師皓宇，田 多

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

綜放工作面過地塹構(gòu)造采場圍巖狀態(tài)研究

師皓宇，田 多

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

為掌握綜放工作面過地塹構(gòu)造前后采場圍巖狀態(tài)變化，以34201綜放工作面Fs27斷層和Fs28為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬計算方法，計算分析了工作面推過地塹構(gòu)造前后采場圍巖的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力、最大主應(yīng)力、剪應(yīng)力，可以得出：斷層的存在對工作面圍巖應(yīng)力狀態(tài)影響較大，超前影響距離約為20m左右；斷層附近的裂隙帶發(fā)育高度較大，由拉應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用下的裂隙帶高度最大可達(dá)80m左右，對上覆巖層導(dǎo)水影響較大。針對礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與裂隙帶發(fā)育規(guī)律提出過地塹構(gòu)造的技術(shù)措施。

綜放工作面；地塹構(gòu)造；圍巖應(yīng)力；活化高度

采場頂板結(jié)構(gòu)經(jīng)過近30年的研究后，頂板事故得到了有效的控制[1-3]。斷層是影響煤炭開采重要的地質(zhì)因素，比如沖擊地壓的誘發(fā)、導(dǎo)水通道的形成、頂板事故等[4,5]。長期以來,國內(nèi)不少學(xué)者進(jìn)行了大量有關(guān)斷層的相似模擬和數(shù)值模擬試驗(yàn)研究[6,7]，諸如大型逆沖斷層受逆沖斷層覆巖結(jié)構(gòu)、斷層“活化”前后工作面覆巖運(yùn)動特征、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和動力響應(yīng)特征、“短砌體梁”結(jié)構(gòu)發(fā)生切落且沿斷層面滑動[8,9]。研究了工作面由斷層下盤向斷層推進(jìn)、工作面由斷層上盤向斷層推進(jìn)不同階段的應(yīng)力變化特征、活化特性等[10,11]。

1 工程背景

中煤平朔集團(tuán)井工三礦34201綜放工作面回采區(qū)域位于二采區(qū)西部南鄰二采區(qū)4煤輔運(yùn)大巷；北鄰礦界保護(hù)煤柱；西鄰一、二采區(qū)分界線；東鄰二采區(qū)34202工作面，如圖1所示。34201工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，掘進(jìn)過程中共揭露斷層37條，其中落差大于10 m的4條，落差5～10 m的11條，落差小于5 m的22條，本文主要研究較大正斷層Fs27和Fs28，其落差分別為15 m和9 m，形成地塹，對工作面的生產(chǎn)有較大影響，如圖2所示。34201工作面采用綜采放頂煤回采工藝，一次采全高，機(jī)采采高3.3 m，循環(huán)進(jìn)度0.8 m，單向割煤，往返一次割一刀。當(dāng)工作面推過地塹構(gòu)造期間，降低采高，不放頂煤。為實(shí)現(xiàn)綜放工作面安全高效通過該地質(zhì)構(gòu)造，需要研究工作面推過地塹之前、之中、之后的覆巖活動狀態(tài)，研究工作面與斷層的相互影響，以確定在工作面推進(jìn)至不同位置時應(yīng)采取的支護(hù)措施[12]。

圖1 34201工作面布置圖

34201工作面煤層總體賦存穩(wěn)定，該煤層及圍巖屬于石炭系上統(tǒng)太原組上部含煤巖段，工作面煤層厚度為4.98～14.21 m，平均8.36 m，為特厚煤層，煤層硬度f=1～3。老頂為平均厚度6.42 m的K3砂巖，直接底板為平均3.49米的砂質(zhì)泥巖，老底為平均3.54 m的細(xì)粒砂巖，如圖1和圖2所示，巖石力學(xué)性質(zhì)如表1所示。34201工作面東坡向斜核部，斷層、裂隙發(fā)育，屬防治水工作的重點(diǎn)區(qū)域，而在該區(qū)域地表有一水塘，南北寬約50～145 m，東西寬約260 m，水域面積1.5萬m2，平均水深約1m，水量約1.5萬m3，在34201主運(yùn)巷上方南北寬約50 m，掘進(jìn)過程中主運(yùn)巷安全通過地表水塘。本文采用FLAC3D的方法研究工作面推過地塹之前、之中、之后的覆巖活動狀態(tài)，研究工作面與斷層的相互影響，以確定在工作面推進(jìn)至不同位置時應(yīng)采取的支護(hù)措施。

