采动影响下工作面应力演化及断层活化危险分析

2020-11-06张强

商品与质量 2020年32期

张强

山焦集团华晋焦煤有限责任公司沙曲一号煤矿山西吕梁 033300

地下采场复杂的地质构造条件和应力环境以及受相邻采空区和回采来压等因素的影响，使得发生冲击地压的强度和频次日益增大。近年来，许多学者针对采动过程工作面应力演化及断层活化开展了卓有成效的研究。魏振全[1]针对田陈煤矿7112工作面地质条件，采用数值模拟方法，研究了厚硬关键层不同赋存条件下采动应力变异特征。研究表明，随工作面的持续推进，工作面前方支承压力不断增长，但增速逐渐放缓，破断后工作面支承压力迅速降低；随厚硬关键层厚度、赋存高度的增加，厚硬关键层初次破断前工作面前方支承压力峰值逐渐减小。吕进国等[2]基于义马跃进煤矿25110工作面为研究对象，结合微震监测数据，分析了冲击地压发生前的微震能量与频次及微震活动的时空规律，并采用数值模拟研究了采动影响下断层带附近应力场的分布特征，从地质构造、微震活动、应力场三个方面讨论了该工作面冲击地压发生的原因及机制。白庆生等[3]针对石圪台矿3-1-2煤层工作面顶板压力大、支架被压死等问题，采用理论分析、数值模拟及现场试验等方法，探讨采动应力演化规律及压架致灾机制。蒋金泉等[4-5]采用三维数值模拟方法，研究了工作面向正断层、逆断层推进、上盘工作面沿正断层、逆断层布置的采动应力演化特征。朱志杰等[6]采用数值模拟和现场实测的方法，对上部重叠煤柱与采动耦合作用下的围岩应力演化规律进行研究。采用UDEC数值计算软件，对重叠煤柱作用下工作面的回采过程进行了模拟。朱广安等[7]研究了开采扰动下断层滑移失稳诱发冲击矿压的致灾条件。基于“砌体梁”理论推导了断层面正应力、剪应力的计算公式，进而得到断层滑移失稳与覆岩“关键层”的破断和采场的推进的关系。姜耀东等[8]以采用库仑剪切模型的接触面单元代表断层两盘的接触状态，模拟工作面从断层上盘和下盘向断层方向逐步回采的过程，研究断层接触面上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。毛德兵等[9]根据微震监测结果分析了采动影响下断层延展长度、落差、走向及强度等对断层活化规律的影响。李志华等[10]以济三煤矿6303面地质条件为背景，开展了断层滑移失稳相似模拟试验及数值模拟。王涛等[11]以义马千秋煤矿21221回采工作面原型，设计了穿越断层工作面回采相似模型实验，再现断层活化和煤体冲击失稳的物理过程，研究了采动影响下采场覆岩的运动规律和断层应力演化特征，分析了煤层开采诱发断层活化的机理。

本文以某矿7308工作面在采动影响下与周围采空区相互作用应力演化规律及其对临近断层活化危险分析，系统研究了采空区应力分布，回采来压情况和断层受力与活化分析，以便为冲击矿压等动力灾害现场预测和科学防治提供指导。

1 工作面概况

该工作面所处地面标高+50.5-+52.1m，工作面标高-467.6--497.0m，工作面埋深为518.9-548.3m。7308工作面面长94.5-184.2m，推进长度145.4m（运顺侧）。切眼与DF17断层相邻，北部沿小厂一号断层与邻矿相接，西部停采线距离5319采空区约60-76m，南部以4.5m净煤柱与7307采空区相邻。工作面四邻关系如图1所示。

工作面开采区域总体上位于五采区与七采区采空区支承压力影响下，应力水平有明显提升，是开采的应力升高区。该区域总体上受小厂一号断层影响，轨顺沿此断层布置，该断层延伸长度较大。切眼总体上沿DF17断层（倾向94.5°，倾角60°，落差6.0m。）布置，并且穿过7307F1断层（断层倾向265.4°，倾角70°，落差2.0m）布置。因此，该工作面在高应力煤柱区和断层影响区存在一定程度的冲击危险。

2 数值计算模型与方案

2.1 数值计算模型

模型考虑周边工作面开采历史以及构造地质条件对7308工作面的影响，构建了5319、7306、7307工作面以及小厂一号断层等，如图1所示。计算模型尺寸长×宽×高为800×600×200（m），网格数345600。数值模拟中选用Mohr-Coulomb本构模型，计算模型底部及四边固定位移速率，上部施加-10.75MPa应力模拟上部岩层施加的载荷，工作面分部回采，分析区域应力演变过程。根据7308工作面地质和开采状况建立了如图1所示的数值计算模型。

