不同断层倾角下采场冲击危险性数值模拟研究

盛凯华，王 璐，柳研青，李志宏，张振扬

(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 青岛 266590；2.兖州煤业有限公司鲍店煤矿，山东 济宁 272000； 3.兖州煤业有限公司济二煤矿，山东 济宁 272000；4.兖州煤业有限公司济三煤矿，山东 济宁 272000)

目前，冲击地压已成为严重威胁我国煤矿安全高效生产的重大灾害之一，煤矿的防冲压力越来越大。大量现场开采经验与统计数据显示，断层附近是冲击事故频发的区域之一，且采场越接近断层，冲击地压事故发生的频次与冲击地压事故的严重程度越高。采动应力的异常分布，以及断层的剪切滑移是诱发冲击事故的主要原因[1-3]。断层倾角作为断层的主要特征参数之一，对于一些断层分布密集的矿井而言，断层倾角各异会造成工作面采动应力分布及断层滑移行为各不相同[4-5]。目前，对不同断层倾角条件下，采动应力分布与断层剪切滑移特征的研究还不够充分。因此，笔者采用数值模拟与理论分析的方法，研究不同断层倾角影响下采场的冲击危险程度，并分析不同开采条件下采场冲击地压的主要诱发因素，为断层附近工作面合理布置与安全回采提供参考。

1 工程背景

工程背景为红岭煤矿F505正断层。红岭煤矿位于河南安阳县，主采的二1煤层平均厚度为6 m，埋深在-630 m左右。F505断层具有5～7 m的落差，倾角60°～ 70°，断层带宽度约2 m。煤层直接顶是5.30 m厚的泥岩，强度低，裂隙发育；基本顶是11.62 m厚的细粒砂岩，完整而且坚硬。断层附近开采工作面宽度约为100 m，且推进方向大体与断层的走向一致[6]。

2 数值模拟

2.1 数值计算模型及方法

采用三维有限元数值模拟软件FLAC3D进行建模分析，构建不同断层倾角(Fault Angle)条件下，沿断层走向回采的长壁工作面模型，模型的长度、宽度和高度分别为400、300、90 m。断层带岩体松散破碎，通过对断层岩体参数进行合理弱化的方法进行模拟，可起到良好的模拟效果[7-8]。数值模拟计算中煤层顶、底板及断层带的力学参数见表1。

表1 煤岩层力学参数

以16.5 MPa的均布载荷作用于模型顶部来模拟岩层的压力，在模型四周施加梯形分布载荷模拟水平应力，其中测压系数取0.5。计算模型共12个，设置为：工作面宽度100 m，推进长度150 m，断层煤柱宽度20 m，模拟上、下盘工作面分别沿断层走向回采。设置6种不同角度的断层倾角，分别为25°、35°、45°、55°、65°、75°。图1列出了断层倾角为65°，上盘工作面回采时的计算模型。

图1 计算网格模型网格划分

计算使用Mohr-Coulomb强度准则，为了实现采空区垮落矸石随着顶板下沉逐渐压实的力学响应过程，用双屈服模型来处理垮落带[9]。

2.2 下盘工作面回采

2.2.1 下盘工作面采动应力分布

不同断层倾角时下盘工作面回采后采空区位置(工作面后方30 m)的垂直应力分布云图如图2所示，采空区两侧的垂直应力峰值数据见表2。分析图2及表2可以发现，断层倾角越小，下盘工作面回采顶板卸压区域越容易受断层影响，当断层倾角小于等于45°时，顶板卸压区域分布形态受断层影响显著，当断层倾角大于等于45°时，顶板卸压区域分布形态不受断层影响，与完整顶板赋存条件下卸压区域分布形态相同。当断层倾角从25°增加至65°时，采空区断层煤柱的应力峰值从46.4 MPa增大到56.2 MPa，增大了9.8 MPa，增大幅度明显；当断层倾角从65°增加至75°时，采空区断层煤柱应力峰值从56.2 MPa降低至55.9 MPa，仅降低了0.3 MPa。因此，对于高角度断层而言，下盘工作面采空区位置的断层煤柱应力集中程度更高，容易发生煤柱高应力失稳型冲击地压。与采空区断层煤柱应力峰值的变化规律不同，采空区非断层侧垂直应力峰值受断层倾角的影响程度较小，当断层倾角从25°增加至75°时，采空区非断层侧的垂直应力峰值从52.8 MPa降低至48.6 MPa，仅降低了4.2 MPa。