圖2 Fs27和Fs28地塹剖面圖

巖性ρ/kg．m-1E/GPaσt/MPaC/MPaφ/°粗砂巖251213．614．695．4240中砂巖261814．326．406．8542．7砂質(zhì)泥巖24789．432．162．7633．46泥巖25808．722．573．9141．78煤層14987．411．592．1637．46

2 綜放工作面過地塹構(gòu)造數(shù)值模型

2.1 模型建立

以34201工作面和Fs27、Fs28斷層為原型，建立的數(shù)值模型，長(x方向)、高(z方向)分別為450 m、150 m，采高為3.5 m(采煤機(jī)采高)，模型頂部施加上覆巖層自重應(yīng)力。巖石的抗壓強(qiáng)度一般較其抗拉與抗剪強(qiáng)度高的多，因此本次模型計算采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。建立計算模型如圖3所示：

2.2 邊界條件

根據(jù)計算模型的實(shí)際賦存條件，計算模型的上部邊界條件：一般情況下，數(shù)值計算的上部邊界條件設(shè)定為煤層上覆巖層的重量，即：σ=γH，式中：γ—上覆巖層的平均體積力，kN/m3；H—煤層的埋深，m。4#煤層平均垂深約為300 m左右，上覆巖層的平均體積力取27 kN/m3，代入式得：σ=γH=8.1 MPa。下部邊界條件：本模型的下部邊界條件為底板，簡化為位移邊界條件，在x、y方向可以運(yùn)動，z方向?yàn)楣潭ㄣq支座，即v=0。兩側(cè)邊界條件：本模型的兩側(cè)邊界條件均為實(shí)體煤巖體，簡化為位移邊界條件，在z方向可以運(yùn)動，其他方向?yàn)楣潭ㄣq支座，即u=w=0。

3 綜放工作面過地塹構(gòu)造全過程應(yīng)力狀態(tài)研究

為研究綜放工作面過地塹構(gòu)造全過程的應(yīng)力狀態(tài)，本計算模型從距離Fs28斷層100m處開始向前推進(jìn)，每次推進(jìn)5m，計算結(jié)果如圖4～圖7所示。

3.1 綜放面過地塹之前采場應(yīng)力狀態(tài)分析

由圖4-A可知，工作面逐步向前推進(jìn)，在推進(jìn)至距FS28斷層25 m以遠(yuǎn)時，工作面的推進(jìn)對斷層影響不大，工作面前方的超前應(yīng)力影響范圍約為20 m，最大應(yīng)力為15 MPa左右，及超前應(yīng)力集中系數(shù)為1.875；如圖4-B所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至距FS28斷層25 m時，開動對斷層產(chǎn)生影響，F(xiàn)s28斷層面上的垂直應(yīng)力增至12～15 MPa；如圖4-C所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至距FS28斷層15 m時，采場超前應(yīng)力影響范圍增大至30 m左右；如圖4-D所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至距FS28斷層5 m時，采場超前應(yīng)力影響范圍增大至40 m左右，前FS28斷層下盤圍巖的垂直應(yīng)力降低，降低至7.5 MPa左右，略低于原巖應(yīng)力，明顯低于上盤的垂直應(yīng)力，表明Fs28斷層下盤巖體應(yīng)力釋放，此時應(yīng)重點(diǎn)控制頂板下沉。

圖4 綜放工作面推過地塹之前應(yīng)力狀態(tài)變化云圖

3.2 綜放面過地塹期間采場應(yīng)力狀態(tài)分析

如圖5-A所示，當(dāng)工作面推過FS28斷層5 m時，采場超前應(yīng)力影響范圍增大至50 m左右，F(xiàn)s28斷層下盤巖體的垂直應(yīng)力繼續(xù)降低至5 MPa左右，上盤巖體的垂直應(yīng)力為10 MPa左右，表明此時上下盤已發(fā)生錯動或離層，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控下盤臺階下沉，加強(qiáng)支護(hù)，提高液壓支架初撐力，必要時采用木垛或單體支架補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，以防止斷層下盤整體下沉或冒落。

