采動下斷層巖體響應演化及頂板安全控制研究

郭崇秀

(交口縣防震減災中心，山西 交口 032400)

組成地殼的巖層或巖體因地殼的運動而產生斷裂面，沿斷裂面兩側巖層或巖體發生顯著相對位移，稱為斷層[1]。斷層在形成中經歷復雜的運動過程，推拉、扭轉、研磨、錯動使得兩盤巖體異常破碎，后斷層巖體趨于穩定直至采動作用下活化，對采場圍巖穩定性有顯著的影響[2-3]。由于斷層巖體中節理裂隙賦存極其復雜且產生顯著劣化效應，采動下斷層活化程度及斷層巖體響應規律不清，斷層影響區成為事故多發區域[4]。弄清采動引起斷層巖體活化機制和響應規律，可對斷層區事故隱患超前預警，采取合理的防治措施。相關專家學者分析了斷層形成過程、應力及變形規律，研究了采動下斷層活化失穩的影響因素和能量條件等。由于斷層發育的不規則、斷層和工作面復雜相互作用，斷層區圍巖控制成為研究難點[5]。

本文以大莊煤礦3802工作面回采期間過斷層為研究對象，采用理論分析和數值模擬的方法，研究采動下斷層巖體活化響應力學機制，分析不同推進距離下斷層兩盤巖體的應力及變形演化規律，提出采動下斷層巖體結構力學模型、活化機理和應力演化規律、控制原則和技術，實現了工作面安全通過斷層影響區。

1 采動下斷層巖體響應力學機制

斷層的存在破壞了巖體連續性和完整性，阻斷采場應力向前方傳遞，破壞頂板破斷垮落的一般規律。建立采動與斷層相互作用結構力學模型，如圖1所示。受采動影響以前，斷層煤巖體主要承受靜載應力，為上覆巖層自重載荷。采動超前支承壓力應力向前方傳遞，到斷層處受阻形成能量積聚，動靜應力疊加形成高應力區。應力場的廣泛調整、能量的大量積聚，將必然引起斷層解鎖活化，發生顯著滑移失穩。

圖1 采動與斷層相互作用結構模型

取斷層切割頂板分析，建立臨近斷層頂板破斷力學模型，如圖2所示。工作面垂直斷層走向推進，頂板破斷受斷層影響，可視為三邊固支、一邊剪支的薄板，破斷形成O-X結構。

對圖2頂板受力分析，得到頂板破斷極限載荷P及破斷距x[6]：

(1)

式中：P為頂板破斷極限載荷，即頂板受斷層面約束力，N；M為頂板極限彎矩，N·m；x為頂板破斷最大變形點與短邊距離，m；a、b分別為破斷頂板的長邊和短邊，m；δ為斷層傾角，°；p為頂板上均布載荷，N.

斷層A、B盤相互約束，以斷層面為鉸接點、連續梁模型來計算斷層張開位移：

(2)

式中：γC-A、γC-B分別為A、B盤在斷層處撓度，m；k1為A、B盤長度之比；EI為頂板抗彎剛度，N/m.

由γC-A=γC-B得到斷層面約束力[7]：

(3)

考慮頂板見方破斷，將a=b代入公式(1)、公式(2)、公式(3)，得到：

xC-A=k1a=0.35b

xC-B=(1-k1)a=0.65b

PC-A=28.28MP/b2

PC-B=41.33MP/b2

分析可知：

1) 當0

2) 當PC-B>PC-A時，工作面回采時上盤對頂板約束力更大，下盤開采時采動對斷層影響更大。

3)k1值越小，工作面頂板懸頂越長，斷層的張開位移越大，斷層面處將發生剪斷和相互錯動破壞，即斷層巖體做出活化響應。

2 采動下斷層巖體應力及變形的演化規律

以柳林大莊煤礦3802工作面為研究對象，采用UDEC模擬軟件研究不同回采距離下斷層煤巖體應力和破壞演化規律。

該工作面主采3號煤，平均厚度4 m，埋深500 m，工作面走向長度900 m、傾向長度200 m.煤層上方直接頂缺失，基本頂為平均厚度14.7 m的中砂巖及細砂巖，SF431正斷層貫穿3802綜放工作面，斷層角度70°，落差為10 m.模型長×高=200 m×90 m(圖3).模擬分析工作面從斷層上盤向斷層推進時，距SF431斷層16 m、8 m、0 m及通過斷層8 m時煤巖體應力和變形變化規律。

