厚硬岩层下不规则断层煤柱冲击危险性研究与实践

何晓义，王川

（枣庄矿业集团滕东煤业有限公司，山东 枣庄 277000）

1 不规则断层煤柱概况

滕东煤业主采3 下煤层，矿井一采区平均煤层厚度为5.11m，煤层上方80m 范围内分布一层厚度约为70m的巨厚砾岩。3下113 工作面平均采深950m，与南部的3下105、3下107、3下109 工作面采空区间留有一段60 ～450m 的不规则煤柱，如图1 所示。该煤柱被DF19 断层（落差0 ～12m）切割。

图1 不规则大煤柱分布情况

2 断层型煤柱冲击地压机制

断层切割的作用是使煤岩体的物理力学性质及应力分布在断层处产生不连续。当采掘接近断层时，产生断层煤柱(工作面推进方向垂直于断层走向时，断层煤柱位于断层和工作面之间；工作面推进方向平行于断层走向时，断层煤柱位于断层和区段巷道之间)，断层活化和煤柱破坏可以诱发冲击地压，称为断层煤柱型冲击地压。根据断层区域范围内冲击地压主要诱发因素的不同，断层煤柱冲击可分为煤柱破坏型冲击、断层活化型冲击和耦合失稳型冲击。

煤层开采前，断层区域处于原始的应力平衡状态，断层上盘和下盘在断层面处产生巨大水平挤压应力并保持相对稳定。煤层在开采过程中，经常造成煤层顶板冒落和煤层底板岩体破裂，产生震动波并向四周传播，传播至断层时造成断层面填充物和闭锁段产生急剧压缩、剪切、膨胀甚至破碎，导致闭锁段的摩擦强度降低；若煤层上方存有坚硬的老顶难以随回采及时垮落，则煤层的顶底板可以传递水平挤压应力，在断层面处垂直应力和水平应力比值变化较小，断层面夹角不变；当闭锁段的摩擦强度降低到足够小，在满足一定条件下，断层闭锁段便开始解锁滑移，断层上下盘产生剪切错动，引发震动，闭锁段积聚的弹性能被释放，发生断层活化型冲击地压(见图2(a))。

图2 断层煤柱型冲击地压机制分析示意图

断层煤柱形成后，如图2(b)所示，断层煤柱受力由三向变成两向，受到沿煤层面方向的约束减小，加上直接顶冒落导致其传递应力的作用降低，产生远离煤柱方向的应力减小，而煤层的顶底板中存在沿煤层面指向断层方向的较高的挤压应力，煤层与顶底板间因较高的应力差而产生强剪切作用；煤层老顶下沉及上覆岩层的重力使断层煤柱被夹在顶底板之间，积聚大量的弹性能，产生较高的支承压力。在强剪切力作用和高支承压力作用下，断层煤柱靠近采空区的部分先达到强度极限而冲击破坏，积聚的高能量将煤岩体冲向巷道空间而得以释放，发生煤柱破坏型冲击地压。

断层煤柱形成后，一方面，工作面回采扰动容易使断层闭锁段的摩擦强度降低造成断层活化；另一方面，断层煤柱中产生高支承压力，存在这样一种状态，即煤柱中的应力水平接近煤体的极限强度，或者应力水平与煤体极限强度相差较大。此时，单纯的断层解锁滑移、断层煤柱释放能量不足和应力未到煤柱极限强度，均不能使煤岩体产生冲击破坏，但两者耦合、叠加影响能诱发冲击地压：断层解锁滑移产生矿震，释放的能量传递给煤柱的瞬间动应力增量非常大，该动应力增量与煤柱中的静态应力叠加后的应力水平超过煤体极限强度，致使煤岩体冲击破坏；同时，煤岩体冲击破坏时的扰动反向左右加快了断层滑移，使断层释放能量增多。断层滑移释放的能量与煤柱中积聚的能量两者叠加，发生耦合失稳型冲击地压。

