煤柱尺寸對逆斷層上盤煤層巷道圍巖穩定性影響研究

柳研青

【摘 要】利用UDEC數值模擬軟件，建立5個二維離散元數值模型，模擬不同煤柱條件下，逆斷層上盤煤層巷道圍巖的塑性破壞特征、圍巖的移近量以及圍巖垂直應力分布特征，研究斷層煤柱尺寸對逆斷層上盤巷道圍巖穩定性的影響。研究結果表明：斷層煤柱尺寸為5m左右時，逆斷層上盤巷道底板塑性破壞嚴重;圍巖塑性區范圍及變形量隨斷層煤柱增大而減小，且近斷層幫大于遠斷層幫。

【關鍵詞】逆斷層;煤柱尺寸;側向巷道;圍巖穩定性

中圖分類號：TD323???? ?文獻標識碼：A

0 前言

工作面巷道掘進過程破壞了圍巖應力場的平衡狀態，引起應力重新分布。當巷道側向有與之平行的斷層時，受斷層構造應力的影響，圍巖應力分布情況復雜，圍巖穩定性降低，導致巷道變形甚至誘發安全事故的發生。斷層與巷道之間煤柱尺寸不同時，斷層對巷道圍巖穩定性的影響也有所不同^[1-10]。因此，研究斷層煤柱尺寸對巷道上盤圍巖穩定性的影響，對巷道沖擊危險的監測與治理具有指導性意義。

本文建立UDEC數值模型，模擬不同斷層煤柱尺寸條件下逆斷層上盤煤層巷道圍巖破壞情況，通過分析開挖后，不同情況下的巷道圍巖塑性破壞特征、頂底板及兩幫的移近量以及圍巖垂直應力分布特征，研究斷層煤柱尺寸對逆斷層上盤巷道圍巖穩定性的影響規律。

1 數值模型及數值模擬設計

模型尺寸為長300m×高150m，模擬煤層埋深400m，巷道寬5m×高4m。逆斷層落差4m，傾角60°。斷層帶寬度2m，分別在逆斷層上盤距斷層帶5m、10m、20m、30m、40m處開挖煤層巷道，共進行5次模擬實驗。

模型上部施加均布荷載大小為7.075Mpa，側壓系數1.4，底部固定邊界。模型采用摩爾-庫倫屈服準則，部分巖層巖體物理參數如表1所示。

2 煤柱對逆斷層上盤巷道圍巖穩定性影響分析

2.1 上盤巷道圍巖塑性破壞特征分析

對模擬結果進行數據處理得知，當巷道位于逆斷層上盤時，巷道兩側及頂底板塑性破壞范圍情況，見表2。

分析表2中的數據，可以發現：巷道頂板受斷層煤柱尺寸的影響較小，塑性破壞范圍變化不大;當煤柱尺寸為5m時，底板破壞嚴重，當煤柱尺寸大于10m時，底板破壞范圍較小;近斷層幫的塑性破壞范圍大于遠斷層幫，差值隨煤柱尺寸的增大而減小，當煤柱尺寸增至40m時，遠近斷層幫的塑性破壞范圍基本相同。

由此可以得出，煤柱尺寸為5m左右時，巷道底板破壞較為嚴重，應當加強巷道底板的安全防護措施，采取有效的卸壓手段，保證巷道底板的安全性。遠近斷層幫的塑性破壞范圍具有差異性，差值隨煤柱尺寸增加而減小。

2.2 逆斷層上盤巷道圍巖移近量特征分析

通過位移監測的方法，測得巷道位于逆斷層上盤時，不同斷層煤柱尺寸條件下圍巖的移近量

斷層煤柱尺寸在5m～20m之間時，底板底鼓量以及兩幫移近量均隨斷層煤柱尺寸增大而減小，其中底鼓量由336 mm減至198mm，近斷層幫移近量由550mm減至90mm，遠斷層幫移近量由254mm減至152mm;斷層煤柱尺寸大于20m后，底鼓量以及兩幫移近量隨斷層煤柱尺寸的增大而變化不大;隨著斷層煤柱尺寸的增加，逆斷層上盤巷道頂板下沉量變化不大，在140mm～160mm之間。

2.3 上盤巷道圍巖應力分布特征分析

巷道近斷層側的煤體內部垂直應力分布情況較為復雜，受斷層帶影響明顯，在斷層帶處有明顯的應力降低情況。

遠斷層側煤體內部垂直應力分布曲線的趨勢大體相同，在遠斷層側有應力集中區域，應力集中情況隨斷層煤柱尺寸的增加而減小。

對比巷道兩側的應力分布情況，可以看出近斷層側煤體的應力值普遍大于遠斷層側，但隨著煤柱尺寸的增加，兩側應力差值逐漸減少，當斷層煤柱尺寸為40m時，巷道兩側20m范圍內的應力情況基本一致。

綜上所述，在斷層帶附近應力值變化較大，分布情況較為復雜。因此，在掘進逆斷層上盤巷道過程中，若巷道接近逆斷層時，應及時采取防護措施，保證巷道圍巖的穩定性，確保掘進工作的正常進行。

3 結論

1）煤柱尺寸小至5m左右時，逆斷層上盤巷道底板塑性破壞嚴重，底鼓量較大，應采取有效的防護措施，保證巷道的安全可靠性。

2）巷道位于逆斷層上盤條件下，斷層煤柱尺寸小于20m時，巷道圍巖塑性區范圍及變形量隨斷層煤柱尺寸增大而減小，大于20m后，移近量基本不變。

3）對于逆斷層上盤巷道，近斷層幫的塑性破壞范圍、移近量和應力集中情況，均大于遠斷層幫，差值隨煤柱尺寸的增大而減小。

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（作者單位：兗州煤業股份有限公司 鮑店煤礦）