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圖3 采動斷層響應模擬模型

2.1 采動下斷層巖體活化特征

模型運算后得到不同回采距離斷層巖體活化特征，如圖4所示。

當工作面推進到距斷層面16 m和8 m時，采空區出現大范圍頂板斷裂垮落，煤層上方基本頂中細砂巖出現大量豎向裂縫及裂縫貫通擴張；平行斷層面巖體有少量裂隙開始擴展張開，減少了上下盤巖體之間摩擦力，使其有相互錯動，表現出明顯的活化現象，如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4 工作面不同距離時斷層巖體活化特征

當工作面推進斷層面上盤時，下盤煤層基本頂直至高位上覆巖層大范圍巖體出現豎向裂縫的擴展貫通，如圖4(c)所示。斷層面處覆巖裂隙充分張開，斷層上、下盤之間由“黏接”狀態轉化為“斷開”狀態，斷層下盤沿斷層面拉伸下沉，兩盤出現顯著相對移動，已經完全活化，斷層活化失穩使得工作面容易發生頂板臺階下沉。

當工作面推過斷層面，完全進入斷層下盤時(8 m)，上盤巖體沿著斷層面大幅滑動失穩趨于穩定，由于斷層面進一步拉裂和錯動，阻礙了應力和位移向下盤傳遞，煤壁前方巖體中壓力減小，頂板垮落高度減小，如圖4(d)所示。考慮下盤基本頂懸頂較長之后發生回轉變形破斷的影響，頂板出現強烈來壓。

2.2 采動下斷層巖體應力變化

工作面推進至距離斷層不同距離，監測煤體超前支承壓力，得到應力變化如圖5所示。

由圖5分析可知，工作面距離斷層越近，煤體中超前支承壓力越大，應力集中系數越大；當工作面距離斷層40 m時，應力集中系數為1.8，距離斷層10 m時，應力集中系數達到2.3，應力峰值達到30.2 MPa.

圖5 工作面與斷層不同距離時應力變化

這是因為活化以前斷層的不連續特性極大阻礙了應力及頂板變形的傳遞，能量通過煤體向斷層巖體積聚。距離斷層越近，采動頂板變形和能量在斷層大量積聚，滿足斷層兩盤發生相對錯動的能量條件，斷層巖體處于活化的臨界狀態。

3 工作面過斷層區頂板安全控制原則和技術

采用“割頂留底”的方法通過工作面斷層區域，正斷層上盤側留底煤，下盤破底。選定推進俯角不大于15°，在距斷層面15 m處開始過斷層，工作面每硐推進0.8 m，計算可以得出平均每硐提刀幅度179～277 mm.

1) 對于上盤煤巖體賦存區域，通過爆破形成斷層通道，采用控制推進速度、加強支護、破碎區注漿實現上盤圍巖控制，防止工作面頂板大面積臺階下沉和部分破碎頂板冒頂。

2) 對于下盤煤巖體賦存區域，通過爆破形成斷層通道，采用降低采高、鋪金屬網加強支護、破碎區注漿實現下盤圍巖控制，防止松散破碎頂板漏冒失穩。

根據提出的斷層圍巖控制原則和技術，大莊煤礦3802工作面回采期間共揭露斷層21條，其中于2021年3月5日到3月27日成功通過落差10 m的SF431斷層，產生顯著經濟效益。

與搬家重開切眼工藝相比較，直接通過斷層：①少掘搬家通道，節省巷道掘進維護費用：120 m×0.8萬元/m=96萬元；②回收斷層保護煤柱，斷層兩側各留設20 m保護煤柱，直接通過斷層按20%回收率，噸煤價格650元計算：45 760 t×20%×650元=594.88萬元。

4 結 語

1) 采動變形和應力傳遞并在斷層區積聚，動靜載疊加滿足斷層巖體活化的臨界能量條件，出現兩盤相互錯動的活化響應。

2) 工作面離斷層距離減小，斷層巖體受壓轉為受拉，裂縫發育貫通并平行斷層面張開，上下盤巖體摩擦力減少，基本頂塊體不易形成穩定結構而發生臺階下沉失穩。

3) 提出直接通過斷層上下盤分區域控制方法和原則，通過降低采高、控制推進速度、加強支護、破碎區注漿實現控制，現場工作面成功通過斷層，取得顯著經濟效益。