由于斷層結(jié)構(gòu)面的存在，破壞了頂板結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，其力學(xué)效應(yīng)是采動過程頂板的變形和受力的連續(xù)性隨之受到影響。對變形連續(xù)性的影響主要反映在斷層兩側(cè)產(chǎn)生差異變形，其顯現(xiàn)特征是結(jié)構(gòu)面兩側(cè)可能處于不同的受力狀態(tài)；斷層結(jié)構(gòu)面兩側(cè)雖處于相同的受力狀態(tài)，但兩側(cè)的受力強(qiáng)度存在明顯差異。如圖5-B～5-F所示，工作面繼續(xù)推進(jìn)時，F(xiàn)s28斷層上盤應(yīng)力也隨之降低，工作面朝前應(yīng)力影響范圍仍為40 m左右，且Fs28斷層的下盤繼續(xù)下沉，上下盤的落差繼續(xù)加大，由此可造成Fs28斷層面裂隙張開，形成導(dǎo)水裂隙，因此推過地塹期間，要密切注意采空區(qū)涌水狀況，判斷斷層活化是否導(dǎo)通地面水塘。

圖5 工作面過地塹之中采場應(yīng)力狀態(tài)圖

3.3 綜放面過地塹之后采場應(yīng)力狀態(tài)分析

如圖6-A所示，當(dāng)工作面推過Fs27斷層10 m時，頂板應(yīng)力分布區(qū)域連續(xù)，斷層上下盤無明顯的應(yīng)力落差，表明此時Fs27斷層尚未發(fā)生離層錯動。如圖6-B所示，當(dāng)工作面推過斷層20 m時，應(yīng)力區(qū)域存在跳躍，斷層上下盤應(yīng)力區(qū)域不連續(xù)，表明此時Fs27斷層開始錯動，上盤下沉。如圖6-C～6-D所示，在此后的工作面推進(jìn)過程中，工作面超前應(yīng)力影響范圍保持在30～40 m之間，應(yīng)力峰值在20 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為2.5，采空區(qū)后方的斷層上下盤落差仍在加大，表明工作面推過之后，仍要監(jiān)測采空區(qū)涌水情況，如有問題須及時處理。

圖6 綜放工作面推過地塹之后應(yīng)力狀態(tài)變化云圖

4 綜放工作面過地塹構(gòu)造覆巖狀態(tài)研究

由圖7-A可知，當(dāng)工作面推過地塹構(gòu)造時，在切眼向采空區(qū)方向延伸的頂板上方和Fs28斷層面附近的垂直應(yīng)力較小，表明該范圍內(nèi)的應(yīng)力已經(jīng)釋放，巖體下沉量較大，或者已經(jīng)發(fā)生破壞；在Fs28斷層頂板上方20 m內(nèi)的的斷層面有較大的拉應(yīng)力，最大為1.34 MPa，表明該斷層在20 m以內(nèi)的上下盤可能發(fā)生離層。對于巖石材料來說，具有抗壓和不抗拉的能力，其抗拉強(qiáng)度非常小。本文模擬研究采用拉應(yīng)力的大小來確定裂隙帶的范圍，當(dāng)其拉應(yīng)力大于巖層的抗拉強(qiáng)度時就認(rèn)為巖層發(fā)生破壞，當(dāng)其小于巖層的抗拉強(qiáng)度時則認(rèn)為沒有發(fā)生破壞。由圖7-B可知，F(xiàn)s28斷層上方70 m范圍內(nèi)的巖體受拉應(yīng)力作用，部分巖體所受拉應(yīng)力已超過其抗拉強(qiáng)度，因此初步判斷頂板冒裂區(qū)域在采場頂板70 m左右。由圖7-C可以看出，采場剪應(yīng)力主要集中在切眼和工作面附近，工作面頂板上方的最大剪應(yīng)力為8.36 MPa，切眼頂板上方的最大剪應(yīng)力為6.82 MPa，根據(jù)地質(zhì)資料可知，頂板上方的巖層主要以粗砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，其中泥巖最大抗剪強(qiáng)度為6.5 MPa，其他巖性的平均抗剪強(qiáng)度均小于6 MPa，剪應(yīng)力集中區(qū)巖體所受剪應(yīng)力大于其抗剪強(qiáng)度。因此，在切眼向采空區(qū)方向延伸的頂板上方主要受剪切破壞。由圖7-D可以看出，采空區(qū)頂板上方30 m左右受水平拉應(yīng)力作用，最大拉應(yīng)力為3.7 MPa，大于頂板巖體抗拉強(qiáng)度，因此頂板上方30 m以內(nèi)巖體必然發(fā)生拉斷破壞，該范圍為采場冒落區(qū)；頂板上方20 m～70 m之間巖體所受水平壓應(yīng)力小于5 MPa，表明該范圍內(nèi)的水平應(yīng)力有所釋放，可判斷頂板上方20～70 m的巖層為可能的裂隙發(fā)展區(qū)域；頂板上方70 m以上巖體所受水平壓應(yīng)力較大，大于10 MPa，而該范圍內(nèi)的巖體為細(xì)中砂巖和砂質(zhì)泥巖等巖體，平均抗壓強(qiáng)度大于40 MPa，因此該范圍的巖體未發(fā)生破壞，可判斷頂板上方70 m以上巖體為彎曲下沉帶。