3 厚硬岩层影响下不规则断层煤柱力学分析

该煤柱受力主要为上覆岩层的自重应力、断层构造应力、采空区侧向支撑应力3 部分。

3.1 自重应力

正常情况下，煤柱受上覆岩层的压力为：

式中，γ为上覆岩层的平均容重，此处取2.5；H为采深，取955m。

3.2 断层应力

根据工程经验，断层落差是诱发工作面冲击地压的主要因素，其对应的应力集中系数和影响范围如表1所示。

表1 断层落差与应力集中系数和影响范围的关系

为了定量分析断层两侧应力的分布状态，将断层两侧应力分布情况近似为等腰三角形分布，如图3 所示，对断层上盘应力分布状态进行分析。

图3 断层上盘应力分布状态图

则断层上盘附近应力状态可用下列分段函数表示：

断层下盘附近的应力分布状态也与上盘类似。

DF19 断层落差最大12m，根据表1 断层落差与应力集中系数的关系，应力集中系数取1.3，断层单侧影响范围L 为60m，则受断层影响下的最大构造应力为：

式中，k 为断层应力集中系数，此处取1.3；其他同上。

3.3 采空区侧向支撑应力

近水平煤层的工作面开采后，采空区周围岩层运动处于非充分采动阶段，顶板岩层破裂高度约为采空区宽度的一半。采空区上覆岩层的运动是以岩层组为单位的，每个岩层组中的厚硬岩层作为关键层，控制着该岩层组的变形和运动。各岩层组在工作面前方产生离层，离层出现在上方岩层组的关键层和下方岩层组的软弱岩层之间，采空区一侧离层端的连线称为岩层移动线，该线与水平线的夹角α 称为岩层的移动角。采空区一侧煤体的侧向支承压力σ 由自重应力σq和应力增量Δσ 等两部分组成，即

式中，Δσ 等于采空区上方各关键层悬露部分传递到一侧煤体上的压力之和，即Δσ=Σσi；σi为第i 层关键层悬露部分传递到一侧煤体上的压力，i=1 ～n。

每个关键层悬露部分传递到采空区一侧煤体的重量约为其重量的一半，传递到采空区一侧煤体的应力增量呈等腰梯形分布，如图4 所示，则第i 个关键层传递到采空区一侧煤体的应力增量为：

图4 计算模型

式中，σmaxi为第i 层关键层在采空区一侧煤体上产生的最大支承压力，σmaxi=Qi/Hicotα；Mi为第i 层关键层厚度；Hi为第i 层关键层厚度中心到煤层底板的距离，Hi=I+ Mi/2+ΣMj(j=1 ～i-1)；2I 为采空区宽度；Qi为第i 层关键层在采空区悬露部分重量的一半，Qi=LiMiγ/2；Li为第i 层关键层厚度中心位置在采空区的悬露长度，Li=2I+2Hicotα；γ为岩层容重。

将n 个关键层悬露部分产生的应力增量叠加，从而得到应力增量Δσ。

由自重产生的应力σq为

式中，H 为采深。

考虑到基岩厚度相对较大，这里取岩层移动角α约为84°。取采深为955m，工作面倾斜长度I 取3下103、3下105、3下107 三个采空区见方时的最大跨度400m，可得分段函数中自变量的计算区间为：[0 21]、[21 61]、[61 100]、[100 121]、[121 ∞]。

简化计算过程，将岩层破裂范围以上的岩层作为一岩层组，则其厚度M1为750m。将工作面参数代入式(1)～(3)，同时取岩层容重γ为2.50t/m3，可得具体的侧向支承压力压力的计算公式为

计算得到断层煤柱南侧采空区的侧向支承压力分布，如图5 所示。从图中可以看出，采空区外侧煤体侧向支承压力峰值位置距采空区约61m，支承压力峰值约为95MPa；距采空区0 ～15m 为低应力区；距采空区15～121m 为支承压力影响区；距采空区121m 以外为原岩应力区。

图5 不规则煤柱南侧采空区侧向支承压力曲线

图6 不规则断层煤柱中断层简化分布图

3.4 自重应力、断层应力及采空区侧向转移应力耦合叠加

分别计算自重应力、断层应力及采空区侧向转移应力后，需将三者耦合叠加才能得到不规则断层煤柱的真实受力情况。

由于DF19 断层与一采区工作面并非完全平行，为简化计算，此处沿3下107 运输顺槽将断层分为东西两部分，并作以下分析：西侧DF19 断层平行于3下103 及3下105 切眼，并沿断层煤柱边缘分布；东侧DF19 断层平行于3下107 切眼，并沿断层煤柱中部分布。

根据以上分析，对自重应力、断层应力及采空区侧向转移应力进行耦合叠加，叠加时需遵循以下原则。

（1）只取增量原则，即不重复计算垂直应力。

（2）构造优先原则，即存在构造应力时，则垂直应力不计。

计算方式如下：

①西侧不规则断层煤柱应力分布。根据上述原则，进行应力叠加后的西侧不规则断层煤柱应力分布见图7，由图可知，自煤柱南侧向北61m 为煤柱应力峰值区，应力值为93.94MPa。

图7 西侧不规则断层煤柱应力分布图

②东侧不规则断层煤柱应力分布。根据上述原则，进行应力叠加后的东侧不规则断层煤柱应力分布见图8，由图可知，自煤柱南侧向北60m 为煤柱应力峰值区，应力值为99.56MPa。

图8 东侧不规则断层煤柱应力分布图

4 结语

根据覆岩空间结构的不规则断层煤柱应力分布的估算方法，计算得到现阶段开采过程中一采区中北部不规则断层煤柱的应力分布情况，根据应力分布特征，合理地划分了3下113 工作面的冲击危险区，制定合理的监测预警方案与防治措施，实现了3下113 工作面安全开采，同时对于类似地质条件下的开采冲击地压防治有很好的借鉴意义。