断层影响区工作面埋深对煤柱稳定性影响研究

蒋金泉 李小裕 丁 楠 徐传伟

(1.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，山东省泰安市，271000；2.济南城建集团有限公司，山东省济南市，250031)

断层是煤矿开采中最为常见的地质构造之一，它的存在破坏了煤岩体的完整性，在其附近会产生地应力的局部不连续及集中，尤其是在工作面开采推进过程中遇到断层时，工作面前方的煤柱受到断层的应力阻隔效应会产生远远超出正常工作面超前支承应力大小的应力集中。这种应力集中在浅埋深煤矿开采中体现得不太明显，但是在深井煤矿开采中显现得非常明显，特别是在工作面接近断层影响区时，开采活动会对断层煤柱的稳定性造成扰动，断层煤柱存在失稳的可能性，一旦断层煤柱失稳会瞬间释放大量的能量，形成冲击地压，造成明显的矿压显现。这些集聚的能量对工作面的支架等机械设备造成严重的破坏，如人员撤离不及时，会造成人员安全事故，产生巨大的经济损失，形成恶劣的社会影响。代进等采用理论推导与现场实测的方法研究了上盘先开采和下盘先开采两种情况下煤柱应力演化的差异，得出断层上盘开采时，载荷传递至下盘的能力强，下盘先开采时，载荷传递与断层倾角有关。蒋金泉等采用三维数值模拟的方法研究了工作面向正断层推进、上盘工作面沿正断层布置的采动应力演化特征。王涛等采用数值模拟和微震监测结合的方式研究了正断层条件下工作面推进方式与断层活动的相关性。姜耀东等采用数值模拟的方法研究了工作面从断层上盘和下盘向断层逐渐回采过程中断层接触面的法向应力和剪切应力的时空演化规律，断层上下盘的运动规律。上述研究均侧重于对断层这一地质情况存在时工作面开采所表现出来的应力应变的奇异性，对于工作面埋深影响下断层工作面开采时煤柱应力演化规律的研究较少，因此有必要对不同埋深条件下工作面推进至断层影响区时煤柱的稳定性进行一些研究。本文通过三维数值模拟软件FLAC3D模拟研究不同埋深下正断层上盘工作面推进至距断层10 m、20 m、30 m、40 m、50 m不同宽度煤柱时煤柱垂直应力演化特征及垂直应力集中系数演化规律。

1 工程背景及数值模型

1.1 工程背景

杨柳矿10416工作面位于104采区东边界，工作面中存在多条断层，分别为F104-23、F104-43、F104-44、104DF52，工作面开采时先推过F104-23断层。

1.2 数值模型

以杨柳矿10416工作面地质情况为背景实例，采用FLAC3D数值模拟软件建立相似三维数值模型，模型X方向长500 m，Y方向300 m，Z方向200 m，采用软件内置Interface功能建立接触面模拟断层，断层倾角45°，为摩尔—库伦力学模型。采用软件内置的Software应变软化力学本构模型，模型水平方向四周及底面采用位移限定，模型顶面分别施加0 MPa、2.5 MPa、5 MPa、7.5 MPa、10 MPa、12.5 MPa、15 MPa、17.5 MPa的均布荷载，方向与Z坐标轴负方向一致，模型四周施加侧压系数0.73的水平应力，分别模拟工作面埋深150 m、250 m、350 m、450 m、550 m、650 m、750 m、850 m。建立三维模型如图1所示，模型各岩体岩性物理力学参数见表1。

工作面位于断层上盘，向断层开挖推进，单步开挖10 m，直至开挖至断层，在工作面中间煤层中间隔5 m布置测点，监测工作面前方煤柱垂直应力随工作面回采推进的演化特征。

表1 岩体物理力学参数

1.3 计算方案

工作面布置于上盘，宽度100 m，以距离模型左边界100 m作为上盘开采的起始位置，向断层开采，直至开采到达断层，表示实际开采中工作面由远到近逐渐向断层靠近，考察不同采深条件下工作面在逐渐接近断层影响区过程中工作面前方煤柱垂直应力及应力集中随采深逐渐加深的演化规律。

图1 巷道与断层三维数值模型

2 断层上盘开采垂直应力演化规律

2.1 断层煤柱垂直应力演化特征

工作面不同推进长度下前方不同宽度煤柱垂直应力峰值随采深变化演化曲线如图2所示。由图2可知，工作面前方的垂直应力集中并不随采深增加呈线性变化，而是呈现台阶形的阶梯上升然后出现突然的下降，最后呈近似平直的直线小斜率缓慢上升。导致垂直应力非线性变化的主要原因是：随着埋深的增加，岩层集聚的弹性能与埋深的平方是一种正比关系增长；导致应力突然下降是因为埋深一定的条件下，工作面向前推进导致工作面前方煤柱的尺寸逐渐减小，煤柱不能承受工作面前方及断层阻隔效应带来的交叉应力叠加的作用，使得煤柱失稳发生破坏，应力因而突降。

