厚硬巖層下不規則斷層煤柱沖擊危險性研究與實踐

何曉義，王川

（棗莊礦業集團滕東煤業有限公司，山東 棗莊 277000）

1 不規則斷層煤柱概況

滕東煤業主采3 下煤層，礦井一采區平均煤層厚度為5.11m，煤層上方80m 范圍內分布一層厚度約為70m的巨厚礫巖。3下113 工作面平均采深950m，與南部的3下105、3下107、3下109 工作面采空區間留有一段60 ～450m 的不規則煤柱，如圖1 所示。該煤柱被DF19 斷層（落差0 ～12m）切割。

圖1 不規則大煤柱分布情況

2 斷層型煤柱沖擊地壓機制

斷層切割的作用是使煤巖體的物理力學性質及應力分布在斷層處產生不連續。當采掘接近斷層時，產生斷層煤柱(工作面推進方向垂直于斷層走向時，斷層煤柱位于斷層和工作面之間；工作面推進方向平行于斷層走向時，斷層煤柱位于斷層和區段巷道之間)，斷層活化和煤柱破壞可以誘發沖擊地壓，稱為斷層煤柱型沖擊地壓。根據斷層區域范圍內沖擊地壓主要誘發因素的不同，斷層煤柱沖擊可分為煤柱破壞型沖擊、斷層活化型沖擊和耦合失穩型沖擊。

煤層開采前，斷層區域處于原始的應力平衡狀態，斷層上盤和下盤在斷層面處產生巨大水平擠壓應力并保持相對穩定。煤層在開采過程中，經常造成煤層頂板冒落和煤層底板巖體破裂，產生震動波并向四周傳播，傳播至斷層時造成斷層面填充物和閉鎖段產生急劇壓縮、剪切、膨脹甚至破碎，導致閉鎖段的摩擦強度降低；若煤層上方存有堅硬的老頂難以隨回采及時垮落，則煤層的頂底板可以傳遞水平擠壓應力，在斷層面處垂直應力和水平應力比值變化較小，斷層面夾角不變；當閉鎖段的摩擦強度降低到足夠小，在滿足一定條件下，斷層閉鎖段便開始解鎖滑移，斷層上下盤產生剪切錯動，引發震動，閉鎖段積聚的彈性能被釋放，發生斷層活化型沖擊地壓(見圖2(a))。

圖2 斷層煤柱型沖擊地壓機制分析示意圖

斷層煤柱形成后，如圖2(b)所示，斷層煤柱受力由三向變成兩向，受到沿煤層面方向的約束減小，加上直接頂冒落導致其傳遞應力的作用降低，產生遠離煤柱方向的應力減小，而煤層的頂底板中存在沿煤層面指向斷層方向的較高的擠壓應力，煤層與頂底板間因較高的應力差而產生強剪切作用；煤層老頂下沉及上覆巖層的重力使斷層煤柱被夾在頂底板之間，積聚大量的彈性能，產生較高的支承壓力。在強剪切力作用和高支承壓力作用下，斷層煤柱靠近采空區的部分先達到強度極限而沖擊破壞，積聚的高能量將煤巖體沖向巷道空間而得以釋放，發生煤柱破壞型沖擊地壓。

斷層煤柱形成后，一方面，工作面回采擾動容易使斷層閉鎖段的摩擦強度降低造成斷層活化；另一方面，斷層煤柱中產生高支承壓力，存在這樣一種狀態，即煤柱中的應力水平接近煤體的極限強度，或者應力水平與煤體極限強度相差較大。此時，單純的斷層解鎖滑移、斷層煤柱釋放能量不足和應力未到煤柱極限強度，均不能使煤巖體產生沖擊破壞，但兩者耦合、疊加影響能誘發沖擊地壓：斷層解鎖滑移產生礦震，釋放的能量傳遞給煤柱的瞬間動應力增量非常大，該動應力增量與煤柱中的靜態應力疊加后的應力水平超過煤體極限強度，致使煤巖體沖擊破壞；同時，煤巖體沖擊破壞時的擾動反向左右加快了斷層滑移，使斷層釋放能量增多。斷層滑移釋放的能量與煤柱中積聚的能量兩者疊加，發生耦合失穩型沖擊地壓。

