工作面沿斷層推進采動應力數值模擬研究

邵德全

（汶上義橋煤礦有限責任公司，山東 濟寧 272511）

近年來，隨著煤炭淺部資源的逐步減少，礦井的開采水平逐漸加深，使得礦山壓力的問題日益顯著[1]。許多煤礦地質構造復雜，在回采及掘進過程中經常遇到斷層，甚至有些工作面沿著斷層布置，使垂直應力升高，更容易引起礦山壓力顯現，嚴重時導致沖擊地壓[2-3]。已有眾多專家學者對斷層影響而引發的沖擊地壓進行了深入的研究，但大多是從工作面推進方向與斷層走向垂直這種情況下研究的，而對于工作面沿斷層走向推進的情況研究甚少。

本文結合義橋煤礦3307 工作面的實際資料，借助FLAC3D數值模擬軟件，在工作面沿斷層走向推進的條件下，對工作面附近的垂直應力進行了分析研究。

1 工程背景

義橋煤礦3307 工作面位于三采區西部，走向長1089 m，傾向長200 m。煤層平均埋深700 m，煤層厚3.1～5.7 m，平均4.3 m，煤層傾角10°～24°，平均15°，為近水平煤層。該工作面沿SF6 斷層走向布置在其一側的下盤，留有20～70 m的斷層保護煤柱。SF6 斷層為正斷層，傾角為70°，落差為0～14 m。3307 工作面采用綜合機械化放頂煤采煤法沿斷層走向推進，全部垮落法處理采空區。

2 模型的建立

采用有限差分數值模擬軟件FLAC3D進行模擬研究。為避免模型邊界效應對模擬結果的影響，模型四周預留50 m 的邊界，模型的大小設置為263 m×300 m×129 m；同時考慮網格的疏密對模擬結果的影響，對煤層及其一定范圍內的頂底板網格進行加密。斷層采用弱化塊體進行模擬，設計傾角為70°，上、下盤落差14 m，工作面與斷層之間留設40 m 的斷層保護煤柱。模型共116 790 個網格，125 194 個節點。模型取煤層上方72 m 為上邊界，取下方51 m 為下邊界，并對上邊界施加27.5 MPa 的荷載，對模型的四周邊界及下部邊界約束法向位移[4]。計算模型如圖1 所示。

圖1 計算模型

3 模型的計算方案

整個模擬采用mohr-coulomb 本構模型進行計算，模型中巖層的物理力學參數見表1。模型計算平衡后將速度、位移及塑性破壞均清零，得到初始應力場，然后進行模擬開挖。其中工作面長度設計為100 m，總推進長度100 m，每次開挖20 m，共開挖5 次。每個開挖步驟之后都進行一次計算，開挖過后，采空區采用雙屈服模型處理。

表1 巖層物理力學參數表

4 計算結果及分析

計算完畢后，煤層水平切面垂直應力云圖如圖2 所示。從圖中可以看出，工作面遠斷層側的側向支承應力峰值為34.1 MPa，應力集中系數為1.36；工作面遠斷層側，其側向支承應力峰值相比上端頭的側向支承應力峰值大，達到了38.0 MPa，相應的應力集中系數為1.52；同時，對二者相應位置上應力集中區域的范圍進行比較，發現工作面近斷層側的應力集中區域范圍大于遠斷層側。說明采動應力在斷層阻隔效應的作用下，受到了斷層附加應力的影響，二者相互疊加，使工作面靠近斷層一側發生沖擊地壓的風險有所增加[5]。

圖2 煤層水平切面垂直應力云圖

此外，在工作面后方10 m 處做豎直切面，得到工作面傾向豎直切面垂直應力云圖如圖3 所示，圖4 為相應的應力曲線圖。從圖4 中可以看出，在工作面近斷層一側，不論是應力集中的程度，還是應力集中區域的范圍，均比工作面遠斷層一側的大。進一步結合上述兩圖可以看出，作用于工作面采空區兩側煤體上的支承應力分布規律大致相似，總體上均呈現出以煤壁為起點，隨著向煤壁內部的深入，先增大后減小趨于平穩的規律。不同的是，遠斷層側的變化規律較為簡單，即側向支撐應力在達到峰值35.1 MPa 后緩慢減小，直至平緩降至原巖應力25.0 MPa；而近斷層一側的側向支承應力受到斷層阻隔作用[6]的影響，從煤柱到斷層方向呈現先快速增大，達到應力峰值39.0 MPa 后快速減小，在斷層處降至最低點23.9 MPa，并在斷層另一側略微增大，隨后降至原巖應力25.0 MPa。通過以上分析，工作面近斷層側相比遠斷層側，其支承應力峰值更大，應力集中系數可達1.56，應力集中程度及集中區域也更大，因此更易發生沖擊危險。

圖3 工作面傾向垂直應力云圖

圖4 工作面傾向垂直應力曲線圖

另一方面，圖5、圖6 分別為兩順槽內側15 m處沿工作面走向做豎直切面得到的垂直應力云圖。兩圖中工作面超前支承應力峰值位置均在工作面煤壁前方約10 m 處，圖6 中工作面近斷層一側，其超前支承應力峰值為41.1 MPa，應力集中系數達1.64，相比圖5 中的壓力峰值稍大一些，且應力集中區域范圍更廣。這說明了斷層對其附近工作面煤壁應力有略微的影響，雖影響程度不大，但仍需注意防范工作面近斷層側沖擊地壓的發生。

圖5 工作面遠斷層側超前支承應力云圖

圖6 工作面近斷層側超前支承應力云圖

5 結論

（1）工作面沿斷層走向推進，在斷層阻隔效應的影響下，近斷層一側的側向支承應力分布規律呈現出先增大再急劇減小，隨后略微起伏，最終趨于平穩的分布規律。

（2）工作面近斷層側的側向支承應力峰值及超前支承應力峰值均大于遠斷層側，相應的應力集中程度及影響范圍亦是如此。

（3）以上都說明了在斷層的影響下，工作面近斷層側沖擊危險誘發幾率及強度均可能高于遠斷層側，應注意適當加強沖擊地壓防治措施。