增子坊矿厚煤层采动及断层影响下矿压显现规律

高 飞

(晋能控股煤业集团 铁峰煤业有限公司，山西 右玉 037200)

随着我国经济的不断发展，煤炭需求量不断增加，华东、东北等地赋存条件较好的煤炭资源日益枯竭，大量矿井面临复杂构造煤层的开采难题，断层就是煤矿井下最常见的地质构造之一。

断层内部节理裂隙发育，割裂了地下岩体的完整性，附近进行采掘活动时，受断层应力阻隔作用导致采动应力分布异常，容易在断层附近造成严重的事故，给煤矿安全生产造成巨大威胁[1-4]。因此深入剖析断层影响下工作面采动时围岩的应力及破坏特征，对矿井的安全生产、灾害防治具有重要意义。增子坊矿工作面赋存多条影响较大的断层，对工作面回采造成威胁，因此本文对该矿断层影响下工作面回采矿压显现规律进行研究，为工作面的生产安全提供依据。

工作面采用两巷布置，见图1，5300-1运输巷、5300-1回风巷沿5号煤层底板掘进。5300-1工作面东部为实煤体，西侧留设5300工作面保护煤柱7 m。该工作面地层大致为不对称背斜构造，中南部高，两边低，相对高差50 m左右。5300-1工作面共计揭露正断层10条，断层落差1.0～20.0 m，其中F7、F8、F9断层对工作面回采影响较大，断层具体位置及落差见图1。F7断层走向275°，倾向NE，倾向45～60°，落差20.0 m；F8断层走向317°，倾向WS，倾向50～60°，落差20.0 m；F8断层走向287°，倾向WS，倾向75°，落差19.0 m。

图1 工作面布置及断层分布

1 工程概况

5300-1工作面位于增子坊矿53盘区中东部，南起53盘区胶带巷，北隔35 m为35 m正断层；西邻已采5300工作面；东部为实煤体，采用综放开采；该工作面为53盘区首采(5号)煤层，上覆无采空区和积水。所采5号煤层赋存较稳定，平均煤厚11.50 m，煤层含1～7层夹矸。单层夹矸厚度0.2～2.83 m，煤层平均倾角2.5°，煤层各顶板的岩性见表1。该工作面水文地质条件简单，正常涌水量0.5 m3/h，最大涌水量1.5 m3/h。

表1 煤层顶板底板岩性

2 断层导致的灾害类型

断层等地质构造的存在对矿井的安全开采具有重大影响，断层附近岩体破碎、完整性差、 岩体强度低且易变形，再加上工作面回采的采动影响，使断层“活化”，进而破坏工作面围岩的稳定性，容易诱发地质灾害，如冒顶、地表沉陷、矿井突水、冲击地压等。

1) 冒顶。断层破坏了煤层顶板的结构完整性。当工作面推进到靠近断层时，在采动扰动及矿压作用下，煤层顶板沿断层面两侧出现滑移，无法形成稳定的砌体梁结构，导致断层面附近煤岩体破碎程度升高、破碎区范围增大，冒顶事故的倾向性增大。

2) 地表沉陷。一方面断层的倾角越大对地表的沉陷影响越大，且当断层倾角、位置一定时，断层露头处离地表越近时，断层对地表沉降的影响越大。断层在采动影响下产生了离层体，这一离层体的产生将导致断层所在岩体的移动[5]。

3) 矿井突水。断层岩体在水源浸泡下崩解而丧失强度，且极易形成突水通道。采动下断层活化促使裂隙扩展，削弱了隔水层的隔水性，利于导水从而引发突水；如果断层是封闭含水的断层，在采动作用下，断层带中封闭水的水压增加，加强了水压对岩石的破坏作用，有助于断层的活化[6]。

4) 冲击地压。断层形成过程中，断层两侧煤岩体中形成了大量以水平应力为主的构造应力。煤层开采前，断层两侧岩体处于稳定的力学平衡状态；但当煤层开采后，随着采空区顶板断裂、失稳、垮落，导致顶、底板中的水平应力发生转移，构造应力在释放过程中会导致断层附近煤岩体发生破坏而引起震动，进而诱发冲击矿压[7-8]。

