工作面斷層活化帶應力分析及穩定性研究

崔禮韜

（山西省長治經坊煤業有限公司，山西 長治 047100）

1 引言

山西省長治經坊煤業有限公司6采區目前正在開采3601綜放工作面。2018年12月12日，工作面正常推進過程遇到F11逆斷層，且工作面位于斷層的下盤。為保證工作面順利通過斷層，采煤機減小推進速度，調整采煤參數。2019年2月18日，3601綜放工作面通過逆斷層期間，工作面頂板礦壓顯現明顯，液壓支架有壓架趨勢，煤壁片幫嚴重，工作面穩定性及正常生產受到很大影響。經技術人員查看地質資料：通過斷層部分的工作面頂板巖層賦存條件復雜，基巖風化程度較高。加之受采動影響，極容易引起斷層活化，進而導致采場圍巖的控制效果突然惡化，給工作面造成沖擊風險。為保證工作面順利通過采場圍巖惡化帶，煤層開采前在上、下平巷自工作面切眼處每隔50m布置一組檢波器，對工作面的微震事件進行監測，判斷工作面通過的斷層是否已活化。檢波器隨著工作面的推進隨時安拆，根據監測結果對煤巖體的應力情況進行分析，提出穩定性措施與建議。

2 斷層活化性判斷

2.1 3601工作面概況

經坊礦6采區3601綜放工作面開采煤層埋深299.8～193.2m，工作面主采煤層為3號煤，煤質中硬偏上，節理裂隙發育。煤層平均厚度為6.2m，采放比為1:2.1，采用長壁采煤法，輕型放頂煤采煤工藝。3號煤層開采后，將破壞山西組砂巖裂隙含水層。含水層主要為中、細砂巖，本層砂巖裂隙不發育，鉆孔單位涌水量0.00186L/s.m，富水性極差，為一弱含水層。

2.2 工作面微震監測

煤層采動過程微震事件比較復雜，特別是斷層附近的微震事件會由于斷層的錯綜復雜而增加研究的難度。

斷層的活化主要與斷層的最大位移和延展長度有關，且二者相互之間成線性關系。斷層活化釋放能量過程中大能量事件與斷層延展長度的關系如圖1所示。

由圖1可看出，斷層釋放能量的大小與斷層的延展長度成正相關的關系，即延展長度越大，斷層活化釋放的能量越大，且延展長度增加到一定程度后，斷層釋放的能量逐漸趨于穩定。

圖1 斷層延展長度與大能量事件數的關系

通過對3601工作面2019年3月份微震事件分布的監測，得出本工作面微震事件的分布圖，如圖2所示。

圖2 3601工作面微震事件分布圖

由圖2可知，斷層附近微震事件表現為范圍集中。對F11斷層微震事件的能量進行統計，如圖3所示，可知微震事件的能量巨大，且能量變化呈一定的周期性，符合斷層活化的規律。

綜上所述，3601工作面過F11斷層時微震事件表現出超前顯現、范圍集中、周期性變化以及能量巨大的特征，說明此處斷層已發生活化。

圖3 F11斷層微震事件能量變化統計

3 頂板應力情況分析

3601工作面通過F11斷層時，斷層已發生活化現象，需要重新對工作面頂板的應力情況進行分析。以3601工作面所處地質條件為背景，建立FLAC3D數值模型進行研究。

3.1 數值模擬模型建立

模型模擬3601工作面埋深290m，工作面傾向長度為230m，走向長度1100m，F11斷層落差為5.5m，傾角60°，斷層設置在距離切眼330m位置，模型幾何尺寸為1000m×470m×120m。水平應力沿四周設置，底部為垂直應力，計算時采用庫倫摩爾準則。工作面煤巖層力學特性如表1所示。

表1 煤巖層力學特性

3.2 數值模擬結果分析

煤層的原巖應力分別取18.3MPa（水平應力）和27.5MPa（垂直應力）。開采初期，每間隔50m開挖一次，到開挖到300m后每間隔25m開挖一次。模型推進550m達到平衡后，煤層的水平應力和垂直應力分布如圖4所示。

圖4 煤層應力云圖

由圖4可知，斷層面附近煤體的最大垂直應力為41.8MPa，應力集中系數為2.3，最大水平應力為45.8MPa，應力集中系數為1.7。可見垂直應力與水平應力集中程度比較大，說明斷層已發生活化，且應力受斷層活化影響比較大。

工作面推進過程煤體支承壓力的變化趨勢如圖5所示。

圖5 煤體支撐壓力隨推進距離變化曲線

由圖5可知，煤體支承壓力自切眼處開始增長速度較快，正常推進300m時，此時工作面距離斷層30m，頂板破裂程度達到最大。煤體的支承壓力達到峰值后也趨于穩定。繼續推進至距離斷層70m時，煤體支承壓力又開始有快速上升的趨勢，主要原因是斷層煤柱的形成導致煤柱上形成應力集中。推進至450m后煤體支承壓力迅速回落，此時煤體已發生塑性破壞，頂板已下沉。

4 頂板穩定性研究

工作面通過斷層活化帶時，會由于斷層煤柱的形成，導致煤體發生屈服破壞，頂板與底板隨之發生斷裂破斷，極容易誘發沖擊地壓。

4.1 預防、預警措施

由于斷層活化帶附近極容易出現應力集中現象，小落差斷層活化不易被監測到，可在斷層落差在5m以下的斷層進行重點監控，在開采工作面前方300m布置監測點，對工作面前方微震事件進行實時監測，同時布置應力監測點對煤巖體的應力情況進行監測，發現異常情況，提前進行處理。

對于已監測到可能導致沖擊地壓危險的區域，可采取超前鉆孔卸壓與煤層注水措施對斷層面進行軟化，減小應力集中現象，并加強對兩幫的加固。

4.2 應急處理措施

采區布置時應盡量避開斷層帶，對于未探明的斷層活化帶突發沖擊地壓現象，可采用大直徑鉆孔卸壓或者條件允許的情況下采取爆破措施進行處理。