断层附近三软煤层开采矿压显现规律的数值模拟

杨忠宝 谢小平 程涛 周雨垚 石家龙 陈洪华

摘要：以该煤矿110302工作面实际地质条件为根据，结合数值模拟试验，通过对其采场覆岩结构及运动规律与矿压显现规律进行的深入分析研究，得出回采工作面由断层面下盘向正断层推进时：1）随着工作面逐渐靠近断层面下盘顶板的稳定性逐渐变差，顶板垮落步距变小;当工作面位于断层面下盘时，顶板岩层垮落角在 65°左右，越靠近断层面顶板岩层的垮落角和断层面的倾角越一致;2）当工作面推进到断层面位置时，煤体破碎顶板岩层的垮落角大于断层面的倾角，发育到断层面的上盘，断层位于顶板破裂围岩范围内;3）当工作面过断层面位置后，顶板岩层垮落角大于断层面的倾角，岩层断裂步距逐渐增大，当工作面远离断层超过20m 时，工作面在断层面上盘推进过程中，受到断层的影响逐渐降低。

关键词：断层附近;三软煤层;矿压显现;数值模拟

0引言

断层是矿山开采中经常遇到的地质构造之一，由于采掘活动引起围岩应力重新分布，从而围岩发生相应的损伤、破裂、变形等，在具有断层岩体中的采掘活动引起的围岩应力重新分布常会造成断层“活化”出现相应的灾害，如断层突水、断层滑移失稳诱发煤岩冲击矿压、断层带附近煤岩体破碎、裂隙发育、煤壁片帮等现象。国内外专家学者对采掘活动引起断层“活化”现象引起的灾害进行了大量的研究，我国许多矿区都属于断层构造复杂开采条件，特别是贵州省六盘水矿区许多煤层都属于断层构造复杂开采条件，例如该煤矿内影响煤系地层的断层共有27条，落差大于30m的有7条，小于30m的有20条，其中落差50～100m的断层有F2和F10，对煤层的安全高效开采影响较大。

长期以来煤层开采受工作面断层地质构造复杂的限制，一直是低产水平、效益差、成本高、风险大。主要集中在以下几个方面：1） 采掘活动引起断层突水;2） 采动影响引起断层滑移诱发煤岩突出;3） 断层上下盘开挖引起的岩层切落滑移。尤其在“三软”煤层开采工作面，由于煤层顶板软弱，致使工作面来压具有明显的动载现象，易出现顶板基岩破断沿全厚切落，剪切裂隙成为导水通道，造成工作面台阶明显下沉;来压期间工作面易出现冒顶、煤壁片帮、两端头围岩维护困难等现象;而且软弱底板容易造成液压支架底座陷底严重，移架时阻力大，有的甚至移不动支架。造成这些现象，重要的原因是对“三软”煤层开采断层附近上覆岩层活动机理、采场应力场特征及工作面矿压显现规律没有进行系统的研究分析。

文章通过数值模拟试验研究“三软”煤层开采工作面断层附近，受采动影响下断层周围矿压显现的规律。试验研究对于相似条件下的回采工作面开采工艺具有的重要借鉴意义。

1工程概况

某煤矿位于水城县东南部该乡，矿井地理坐标为：东经104°56′49″～105°01′50″;北纬26°23′29″～26°26′06″。矿井西部有水柏铁路线通过，距井口直线距离约14km处设有玉舍火车站。井田北部有国铁株六复线经过，输送能力7400万t/a。供本矿井煤炭外运的铁路还有川黔线、内昆线、连接水柏铁路的南昆线、盘西支线等。水城至玉舍段公路为二级公路（收费公路），水城经线至玉舍乡22km、至本矿井工业场地52km。水城经贵黄高等级公路至马场桥出口约30km，至本矿井工业场地约50km。 玉舍至马场桥已建成山岭重丘区四级公路， 2010年5月以建成通车。

矿110302工作面井下位于一采区三条下山东翼，开采煤层为上二叠系龙潭煤组上段的11#、13#煤层，回风顺槽标高在+1105.0～+1125.4m;运输顺槽标高在+1058.4～+1076.2m。地面位于六盘水市水城县该乡倮么村阿德寨与姑娘山之间，地表出露地层为三迭纪飞仙关组灰绿色细砂岩及第四纪覆土层，地貌形态为高中山山地，冲沟较发育，地形为陡坡旱地，植被不发育，采矿塌陷范围内无民房建筑物及重要工业设施，地面对应标高在+1150～+1375m。

工作面开采煤层为1#、3#煤层，1#煤层及3#煤层结构较稳定，1#煤层厚度平均在1.4m左右，3#煤层厚度平均在2.3m左右。回采过程中由于由于1#煤层与3#煤层层间距逐渐减小，间距0.1-1.3米之间，因此110302（里段）工作面将回采1#煤层13#煤层。直接顶板：泥质粉砂岩，老顶：灰色中细砂岩;直接底：浅灰色泥质砂岩，遇水软化，厚0.3～1.1m，老底：灰色細砂岩。110302工作面综合柱状图如图1所示。