3 断层工作面回采应力分布特征

本文基于300-1工作面的工程地质条件，利用FLAC3D数值模拟计算软件研究工作面断层在工作面回采过程中围岩工作面应力分布及回采巷道变形破坏特征进行分析。

3.1 数值模型构建

本文基于5300-1工作面的工程地质条件，利用FLAC3D数值模拟计算软件研究工作面断层在工作面回采过程中围岩工作面应力分布及回采巷道变形破坏特征进行分析。建立图2所示的模型，模型为沿走向长度为300 m、倾向为100 m、高度为86 m。模型的顶部施加均布载荷，四周及底边固定，设定法向约束。各岩层的参数采用实验室测得的力学参数，采用FLAC3D数值模拟软件中的interface 可模拟岩层的接触面直接相互挤压、错动及分离的作用过程，因此可通过interface命令来模拟断层，利用接触面的参数：法向刚度、切向刚度、粘结力及摩檫力来模拟断层的参数，为了便于建模及计算，模型中断层倾角45°，落差20 m。计算采用Mohr Coulomb强度准则，垮落带采用双屈服模型处理。

图2 数值模型图

3.2 工作面超前支承压力分布

图3为工作面推进过程中超前支承压力的分布情况，离断层位置分别为推进到断层左侧(上盘)80 m、55 m、30 m和0 m，推进断层右侧(下盘)25 m、50 m。可以发现：在断层上盘时，工作面推进过程中离断层距离越近，超前支承压力峰值不断增大，从10.67 MPa增加到26.5 MPa，离断层越近，峰值应力增加的梯度越大。当回采到断层位置附近时，由于断层对应力的阻隔作用，高应力的作用范围逐渐减小，应力更多是集中于断层位置区域的岩层。当在工作面下盘开采时，工作面超前支承压力峰值明显小于上盘开采时期，仅有6 MPa左右；但断层附近岩体的应力集中系数进一步增大。

3.3 超前影响阶段围岩巷道应力及破坏特征

工作面回采时，在断层附近应力集中系数显著增大，回采巷道必然受到超前支承压力的扰动影响，断层附近更是如此。图4为巷道不同测点受工作面超前支承压力影响下的塑性区分布，1号测点选取断层影响较弱处，2号测点选取断层影响较强的上盘位置，3号测点选取断层影响较强的下盘位置。从图5可以发现：1号测点在超前支承压力影响下，巷道最大塑性破化深度左帮3 m、右帮4 m、顶板6 m，右帮塑性区与工作面前方煤体塑性区有贯通趋势；2号测点巷道最大塑性破坏深度左帮4 m、右帮与顶板塑性区与工作面前方煤体及顶板塑性区贯通，破坏严重；3号测点巷道最大塑性破坏深度左帮2 m、顶板3 m，右帮塑性区与工作面前方煤体塑性区贯通；说明在断层影响下，当巷道位于断层上盘时，巷道超前影响段围岩破坏严重；当巷道位于断层下盘附近时，巷道围岩破坏程度较小。

图4 巷道不同位置处塑性区分布图

图5 巷道不同位置处帮部应力分布图

图5为不同测点处的垂直应力分布曲线，可以发现，断层上盘影响段垂直应力峰值最大，且峰值点离巷道帮部最近，导致巷道煤岩体处于高应力中，巷道失稳破坏。断层下盘影响段，垂直应力峰值最小，且峰值点离巷道帮部最远，巷道稳定性相对较好。因此在工作面回采过程中，工作面推进到断层附近时需加强支护，尤其是对于实体煤侧，煤岩破碎，支护困难。从巷道围岩变形破坏的特征来看，塑性区主要集中在实体煤侧及巷道顶板，呈现不对称特征，需要对巷道不同区域进行针对性控制。

4 结 语

1) 本文以增子坊矿5300-1工作面位于具体工程地质条件为背景，分析其断层的赋存情况及影响，基于前人的研究分析，总结了断层对地质灾害形成的影响规律。

2) 通过FLAC3D数值模拟软件模拟断层影响下工作面超前支承压力的分布规律、巷道不同位置超前影响段垂直应力分布及围岩破坏特征，结果显示：在断层上盘，工作面推进离断层越近，超前应力峰值越大，断层附近岩体应力越集中；工作面推进到下盘时，超前应力峰值较小；巷道在断层上盘附近时，在应力与断层耦合作用下应力集中，围岩变形破坏严重；巷道在断层下盘附近时，应力较小，围岩破坏甚至小于无断层影响下的巷道。

3) 本文分析了断层下工作面及巷道围岩应力及破坏特征，这对于工作面回采时的安全生产具有重要意义，对同类矿山断层影响工作面回采具有一定的指导意义。