下盤開采對斷層及上盤煤層影響數值模擬

張寶忠

（汾西礦業集團正邦煤業公司，山西 孝義032302）

1 區域地質概況

某煤礦七采區位于井田北部，采區南北部以二、三維物探所控制的斷層為界，南部為F10逆斷層，北部為F11斷層，采區東西部均以3煤層第四系露頭保護煤柱為界。F10斷層的東南部為正在開采的九采區，西南部的首采區已經回采完畢，研究區域工作面位置見圖1。

圖1 工作面位置示意

七采區地質構造極為復雜，地層產狀變化較大。整個采區為一向斜構造，采區中部為南北走向的向斜構造。采區煤層四周高、中間低，煤層傾角平均12°。根據三維勘探報告資料，區內斷層極為發育，但無巖漿侵入、巖溶陷落柱及古河流沖刷等特殊地質現象。

1301工作面區域位于F10逆斷層上盤，并在區域北部有DF14斷層，根據三維地質勘探資料和實際掘進揭露，F10斷層位于井田的中部偏北，是區內大的逆斷層，將北半部錯斷為上下兩盤，最大重疊距離達400m，走向近東西，傾向近北，傾角45°，區內延展長度2.4km，落差60～265m，屬較可靠～可靠斷層。

2 數值模型的建立

根據下盤工作面及F10斷層上盤區域地質條件，運用FLAC－3D模擬軟件，建立數值模型對下盤采動影響下斷層及上盤區域工作面開采的圍巖應力、位移分布規律進行模擬。模型尺寸為：850m×300m×500m（長×寬×高），共有268000個單元體。斷層采用實體單元模擬實現，F10斷層寬度為5m，DF14斷層寬度為2m。模型4個側面為水平位移約束，底面為豎向位移約束，頂面為載荷邊界，載荷大小為模型上邊界以上的上覆巖層自重。數值模擬模型見圖2。

圖2 數值模型

本次模擬采用莫爾－庫侖準則，結合實際地質情況將地層近似簡化為15層，模型中各巖層物理力學參數來源于礦山實際，如表1所示。

表1 巖層物理力學參數

數值模擬步驟如下：① 模型加載計算初始應力場；②位移歸零（所有單元和節點的位移重置為零）；③ 下盤工作面回采；④ 上盤工作面巷道掘進；⑤ 斷層上盤工作面煤層開采。

3 模擬結果分析

3.1 模型初始平衡

數值模型初始平衡時垂直應力及垂直位移分布見圖3、圖4。

圖3 垂直應力分布云圖

圖4 垂直位移分布云圖

從應力分布云圖可以看出，在斷層兩側垂直應力大小和分布有所不同，F10斷層附近應力分布受斷層影響較DF14斷層更為明顯。斷層附近應力分布表現為不規律的升高或降低，總體來說斷層兩側上盤應力略小于下盤。

從圖3可以看出，F10斷層兩側上盤下沉量小于下盤，即上盤相對下盤上升，而DF14斷層兩側上盤下沉量大于下盤，即上盤相對于下盤下降。

3.2 下盤工作面采動后覆巖破壞情況

利用數值模型對下盤1304工作面開采進行模擬計算，圖5為工作面開采后覆巖垂直應力分布云圖，圖6為塑性區分布圖，圖7為垂直位移分布云圖，圖8為頂板下沉曲線。

圖5 覆巖垂直應力分布云圖

圖6 塑性區分布云圖

從圖5可以看出，工作面采空后上覆巖層垂直應力降低，應力值自下往上逐漸升高。但在斷層附近上盤應力略小于下盤應力。水平方向應力下盤略大于上盤。工作面兩側產生應力集中，應力集中系數約為2.2～2.5。

由圖6可以看出，采空區上方為拉伸屈服區域，可以認為此區域巖層被拉斷產生裂隙即為裂縫帶，并由此可以得出裂縫帶高度為95m左右。裂縫帶上限至斷層的最近距離約為45m，可以看出下盤工作面開采后裂縫帶范圍波及不到F10斷層，F10斷層及上盤區域煤巖性質將不會發生本質的變化。

圖7 覆巖垂直位移分布云圖

由圖7可以看出，在采空區以上40m處左右等值線密集分布，說明此處位移變化較快，結合圖8可以看出此處有一個突變。另外，這個位置之上的位移變化較小，說明已經開始趨于穩定。基于此分析，可以將突變處作為冒落帶和裂縫帶的分界。按照上面的界定方法，結合本次模擬的結果，可以確定距煤層40m處以下為冒落帶，40m以上至95m以下為裂隙帶，95m以上為彎曲下沉帶。

圖8 1304工作面頂板下沉曲線

3.3 下盤采動對斷層上盤工作面煤層影響

下盤工作面采動將會對斷層上盤工作面煤層造成一定影響，圖9為下盤工作面采動前后上盤工作面區域煤層頂板應力分布曲線，圖10為采動后上盤工作面區域煤層頂板位移曲線。

由圖9可以看出，斷層上盤7301工作面區域兩端受到斷層的影響較為明顯，斷層附近垂直應力變化較大，隨著離斷層面的距離增大應力變化趨于平緩。受F10斷層影響較大的范圍在距斷層F10斜長40m左右，受DF14斷層影響較大的范圍在距斷層DF14斜長30m左右。還可以看出，下盤工作面采動后，上盤區域靠近斷層F10一側應力降低而靠近斷層DF14一側應力升高。

圖9 1304采動前后上盤煤層頂板應力分布

圖10 下盤采動上盤煤層頂板位移分布曲線

由圖10垂位移曲線可以看出，下盤工作面采動后斷層上盤工作面區域整體出現輕微下沉，下沉量為靠近F10斷層稍大；由水平位移曲線可以看出，靠近F10斷層側水平位移為負值，即向左移動，而靠近DF14斷層側水平位移為正值，即向右偏移，說明下盤工作面采動后F10斷層上盤向下發生了“傾斜”，正是這種“傾斜”導致了上盤區域靠近DF14斷層側應力值升高。

F10斷層和DF14斷層的存在使得區域內構造應力明顯，下盤1304工作面的采動改變了F10斷層和DF14斷層周圍的應力場分布，這對斷層上盤工作面的布置具有一定的影響。

4 結語

通過建立數值分析模型，模擬研究了下盤工作面開采對斷層及上盤煤層的影響。下盤工作面采動后，采空區上覆巖層發生垮落、裂隙、彎曲下沉，覆巖壓力發生變化，向工作面兩側轉移；在工作面采動和斷層的耦合影響下，F10斷層上盤出現整體下沉，且發生了輕微傾斜，導致7301工作面區域應力發生了變化，靠近斷層F10側應力降低，靠近斷層DF14側應力有所升高。

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