(a)断层倾角25°

表2 不同断层倾角时下盘工作面侧向垂直应力峰值

工作面前方12 m处为超前支承应力峰值(σp)位置，应力测量线设置在该位置，以监测工作面超前支承应力峰值，结果如图3所示。

图3 下盘工作面超前支承应力峰值

由图3可见，在下盘工作面回采过程中，σp呈现出非对称性的特征。与非断层侧的σp相比，断层侧的σp明显更大，且断层侧的σp随着断层倾角的增加而减小，断层倾角从25°增加至75°时，断层侧的σp从44.6 MPa降低至41.2 MPa，非断层侧的σp保持在39.2 MPa左右，基本不受断层倾角变化的影响。因此，随着断层倾角的减小，工作面两侧的σp差值越来越大。靠近断层侧的巷道冲击危险性更高，是工作面沿着断层走向开采时防止冲击危险事故的主要地点。

2.2.2 下盘工作面回采断层滑移情况与冲击危险性分析

监测点(工作面后30 m)布置在断层面两侧的上盘与下盘，2个监测点位于同一水平位置，且都处于基本顶岩层中。对工作面回采后上、下盘基本顶岩层的下沉量分别进行监测。两盘基本顶下沉量的差异可被视为基本顶位置断层滑移量，监测结果如图4所示。

图4 下盘工作面回采时基本顶位置断层滑移量

从图4可以看出，在下盘工作面回采过程中，当断层倾角为25°、35°时，下盘基本顶岩层发生明显的回转下沉，下沉值分别为0.69、0.48 m，断层滑移量也达到0.29、0.19 m。基本顶剧烈运动的同时造成断层发生较大的剪切滑移，会对断层煤柱产生动载作用，断层煤柱在动载作用下极易发生失稳破坏，采动空间容易发生动载型冲击地压。当断层倾角为75°，为高角度断层时，下盘基本顶下沉量与断层滑移量分别降低至0.18、0.04 m，下盘基本顶位置岩层下沉值明显减小，断层也保持良好的稳定性。虽然高角度断层滑移量较小，但是受采动及断层的应力阻隔效应影响，断层煤柱及其顶、底板位置应力集中程度较高，断层煤柱易发生高应力失稳型冲击事故。

2.3 上盘工作面回采

2.3.1 上盘工作面采动应力分布

不同断层倾角影响下，上盘工作面回采时的垂直应力分布云图与采空区两侧垂直应力峰值数据如图5、表3所示。分析图5及表3可以发现，上盘工作面回采顶板卸压区域分布形态不受断层影响，但断层煤柱应力峰值受断层影响，且断层煤柱的应力集中程度随着断层倾角的增大而增大，当断层倾角从25°增加至75°时，采空区断层煤柱的支承应力峰值从46.8 MPa增大至52.0 MPa，增大了5.2 MPa，非断层侧工作面侧向支承应力受断层影响很小，基本保持在46.0 MPa左右。因此，上盘工作面回采时，断层倾角越大，越容易发生煤柱破坏型冲击地压。但是，上盘工作面回采，工作面两侧支承应力受断层影响程度与下盘工作面回采时相比显著降低，断层倾角较大时，断层煤柱的应力集中程度小于下盘开采时。由此可见，与下盘开采时相比，上盘工作面回采时冲击危险程度相对较小。

(a)断层倾角25°

表3 不同断层倾角时上盘工作面侧向垂直应力峰值

上盘工作面开采时，工作面超前支承应力峰值(σp)分布如图6所示。由图6可见，断层侧的σp略大于非断层侧的σp。断层倾角为25°、35°、45°、55°、65°、75°时，断层侧的σp分别为38.2、38.7、39.3、38.9、38.4、37.8 MPa，变化幅度较下盘工作面回采时降低很多。非断层侧的σp为37.3 MPa，基本保持不变，受断层影响较小。

图6 上盘工作面超前支承应力峰值

2.3.2 上盘工作面回采断层滑移情况与冲击危险性分析

上盘工作面回采后，工作面后方30 m采空区基本顶位置断层上盘位移量、下盘位移量及断层滑移量如图7所示。

图7 上盘工作面回采时基本顶位置断层滑移量

由图7可见，由于工作面推进方向与断层倾斜方向一致，顶板破断运移不易受到断层的影响，尤其是断层倾角较小情况下，顶板更不容易受到断层的影响。当断层倾角为75°时，上盘基本顶岩层下沉量达到最大，但是下沉值仍然只有0.09 m，断层滑移量更是不足0.01 m，断层保持良好的稳定状态。因此，与下盘工作面回采时相比，上盘工作面采动应力集中程度及断层滑移量均较小，采场的冲击危险性显著降低。