2数值模拟构建和方案设计

2.1 模型的建立

以该煤矿1号煤层110302工作面为现场依据，构建煤岩层数值计算模型，如图4-2所示。构建工作面走向模型的尺寸为300×60m（长×高），如图2，模拟1号煤层倾角平均为4°，煤层平均厚度为1.4 m，采高为1.4m，直接顶厚1.75 m，伪底厚0.7 m，埋深约300 m，覆岩荷载施加7.5Mpa，下方2号煤层厚度为2.3m，间距为0.7m。为分析该煤矿110302工作面开采过程中通过一逆断层F2时采场矿压显现规律，设计在模型右侧距离边缘30cm处布置开切眼，自断层上盘向断层下盘进行开采，开采至模型左侧240cm处，在模型左侧留宽度为30cm的边界煤柱。模型中逆断层沿开采煤层距离开切眼150cm，断层倾角为45o，落差为2.5cm。

2.2模拟的内容及方案设计

模拟分析“三软”煤层工作面直接顶垮落特征和基本顶破断特征，并计算出工作面初次、周期来压步距;模拟分析采动影响下“三软”煤层工作面断层附近超前支承压力随工作面推进的变化规律;布置测线，监测正断层附近应力状态;模拟分析采动影响下“三软”煤层工作面断层附近上覆岩层“三带”发育特征。沿工作面推进方向，1号煤层工作面基本顶的初次垮落步距为31m，周期来压步距为14m，为模拟工作面初次来压前后和周期来压期间围岩及顶底板的裂隙演化和应力、位移变化情况，在沿倾斜推进方向设计了以下5种模拟方案：（1）工作面的推进距离为30m;（2）工作面的推进距离为60m;（3）工作面的推进距离为90m;（4）工作面的推进距离为120m;（5）工作面的推进距离为150m。

3由正断层下盘向断层面推进试验过程及结果

由图3模拟回采工作面由断层面下盘向正断层推进时：1）工作面距离断层面距离大于60m时，顶板相对稳定，在顶板垮落后在下部成层状堆积，上部能形成岩梁结构;随着工作面逐渐靠近断层面下盘顶板的稳定性逐渐变差，顶板垮落步距变小;当工作面距离断层面距离小于30m时，工作面顶板离层超前到断层面位置在煤体中的应力集中程度升高;在工作面距离断层面 10m 时，煤体破碎，顶板岩层断裂步距变小，当工作面位于断层面下盘时，顶板岩层垮落角在 65°左右，越靠近断层面顶板岩层的垮落角和断层面的倾角越一致;2）当工作面推进到断层面位置时，煤体破碎顶板岩层的垮落角大于断层面的倾角，发育到断层面的上盘，断层位于顶板破裂围岩范围内; 3）当工作面过断层面位置后，顶板岩层垮落角大于断层面的倾角，岩层断裂步距逐渐增大，当工作面远离断层超过20m 时，工作面在断层面上盘推进过程中，受到断层的影响逐渐降低。

3结论

以该煤矿110302工作面实际地质条件为根据，结合数值模拟试验，通过对其采场覆岩结构及运动规律与矿压显现规律进行的深入分析研究，得出回采工作面由断层面下盘向正断层推进时：1）随着工作面逐渐靠近断层面下盘顶板的稳定性逐渐变差，顶板垮落步距变小;当工作面位于断层面下盘时，顶板岩层垮落角在 65°左右，越靠近断层面顶板岩层的垮落角和断层面的倾角越一致;2）当工作面推进到断层面位置时，煤体破碎顶板岩层的垮落角大于断层面的倾角，发育到断层面的上盘，断层位于顶板破裂围岩范围内;3）当工作面过断层面位置后，顶板岩层垮落角大于断层面的倾角，岩层断裂步距逐渐增大，当工作面远离断层超过20m 时，工作面在断层面上盘推进过程中，受到断层的影响逐漸降低。

参考文献：

[1] 闫建兵，张东峰，张小强，张佳飞.复采工作面横跨煤柱上覆岩层运移规律研究[J].矿业安全与环保，2018，45（5）：37-41.

[2] 崔聪，张浪.水力压裂对煤层应力影响的实验研究[J].矿业安全与环保，2018，45（4）：12-16.

[3] 苏涛，梁冰，李刚.晋华宫矿多煤层开采围岩运动规律模拟与试验研究[J].矿业安全与环保，2018，45（2）：30-35.

作者简介：

杨忠宝（1999.09）男，水族，贵州省三都水族自治县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究