsolidated soil layers[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(10): 2084-2091.

[3]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, 40(2): 267-277. JIANG Jinquan, WU Quanlin, QU Hua. Characteristic of mining stress evolution and activation of the reverse fault below the hard-thick strata[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(2): 267-277.

[4]姜耀东, 王涛, 赵毅鑫, 等. 采动影响下断层活化规律的数值模拟研究[J]. 中国矿业大学学报, 2013, 42(1): 1-5. JIANG Yaodong, WANG Tao, ZHAO Yixin, et al. Numerical simulation of fault activation pattern induced by coal extraction[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2013, 42(1): 1-5.

[5]朱斯陶, 姜福兴, KOUAME K J A, 等. 深井特厚煤层综放工作面断层活化规律研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(1): 50-58. ZHU Sitao, JIANG Fuxing, KOUAME K J A, et al. Fault activation of fully mechanized caving face in extra-thick coal seam of deep shaft[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(1): 50-58.

[6]卜万奎, 茅献彪. 断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(2): 386-394. BU Wankui, MAO Xianbiao. Research on effect of fault dip on fault activation and water inrush of coal floor[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(2): 386-394.

[7]张文泉, 孟令鲁. 次生断层影响下底板断层保护煤柱留设数值模拟研究[J]. 矿业研究与开发, 2016, 36(3): 36-39. ZHANG Wenquan, MENG Linglu. Numerical simulation on the protective coal pillars for the floor fault under the influence of subfault[J]. Mining Research and Development, 2016, 36(3): 36-39.

[8]黄井武. 赵坡煤矿163采区临界距离老空水下开采安全研究[D]. 青岛: 山东科技大学, 2006: 18-22.

[9]谭志祥, 周鸣. 断层对水体下采煤的影响及其防治[J].煤炭学报, 2000, 25(3): 256-259. TAN Zhixiang, ZHOU Ming. The influence of fault on mining under water and its prevention and cure[J]. Journal of China Coal Society, 2000, 25(3): 256-259.

[10]杨贵. 综放开采导水裂隙带高度及预测方法研究[D].青岛: 山东科技大学, 2004: 18-21.

[11]贾晓亮. 基于FLAC3D的断层数值模拟及其应用[D].焦作: 河南理工大学, 2010: 46-56.

(责任编辑：高丽华)

SandInrushMechanismInfluencedbySecondaryFaultsinWorkingFaceUnderAlluviumMining——Taking the 1931W Working Face Sand Inrush Accident in Henghe Coal Mine in Shandong Province as Example

ZHANG Wenquan1,2，WANG Changhao1, CHEN Xiaoqing1,3

(1. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. 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; 3. Shandong Energy Group, Jinan, Shandong 250000, China)

X45

A

1672-3767(2017)06-0090-06

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2017.06.013

2016-12-29

国家自然科学基金项目(41472281)；高等学校博士学科点专项科研基金项目(20133718110015)

张文泉(1965—)，男，山东潍坊人，教授，博士，主要从事矿山灾害预测及防治相关研究. E-mail:wexquanzhang@163.com