圖7 推過地塹后采場圍巖應(yīng)力狀態(tài)

如圖8所示，在切眼附近頂板上方巖體有較大范圍的塑性破壞區(qū)域，以壓剪破壞為主，局部有拉剪破壞；而在采空區(qū)頂板上方的巖體產(chǎn)生塑性破壞的高度約為20 m，以拉伸破壞為主；斷層面附近有局部的塑性破壞區(qū)域，但這些區(qū)域范圍小、不貫通，可以看出塑性破壞存在的區(qū)域與前述拉應(yīng)力區(qū)、剪切應(yīng)力集中區(qū)基本保持一致。

圖8 塑性破壞圖

根據(jù)圖7和圖8分析，可以得到34201工作面過地塹構(gòu)造后的采場圍巖應(yīng)力分布特征，如圖9所示，當(dāng)工作面推過地塹構(gòu)造后，采空區(qū)頂板受拉應(yīng)力破壞，發(fā)生拉斷破壞的巖體裂隙易張開、貫通，與含水層導(dǎo)通后可能發(fā)生突水事故。切眼附近頂板的剪應(yīng)力集中區(qū)發(fā)育高度為80 m左右；斷層面上裂隙發(fā)育高度為70 m，且在頂板上方20 m內(nèi)斷層上下盤呈張開狀態(tài)，從本次計算分析可知，冒落裂隙帶發(fā)育區(qū)域未與地面水塘導(dǎo)通，即地面水塘對34201工作面生產(chǎn)威脅不大，但仍要加強(qiáng)監(jiān)測，特別Fs28斷層為34201防頂板突水的重點(diǎn)區(qū)域，如有異常須及時處理[12,13]。

圖9 綜放面過斷層應(yīng)力分析圖

5 技術(shù)措施

根據(jù)斷層帶地質(zhì)特征，提出了綜放工作面推過斷層帶和繞過斷層帶兩類方案。當(dāng)斷層有突水危險或大面積冒頂危險，應(yīng)采取繞過斷層帶方案。當(dāng)斷層無突水危險或大面積冒頂危險，工作面可以直接推過斷層帶。根據(jù)研究，34201工作過斷層采用直接推過方案，當(dāng)斷層破碎，易發(fā)生冒頂危險時，應(yīng)考慮采用注漿加固方案。設(shè)計注漿方案如圖10所示，注漿鉆孔開口位置距離頂?shù)装?.5 m處，頂板注漿孔上仰15°，注漿孔孔徑及孔深為Φ42 mm×5000 mm，有效注漿深度為(5-1.2)*cos15°=3.67m，設(shè)計鉆孔間排距為3 m×3.2 m，工作面循環(huán)進(jìn)尺0.8 m，即割4刀煤注漿一次。經(jīng)測算，該方案頂板加固厚度約為1.9 m～2.73 m，平均2.3 m，能滿足支護(hù)要求。由于注漿區(qū)域內(nèi)被注介質(zhì)松軟，為提高注漿效果，設(shè)計為交錯打眼，鉆孔交錯布置。注漿施工順序?yàn)椋阂话嘣诩荛g打眼注漿，一班在架間打眼注漿，其施工順序?yàn)椋孩?1-1、1-3、……；② 1-2、1-4、……。下一班在架前打眼注漿，其施工順序?yàn)椋孩?2-1、2-3、……；② 2-2、2-4、……。

