硬厚顶板下邻断层工作面不同推采方向应力特征分析

王 普，周海勇，万广绪，郑朋强

( 1. 山东科技大学 资源学院，山东 泰安 271019；2. 汶上义桥煤矿有限责任公司，山东 济宁 272511；3. 鄂托克前旗长城三号矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 016299 )

随着开采深度和开采强度的增大，煤矿地质条件愈发复杂，井下矿压现象愈发显著，动力危害增多，如引发冲击地压、矿震、支架压架、瓦斯突出 等[1-2]。统计表明，断层构造条件下，受断层切割及阻隔效应，断层附近开采危险性更大；坚硬厚层顶板赋存时，采动后硬厚岩层长时间持续悬空积聚的弹性应变能一旦突然释放，也将诱发严重的动力灾害事故。上述2种地质条件在煤矿中最为常见和最具代表性[2-3]。如，龙凤煤矿中断层引起的冲击地压次数( 36次 )占监测期间冲击地压事故总数( 50次 )的72%；千秋煤矿21201和21221采区发生2次严重的巷道损坏和伤亡事故，均是由开采空间上方巨厚坚硬砾岩和F16断层共同作用所致[4]。可见，硬厚岩层和断层条件下工作面开采，采场矿压现象兼受2种地质条件影响，且受其相互耦合作用，将表现出极具破坏性的矿压显现。

国内外诸多学者采用多种研究手段和方法对坚硬厚层顶板或断层赋存开采条件进行了大量的研究。如，谢小平[5]等采用试验测试研究了断层附近巷道围岩破碎区域范围和构造应力规律，提出了相应的控制对策；SAINOKI A[6]等将Barton抗剪强度模型嵌入FLAC3D建模中，揭示了表面粗糙的断层更易诱发危害较大的矿震事件；武泉森[7]等采用数值模拟方法研究了断层煤柱及倾角对采动应力及能量分布的影响特征；JIANG Lishuai[8]等通过物理模型试验展示了断层附近开采覆岩运动宏观现象及其结构演化特征；宋彦琦[9]等通过建立过断层围岩体物理模型，分析了不同物理参数对巷道双断层构造段处围岩体力学行为的影响，并对其应力场分布进行了数值模拟展示；NING Jianguo[10]等详细研究了坚硬厚层岩层破坏运动特征，提出了控制其大面积悬空的方法，进而尝试降低冲击危险程度；XIA Binwei[11]等采用多种方法研究煤柱对坚硬岩层运动及裂隙发育的影响，可为工作面煤柱留设、坚硬顶板治理等提供参考依据；蒋金泉[12]等研究了坚硬顶板下工作面向逆断层推进过程中的采动应力演化特征、煤层顶板运动特征及断层活化规律等；WANG Pu[13]等研究了硬厚岩层赋存条件下工作面过断层时的矿压现象和冲击地压诱发机理，并将冲击地压诱发划分了2个阶段。

以往研究大多描述了硬厚岩层或断层赋存单一条件下工作面采动围岩响应特征，而同时考虑硬厚顶板和断层共同作用对冲击地压等动力灾害影响的研究较少，也未对此种复杂地质条件下工作面不同开采方向围岩响应特征做对比及优化分析。开采扰动严重影响着工作面应力分布及特征，应力场及其动态演化对煤矿冲击地压产生影响。基于此，考虑坚硬厚层顶板和断层赋存条件，利用UDEC模拟软件研究硬厚顶板下邻断层工作面不同开采方向应力分布及演化特征，分析推采方式对应力特征及其诱发冲击潜在危险主控区域的影响与差异，以期研究结果可为类似条件下冲击地压预测及危险区域划分、工作面布设、开采顺序选取与断层煤柱留设等提供参考。

1 数值模型建立

根据研究目的和预期结果，建立上覆硬厚岩层工作面与断层相对位置关系的UDEC数值计算模型，研究不同开采方向上覆硬厚岩层工作面邻断层应力特征，进一步分析应力对断层附近冲击地压的诱导作用。模拟计算时，为凸显研究目的及研究效果，将硬厚岩层厚度设置为60 m，且距开采煤层距离为60 m。最终确定模型尺寸为700 m(长)×238 m(高)[1]，其中顶板厚度约140 m，底板厚度为90 m，两侧各留设150 m煤柱，以消除边界效应， 模型模拟煤层埋深500 m。根据以往的研究，我国 许多煤矿总体地质结构相对简单，以中小正断层 为主，而正断层倾角一般大于45°[14-15]，因此选取 小正断层作为研究目标，设计断层宽度为2 m，并用软弱带表征[16]，落差4 m，倾角60°，如图1所示。为较好地模拟工作面的采动状态，开采盘直接顶划分为随机节理，且附近网格划分稠密，为了减少运算时间，模型边界附近及开采盘对盘网格划分相对稀 疏[16-17]。