3 断层滑移危险性力学分析

数值模拟结果表明，断层下盘工作面回采时，断层滑移量更大，且断层倾角越小断层滑移量越大。因此，基于断层下盘工作面开采与断层上盘工作面开采的不同条件建立如图8所示的力学模型，对不同开采条件下的断层稳定性进行力学分析。

(a)下盘工作面开采力学模型

如图8所示，以岩块A为研究对象，建立力学模型，根据平衡条件，两种开采条件下断层面的法向应力Fσ与剪切应力Ff可表示为[10-11]：

下盘工作面开采时：

(1)

上盘工作面开采时：

(2)

式中R=fμ+pL+p-ql-G。

由式(1)和(2)可知，随着断层煤柱尺寸的减小，煤柱对顶板岩块A的支承应力p逐渐降低，因此R降低，下盘工作面开采时，法向应力Fσ逐渐降低，且断层倾角越小法向应力Fσ的降幅越大，剪切应力Ff逐渐升高，断层发生剪切滑移的危险性逐渐升高。上盘工作面回采时，随着R值的降低，法向应力Fσ逐渐升高，剪切应力Ff逐渐降低，断层滑移危险性较小，岩块A容易形成稳定的结构。因此，通过理论分析表明，下盘工作面开采时断层滑移的危险性远大于上盘工作面回采时的危险性，理论分析结果与数值模拟结果一致。

4 冲击地压控制措施

工作面在断层附近回采，断层煤柱及断层侧工作面超前支承应力集中程度明显增加，下盘工作面回采时，断层滑移危险性较高，因此对于断层影响区域采场冲击危险性的防治措施应从降低煤岩体应力集中程度，以及控制断层滑移两方面入手[12-15]。

4.1 降低煤岩体应力集中程度

降低煤岩体应力集中程度的措施主要为卸压钻孔，其布置如图9所示。一般在巷道掘进时就采取卸压钻孔措施，卸压钻孔直径及钻孔间距可以根据现采场冲击危险程度进行合理设置。卸压钻孔间距一般为1、2、3 m，钻孔布置越密集、钻孔直径越大，卸压效果越好。对于高度冲击危险区域卸压钻孔间距可设置为1 m，钻孔直径可设置为150 mm。当断层倾角较大时，断层煤柱应力集中程度更高，应适当减小卸压钻孔间距、增大卸压钻孔的直径[16]。

图9 卸压钻孔布置示意图

4.2 断层滑移控制

目前而言，对于断层滑移最有效的控制措施主要为工作面布置与开采设计优化，尤其是针对下盘开采工作面断层滑移剧烈的情况，适当地增加煤柱的宽度，减小工作面的宽度，能够有效控制顶板活动范围,从而降低采动造成的断层滑移[17-19]。工作面在断层附近回采时，避免推进速度过快造成顶板剧烈来压，同样能够达到抑制断层滑移的目的，因此在断层附近回采时，选择合理的推进速度可以有效降低采场的冲击危险性[20]。

5 结论

1)下盘工作面沿断层走向回采时，采动应力受断层倾角影响大于上盘工作面。下盘工作面回采时，基本顶运动与基本顶位置断层滑移更剧烈，采场更容易受到动态载荷的影响，显著增加了采场的冲击危险性[21]。因此，下盘工作面的冲击危险大于上盘工作面的冲击危险。

2)下盘工作面回采时，随着断层倾角的增加，采空区断层煤柱的应力集中程度逐渐增大。采空区非断层侧的应力集中程度随着断层倾角的增加而降低；工作面的超前支承应力峰值(σp)呈不对称分布，断层侧的σp较大。断层倾角越小，基本顶位置的断层滑移量越大。在不同的断层倾角条件下，下盘工作面冲击地压的主要诱发因素不同，断层倾角较小时，采场容易产生动载荷冲击;断层倾角较大时，采场易发生煤柱高应力失稳型冲击。上盘工作面回采时，采空区断层煤柱的应力集中程度随着断层倾角的增加而逐渐升高。基本顶运动与基本顶位置断层滑移量均较小，断层倾角变化对基本顶运动及基本顶位置断层滑移影响不大。

3)建立了上盘工作面开采与下盘工作面开采的力学模型，并对顶板稳定性及断层滑移危险性进行了分析，理论分析结果与数值模拟结果具有较好的一致性。