圖10 注漿鉆孔布置示意圖

該技術(shù)方案在34201工作過斷層及其他地質(zhì)構(gòu)造工程的應(yīng)用中取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

5 結(jié)論

以34201工作面過斷層Fs27和Fs28地塹構(gòu)造為工程地質(zhì)原型，建立數(shù)值模型計算分析，得到如下結(jié)論：

(1)斷層的存在對工作面圍巖應(yīng)力狀態(tài)影響較大，超前影響距離約為20 m左右；斷層附近的裂隙帶發(fā)育高度較大，由拉應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用下的裂隙帶高度最大可達(dá)80 m左右，對上覆巖層導(dǎo)水影響較大。

(2)從垂直應(yīng)力變化看，工作面逐步向前推進(jìn)，在推進(jìn)至接近斷層時(20 m)，開始對工作面產(chǎn)生影響，工作面煤壁內(nèi)的應(yīng)力峰值開始增大；當(dāng)工作面推進(jìn)地塹構(gòu)造時，處于采空區(qū)的斷層上下盤之間開始錯動。

(3)根據(jù)工作面推過地塹構(gòu)造后采場圍巖的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力、最大主應(yīng)力、剪應(yīng)力云圖，分析了采場圍巖應(yīng)力分布特征及圍巖的破壞機(jī)理，采空區(qū)上方處于拉應(yīng)力集中區(qū)，其主要塑形破壞形式為拉伸破壞，處于切眼斜上方的巖層處于剪應(yīng)力集中區(qū)，主要塑形破壞形式為剪切破壞，且處于剪應(yīng)力集中區(qū)的冒裂區(qū)發(fā)育高度較大，最大可達(dá)80 m。

(4)以本工作面生產(chǎn)條件來看，斷層附近冒裂帶發(fā)育高度未與地面水塘導(dǎo)通，即地面水塘對34201工作面生產(chǎn)威脅不大，生產(chǎn)過程中加強(qiáng)監(jiān)測，特別Fs28斷層為34201防頂板突水的重點(diǎn)區(qū)域，如有異常須及時處理。

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StudyonStressStateofStopeSurroundingRockinFullyMechanizedTopCoalCavingWorkingFacePassingbyGrabenStructure

SHI Hao-yu, TIAN Duo

(SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao, 065201,China)

For mastering the changes of stope surrounding rock state before and after fully mechanized caving face passing by graben structure，taking fault FS27 and fault FS28 in 34201 working face as engineering background, using FLAC3DNumerical simulation calculation method，this paper calculated and analyzed vertical stress & horizontal stress & maximum principal stress & shear stress of stope surrounding rock before and after fully mechanized caving face passing by graben structure, the following conclusion can be drawn: the existence of graben structure has a great influence on the stress state of surrounding rock，the advance influence distance is about 20m；the fracture zone near fault is highly developed，the maximum height of fracture zone is about 80m under the combined action of tensile stress and shear stress，it has great influence on overlying strata water transfer. According to law of strata behavior and the development law of fracture zone, the technical measures of passing by graben structure are put forward.

Fully Mechanized Top Coal Caving Working Face; Graben Structure; Surrounding Rock Stress; Activated Height

2017-05-27

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51234005,51434006),廊坊市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃自籌經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(2016011035)

師皓宇(1979-)，男，內(nèi)蒙古化德縣人，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院講師，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)在讀博士，主要從事采場圍巖應(yīng)力、巷道支護(hù)、數(shù)值模擬等方面的研究工作。E-mail:shihaoyu2000@163.com

TD323

A

1672-7169(2017)04-0008-07