图1 数值计算模型 Fig. 1 Numerical calculation model of UDEC

模型岩体力学参数一般直接由实验室测定获得，或参考具有相同或相似地质和采矿条件的文献获取。本文岩体和断层力学性质及参数主要参考现有文献，详情见表1[1,12,18]。

表1 顶底板岩层物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of roof-floor

计算模型底部施加位移限定边界，两侧施加梯度应力边界和水平位移限定边界，顶板施加应力边界。经计算可得，模型顶部需施加均布垂直荷载9.0 MPa，水平方向施加的梯形分布荷载为垂直方向的0.5倍。模型中模拟岩体采用摩尔-库仑本构模型，模拟节理选择节理面接触-库仑滑移本构模 型。

2 不同推采方向采动应力分布及演化规律

工作面开采形成应力集中区，煤岩体内易积聚大量的弹性应变能，应力场及其动态演化对井下冲击地压等动力现象有显著影响。在计算模型中设置S1，S2共2条应力监测线，如图2所示。其中S1位于上盘煤层中间( 94 m水平 )，用以监测煤体支承压力；S2位于距下盘煤层65 m处的硬厚岩层中，用以监测硬厚岩层支承压力。

图2 应力监测线布设示意 Fig. 2 Layout of stress monitoring lines

2.1 不同推采方向采动应力演化特征

上、下两盘工作面向断层开采时，选取典型状态( 不同剩余断层煤柱 )采动应力分布云图，并提取剩余断层煤柱为60～10 m时S1和S2测线应力监测数据，得到不同开采方向煤岩体应力变化曲线。上盘工作面向断层开采采动应力分布云图及煤体与硬厚岩层应力变化曲线如图3，4所示。

图3 上盘工作面向断层开采采动应力分布云图 Fig. 3 Nephograms of mining-induced stress with typical mining state in hanging wall

图4 上盘工作面向断层开采煤体与硬厚岩层应力变化曲线 Fig. 4 Stress variation of coal body and hard thick stratum with hanging wall mining

由图3，4可知，上盘工作面向断层开采，当剩余断层煤柱不小于110 m时，开采活动对煤岩应力影响较常规，断层基本不受采动影响；当剩余断层煤柱缩至60～40 m且承载能力仍较强时，断层切割使覆岩成倒楔形，采空区上方硬厚岩层悬空使煤柱应力峰值持续升至26.97 MPa，且渐进断层，并受断层应力阻隔效应增强的影响，应力影响区逐渐缩小，但应力显著增高区则向高处扩展，使硬厚岩层支承压力增大，此时断层外侧( 下盘 )煤岩体内呈现较小的应力集中；当剩余断层煤柱继续减至30～20 m时，煤柱塑性破坏，承载能力降低，但受硬厚岩层持久悬空的影响煤体支承压力仍较高，煤柱应力峰值为25.44 MPa( 煤柱20 m )，同时硬厚岩层应力峰值升至最高22.94 MPa，且断层外侧呈现明显的应力集中区；当剩余断层煤柱减至10 m时，煤体应力峰值因煤柱塑性破坏显著而降低至13.02 MPa，硬厚岩层破裂沉降使其应力同样降低，但受已运移岩层对硬厚岩层的支撑作用，上盘集中应力可有效传递至下盘煤岩体，断层下盘煤体应力急剧增高，应力峰值可达到29.75 MPa。

下盘工作面向断层开采采动应力分布云图及煤体与硬厚岩层应力变化曲线如图5，6所示。

图5 下盘工作面向断层开采采动应力分布云图 Fig. 5 Nephograms of mining-induced stress with typical mining state in footwall

图6 下盘工作面向断层开采煤体与硬厚岩层应力变化曲线 Fig. 6 Stress variation of coal body and hard thick stratum with footwall mining

由图5，6可知，下盘工作面远断层开采应力分布与上盘同期类似，均呈常规演化。当剩余断层 煤柱减小至60 m时，断层倾向及阻隔效应与硬厚 岩层大面积悬空明显影响煤岩体应力分布，煤岩 体应力集中程度较高，且对硬厚岩层影响较煤体 更显著，并在对盘( 上盘 )形成较小的应力集中；当 剩余断层煤柱为50～30 m时，断层倾向使采场上 部荷载不能有效传递至煤柱，煤体支承压力显著 降低( 煤柱50 m )，后随开采断层阻隔效应的增强逐渐升高至23.69 MPa( 煤柱30 m )，且下盘煤岩体应力转移至对盘( 上盘 )，在上盘断层附近形成高应力集中区；当剩余断层煤柱为20～10 m时，下盘煤体 塑性破坏而支承压力显著降低，同时下盘硬厚岩层回转运动带动上盘覆岩运动并挤压下盘岩层，形成较稳定的结构，在上盘形成高集中应力并不断前移。