图2 不同煤柱垂直应力峰值随采深演化曲线

煤柱尺寸为50 m时，以此次模拟结果为例，当埋深小于250 m时，曲线斜率较大，表明工作面前方煤柱超前垂直应力增速随着埋深增加增速很快，呈直线型线性增大；埋深250～750 m时，曲线斜率小于浅埋深斜率，近似于阶梯型缓慢上升，说明随着埋深的增加，垂直应力逐阶上升，但是增加速度要小于浅埋深。当埋深大于750 m时，应力出现断崖式陡降，主要是因为采深大，垂直应力增加使得煤柱发生了塑性破坏，失去了承载能力，说明工作面埋深为750 m时，工作面开采影响范围到达前方50 m，即断层边界。

煤柱尺寸为40 m和30 m时，垂直应力演化曲线基本重叠，整体变化趋势与煤柱为50 m时相同，浅埋深条件下为直线型上升，中等埋深条件下为阶梯型上升，但是其峰值出现在埋深为650 m时，表明在当前模拟条件下，当工作面采深为650 m，煤柱保持承载能力的最窄宽度为30 m。在煤柱宽度为30 m条件下，埋深超过650 m时，煤柱发生塑性破坏，承载能力降低为煤体残余支承应力大小，埋深为550～650 m时，应力增速加快，说明在煤柱在即将达到承载极限时对于埋深变化较为敏感。

煤柱尺寸为20 m，垂直应力演化曲线整体变化趋势与40 m和30 m煤柱相同，但是在中等埋深情况下呈近似直线型上升，表明煤柱对于工作面埋深的变化较为敏感，这是煤柱留设较窄、承载能力不足的表现。

煤柱尺寸为10 m，曲线变化趋势与上述一致，但是煤柱在工作面埋深超过550 m时开始发生塑性失稳破坏，承载能力逐渐降低，采深达到650 m及更大时降低为煤体残余支承应力。

2.2 断层煤柱垂直应力集中系数演化规律

工作面不同推进长度下工作面前方煤柱垂直应力集中系数随采深变化演化曲线如图3所示。

图3 不同煤柱垂直应力集中系数随采深演化曲线

由图3可知，曲线总体上呈先直线式增加，中期阶梯式逐级下降，最后断崖式下降并维持在一定数值附近。

以本模拟为例，埋深小于250 m时，工作面超前支承应力集中系数线性直线上升，表明工作面前方煤柱垂直应力集中增长速度要高于工作面埋深增加而引起的原岩应力增加速度，此时应力集中系数较大，但是因为埋深小，原岩应力较小，应力集中数值相对偏小，工作面开采引起的煤体应力集中影响要高于埋深引起的应力增加，也就是说在浅埋深开采时，工作面发生冲击地压的主要因素并不是埋深。依据实际统计资料，工作面浅埋深时，引起冲击地压多是工作面开采布置的不合理及地质构造所致，因此浅埋深矿井开采应该合理进行工作面开采布置设计，在遇到特殊地质构造时加强针对性措施。

埋深大于250 m时，工作面超前支承应力集中系数逐阶降低，表明垂直应力集中增长速度要低于工作面埋深增加引起的煤体应力增加速度，此时应力集中系数减小，但是埋深大，原岩应力较高，应力集中数值比较大，工作面开采引起的煤体应力集中影响程度要低于埋深引起的应力增加，即中等埋深及深井开采时，由于工作面上覆岩层厚度大的天然影响，工作面发生冲击地压的可能性要高于浅埋深矿井。

3 结论

通过数值计算模拟不同埋深条件下正断层上盘工作面开采，得到了工作面与断层之间留设不同宽度的煤柱时煤柱承载的工作面超前支承应力及应力集中系数随埋深增加的演化特征规律。

(1)模拟研究数据表明，煤柱承载的支承应力及应力集中系数并不是随埋深显现线性增加或减小变化，煤柱支承应力在浅埋深开采时呈直线型线性上升，中等及深埋深呈阶梯型逐渐缓慢上升，浅埋深工作面开采时支承应力增加速度快于中等及深埋深。

(2)煤柱支承应力集中系数在浅埋深时线性快速上升，应力集中系数较中等及深埋深大，但是应力集中数值偏小，工作面开采影响是工作面冲击地压发生的主要影响因素；在中等及深埋时应力集中系数呈现台阶型减小，但是应力集中数值大，主要是由于上覆岩层较厚，表明埋深是工作面发生冲击地压的主要影响因素，且工作面易发生冲击地压。