2.2 计算方案

（1）根据工作面周边采区及工作面开采历史进行相关区域的开采，建立该工作面回采前的地质和应力环境。

（2）进行目标工作面的开采模拟，重点考察工作面开采过程工作面来压情况、断层受力及活化危险。

3 计算结果分析

3.1 采空区-应力分布图

7308 工作面周围有大量采空区，应力在其在形成过程中发生转移和叠加，其中5318工作面和5319工作面开采后在7308北侧（停采线区域）形成应力集中区，应力集中峰值靠近5318工作面和5319工作面采空区之间留设的煤柱区域，最大应力集中系数达到2.3，峰值距采空区煤壁11m，侧向支承压力影响范围达到48m，对7308工作面回采有一定影响；7306和7307工作面开采后在7308西侧（运输顺槽区域）形成应力集中区，靠近7308开切眼位置应力集中程度较大，最大应力集中系数达到1.9，应力峰值距7307采空区9m，侧向支承压力影响范围35m，7308工作面运输顺槽和切眼在掘进和回采期间应加强应力监测和防冲措施。

从图3中可以看出7306、7307工作面回采后，五采区与七采区之间留设的边界煤柱两侧形成应力集中，煤柱中间处于低应力区，应力叠加不明显，表明7306、7307工作面回采后，区段煤柱仍保持稳定，留设的煤柱宽度有利于降低相邻采空区扰动影响。

3.2 回采来压情况

周边工作面开采后，在7308停采线附近区域以及运输顺槽一侧形成应力集中区，7308工作面回采过程中产生的扰动会与周边采空区应力形成应力叠加影响区，根据数值计算分析工作面回采阶段应力分布特点有利于工作面防冲。

图4为7308工作面回采阶段应力分布图，在7308工作面巷道和切眼掘进后，运输顺槽侧切眼煤壁前方以及切眼后方的应力集中明显增加，煤壁前方实体煤应力集中范围扩大，最大应力系数1.9，侧向支承压力影响范围45m；随着工作面推进，采空区顶板压力增大，开采至30m位置老顶垮落，超前支承压力峰值和影响范围增大，最大应力峰值向实体煤深部转移，运输顺槽侧实体煤集中系数达到2.2，峰值位置距巷道煤壁5m，超前影响范围80m，轨道顺槽侧应力集中系数1.4，超前影响范围30m；回采至95m老顶初次见方，顶板断裂降低了峰值影响范围，超前应力集中系数有所增加，运输顺槽侧应力集中达到2.3，超前支承影响范围增大至120m，轨道顺槽侧应力集中系数1.5，超前影响范围50m；工作面见方后，顶板断裂，超前支承压力峰值有所减弱，但运输顺槽侧超前支承压力与5采区侧向支承压力产生叠加影响加剧，实体煤超前支承压力整体有所增大，轨道顺槽侧断层保护煤柱宽度增大，实体煤应力集中系数增大至1.7；工作面回采至停采线附近，受5319采空区应力叠加影响，工作面超前支承压力峰值区域扩大，两个采空区之间实体煤应力集中程度较大。

3.3 断层受力与活化分析

7308 工作面靠近小厂一号断层，留设保护煤柱相对较小，回采过程中工作面产生的扰动影响有可能激活断层活化，诱发地质灾害。图5和图6分别为小厂一号断层法向力和切向力的分布云图，其中a，b，c分别为工作面回采至不同位置（开切眼、一次见方、停采线）时的应力状态。从图中可以看出断层法向力和切向力随工作面推进发生一定的变化，法向应力和切向应力有一定的增长，但是增长幅度较小，应力增长幅度小于5MPa，根据库仑扰动应力表达式，确定断层扰动应力幅值。下式为库仑扰动应力的表达式：

由此可确定断层扰动应力幅值，在计算结果中提取相关参数进行计算，绘制断层库仑应力变化量等值分布，如图7所示。将断层库仑力Y-Z坐标面进行投影，从图中可以看出，断层面上的库仑应力变化量总体上并没有规律可循，且总体上处于低水平，在7308工作回采过程中断层扰动影响小，发生较大活动可能性小。

为分析7308工作面回采引起的控制断层附近岩体的动力学响应在煤层区域断层上盘岩体内沿小厂一号断层预设3个监测点，全程跟踪断层附近岩体力学参数变化规律，监测点位置如图8所示。

图9、图10显示了煤层开采期间断层监测点水平位移和竖向位移速度变化规律。可以看出1号监测点在工作面刚开始掘进期间出现相对较大异常波动，最大波动速度0.4mm/s，后趋于稳定，2号、3号测点位移加速度相对平缓，波动幅度小，表明断层受7308开挖影响，临近工作面区域断层影响较大，在工作面推进过程中断层移动速度有较大波动，工作面回采后采空区趋于稳定，断层也趋于稳定，测点移动速度表明开采过程中断层活化程度低。