2.2 不同推采方向采动应力特征及其对冲击地压的诱发影响

由不同推采方向工作面采动应力特征分析可知，断层切割形成断层煤柱与覆岩异形结构、断层倾向与阻隔效应，以及硬厚岩层持久悬空对采动应力及其引起的潜在冲击危险均存在显著影响。主要表现为：

( 1 ) 上盘工作面向断层开采，当剩余断层煤柱较大( 60～10 m )时，硬厚岩层未破裂沉降，上盘煤岩体受断层阻隔与硬厚岩层持久悬空，煤岩体的应力集中程度较高，上盘存在较高的冲击潜在危险；当剩余断层煤柱较小( ≤10 m )时，采动引起硬厚岩层运动沉降，上盘应力可转移至对盘( 下盘 )并使对盘断层附近煤体应力升高，冲击潜在危险增强，不利于下盘断层附近工作面布置以及巷道、硐室等工程的维护。

( 2 ) 下盘工作面向断层开采，当剩余断层煤柱宽度足够大时，硬厚岩层可有效作用于煤柱之上，下盘煤体支承压力受硬厚岩层大面积悬顶影响的集中程度较高，下盘煤体冲击危险性较高；当剩余断层煤柱减小( ＜60 m )时，断层煤柱承载力降低，且断层倾向使硬厚岩层不能有效加载于煤柱，煤岩支承压力向对盘转移，开采盘煤岩支承压力小于对盘( 上盘 )，不利于对盘采场巷道、硐室的布置与维护。

综上分析，基于断层切割与倾向效应作用，开采盘剩余断层煤柱宽度与硬厚岩层结构及力学特点显著影响断层附近煤岩体应力场与其潜在冲击主控区域，且不同推采方向对煤岩体应力和冲击主控区域作用不同，动力危险区域存在差异。如，上盘工作面开采应力显著增强区主要处于本盘剩余断层煤柱中，仅在断层煤柱较小( ＜10 m )时对盘呈现明显的应力升高区，而下盘工作面开采断层煤柱仍较大( 60 m )时，应力显著增强区域就已转移至对盘煤岩体内，因此当断层附近煤柱宽度减小至一定程度时，无论上盘或下盘开采，断层附近都具有潜在冲击地压的危险。但须明确不同开采方向所影响的冲击主控区域，方可为工作面开采动力灾害区域划分、治理或工作面布设、断层煤柱留设与开采顺序的选择等提供一定的参考。

2.3 不同推采方向断层对硬厚岩层破断影响的理论分析

当工作面前方揭露断层且上覆硬厚岩层被贯穿切割后，下盘开采断层两侧的硬厚岩层不受彼此约束，可将断层侧视为自由边界，而上盘开采时本盘硬厚岩层运动将受对盘岩层约束，可将断层侧视为简支边界。如图7所示，根据上、下盘工作面向断层开采时覆岩不同的运动特点，建立了不同推采方向断层对硬厚岩层结构影响的模型示意图[19]。

图7 断层赋存时硬厚岩层结构形态 Fig. 7 Forms of hard and thick stratum affected by fault

下盘工作面向断层开采时，受断层切割作用，两盘覆岩运动不同步，断层两盘硬厚岩层位移差可用悬臂梁模型进行分析，则由悬臂梁模型可得两盘硬厚岩层挠度之差如式( 1 )所示[20]。

式中，ffw，fhw，fwΔ 分别为下盘工作面开采时，下盘、上盘硬厚岩层挠度及两者的挠度差，m；η为硬厚岩层悬空长度系数，0＜η≤1；EI为顶板岩层抗弯刚度，N·m2；q为作用在硬厚岩层上的载荷，Pa；a为硬厚岩层悬空长度，m。

上盘工作面向断层开采时，上盘运动受下盘岩层约束，断层面上存在一个断层约束力F，根据一端固支、一端简支梁模型进行分析，且在简支端位移协调条件为[20]，则可得：

式中，hfw，hhw为上盘工作面开采时，下盘、上盘硬厚岩层挠度，m。

为了更好地解释开采方向对断层切割硬厚岩层的影响，由式( 1 )～( 2 )得到硬厚岩层悬空长度系数η与位移差 fwΔ 、断层约束力F的关系，如图8所示。可见，随着η的增大，下盘开采时断层两盘硬厚岩层位移差 fwΔ 增大，两盘运动不协调性增强，表现为明显的断层错动与张开；而上盘开采时断层面约束力F也随着η增大而升高，极易造成应力高度集中，容易造成断层剪断或错动，进而诱发冲击地压等动力灾害[19]。

图8 硬厚岩层悬空长度系数η与位移差 Δw f、断层 约束力F的关系 Fig. 8 Relationship between suspension length coefficient of HTS and displacement difference or constraint force at fault

可见，虽然不同推采方向对受断层切割硬厚岩层的影响及其对动力灾害诱导方式不同，但仍可得到无论上盘或下盘工作面开采，工作面都将受断层( 断层切割与倾向效应 )和硬厚岩层( 大面积悬顶和运动沉降 )等特性的显著影响，易在断层附近引起潜在冲击危险的结论，与2.1～2.2节数值模拟部分结果分析较为一致。因此，现场工作实践应尽量避免硬厚岩层大面积悬顶，尤其是受断层切割影响的硬厚岩层，从而降低冲击危险程度及其他动力灾害。

3 工程实例

鲍店煤矿103上02工作面位于103上01与103上03采空区之间，平均采深460 m，采厚6.09 m，煤层上方赋存200 m厚红层砂岩，单轴抗压强度70 MPa，属于典型的硬厚岩层；开切眼附近揭露X-F7(H=24 m， ∠45° )和X-F20(H=0.8～2.5 m，∠60° )2条断层[13]。二者均对工作面采掘存在影响，属于本文所研究的坚硬厚层顶板和断层共同赋存的典型条件。2008年7月矿方安装SOS微震监测系统，记录了2008年8月1日和2008年8月15日2起矿震事件，巷道有强烈震感、突然煤炮等现象。

图9为2008年8月1—31日期间工作面采掘微震事件监测情况，其中在工作面推进110～165 m时( 2008年8月1—15日 )，监测到8月1日和15日诱发了5次矿震，最大能量分别为2.85×106J和4.18×106J，如图9( b )所示，且事故截面分布显示，2次大能量事件均处于红层砂岩内部及X-F7断层附近，如图9( a )所示，震源深度分别为-140.61 m和-525.78 m。根据现场监测分析与矿方提供的验收报告，矿震事件诱发原因为工作面推至“见方”阶段前后，受开采扰动及X-F7断层切割影响，采空区上方约150 m处即将断裂的200 m厚红层砂岩逐步断裂扩展，并诱发断层活化错动，导致大量应变能释放并产生强烈震动，进而在上覆红层砂岩和断层共同作用下诱发了上述2次矿震事件[21]。因此，结合第2节分析结果，103上02工作面2次现场矿震事件诱发原因与前述数值模拟结果诱因在一定程度上较为吻合，即受断层切割、活化与硬厚岩层持久悬空及其破坏运动等影响，易诱发冲击地压。同时，证明了数值模拟和理论分析中断层切割硬厚岩层对采场冲击潜在危险的影响及应避免受断层切割影响的硬厚顶板大面积悬顶破坏的结论。研究结果可为类似条件下冲击地压或矿震等预测和防治提供参考。

图9 8月1—31日期间微震事件分布及其能量和频次[13] Fig. 9 Distribution and analysis of microseismic events and their energy and frequency during August 1—31[13]

4 结 论

( 1 ) 上盘开采剩余断层煤柱较大( 10～60 m )时，上盘煤岩体受断层阻隔与硬厚岩层持久悬空的影响，其应力集中程度较高，上盘存在较高的冲击潜在危险；当剩余断层煤柱较小( ＜10 m )时，上盘煤岩应力转移至对盘( 下盘 )使对盘断层附近煤体应力升高，冲击潜在危险性增强，不利于下盘断层附近工作面的布置，以及巷道与硐室等的维护。

( 2 ) 下盘开采剩余断层煤柱足够大时，下盘煤体受硬厚岩层大面积悬顶有效加载的影响，其应力集中程度较高，下盘煤体冲击危险性较高；当剩余断层煤柱减小( ＜60 m )时，煤柱承载力降低且硬厚岩层因断层倾向不能有效加载其上，使煤岩应力转移至对盘( 上盘 )并明显高于开采盘，不利于对盘工作面及巷道采掘与维护。

( 3 ) 对比发现上盘工作面开采应力显著增强区主要处于本盘剩余断层煤柱中，仅在煤柱较小( ＜10 m )时对盘呈现明显的应力升高区，而下盘开采断层煤柱仍较大( 60 m )时，应力显著增强区域就已转移至对盘煤岩体内，冲击潜在危险区域随之发生转移。

( 4 ) 无论上盘或下盘工作面开采，当断层煤柱宽度一定时，断层两盘附近都将承受冲击潜在危险，但须明确不同推采方向所影响的冲击潜在主控区域，方可为工作面开采动力灾害区域划分、有效治理或工作面布设、断层煤柱留设、开采顺序选择等提供参考。