3 厚硬巖層影響下不規則斷層煤柱力學分析

該煤柱受力主要為上覆巖層的自重應力、斷層構造應力、采空區側向支撐應力3 部分。

3.1 自重應力

正常情況下，煤柱受上覆巖層的壓力為：

式中，γ為上覆巖層的平均容重，此處取2.5；H為采深，取955m。

3.2 斷層應力

根據工程經驗，斷層落差是誘發工作面沖擊地壓的主要因素，其對應的應力集中系數和影響范圍如表1所示。

表1 斷層落差與應力集中系數和影響范圍的關系

為了定量分析斷層兩側應力的分布狀態，將斷層兩側應力分布情況近似為等腰三角形分布，如圖3 所示，對斷層上盤應力分布狀態進行分析。

圖3 斷層上盤應力分布狀態圖

則斷層上盤附近應力狀態可用下列分段函數表示：

斷層下盤附近的應力分布狀態也與上盤類似。

DF19 斷層落差最大12m，根據表1 斷層落差與應力集中系數的關系，應力集中系數取1.3，斷層單側影響范圍L 為60m，則受斷層影響下的最大構造應力為：

式中，k 為斷層應力集中系數，此處取1.3；其他同上。

3.3 采空區側向支撐應力

近水平煤層的工作面開采后，采空區周圍巖層運動處于非充分采動階段，頂板巖層破裂高度約為采空區寬度的一半。采空區上覆巖層的運動是以巖層組為單位的，每個巖層組中的厚硬巖層作為關鍵層，控制著該巖層組的變形和運動。各巖層組在工作面前方產生離層，離層出現在上方巖層組的關鍵層和下方巖層組的軟弱巖層之間，采空區一側離層端的連線稱為巖層移動線，該線與水平線的夾角α 稱為巖層的移動角。采空區一側煤體的側向支承壓力σ 由自重應力σq和應力增量Δσ 等兩部分組成，即

式中，Δσ 等于采空區上方各關鍵層懸露部分傳遞到一側煤體上的壓力之和，即Δσ=Σσi；σi為第i 層關鍵層懸露部分傳遞到一側煤體上的壓力，i=1 ～n。

每個關鍵層懸露部分傳遞到采空區一側煤體的重量約為其重量的一半，傳遞到采空區一側煤體的應力增量呈等腰梯形分布，如圖4 所示，則第i 個關鍵層傳遞到采空區一側煤體的應力增量為：

圖4 計算模型

式中，σmaxi為第i 層關鍵層在采空區一側煤體上產生的最大支承壓力，σmaxi=Qi/Hicotα；Mi為第i 層關鍵層厚度；Hi為第i 層關鍵層厚度中心到煤層底板的距離，Hi=I+ Mi/2+ΣMj(j=1 ～i-1)；2I 為采空區寬度；Qi為第i 層關鍵層在采空區懸露部分重量的一半，Qi=LiMiγ/2；Li為第i 層關鍵層厚度中心位置在采空區的懸露長度，Li=2I+2Hicotα；γ為巖層容重。

將n 個關鍵層懸露部分產生的應力增量疊加，從而得到應力增量Δσ。

由自重產生的應力σq為

式中，H 為采深。

考慮到基巖厚度相對較大，這里取巖層移動角α約為84°。取采深為955m，工作面傾斜長度I 取3下103、3下105、3下107 三個采空區見方時的最大跨度400m，可得分段函數中自變量的計算區間為：[0 21]、[21 61]、[61 100]、[100 121]、[121 ∞]。

簡化計算過程，將巖層破裂范圍以上的巖層作為一巖層組，則其厚度M1為750m。將工作面參數代入式(1)～(3)，同時取巖層容重γ為2.50t/m3，可得具體的側向支承壓力壓力的計算公式為

計算得到斷層煤柱南側采空區的側向支承壓力分布，如圖5 所示。從圖中可以看出，采空區外側煤體側向支承壓力峰值位置距采空區約61m，支承壓力峰值約為95MPa；距采空區0 ～15m 為低應力區；距采空區15～121m 為支承壓力影響區；距采空區121m 以外為原巖應力區。

圖5 不規則煤柱南側采空區側向支承壓力曲線

圖6 不規則斷層煤柱中斷層簡化分布圖

3.4 自重應力、斷層應力及采空區側向轉移應力耦合疊加

分別計算自重應力、斷層應力及采空區側向轉移應力后，需將三者耦合疊加才能得到不規則斷層煤柱的真實受力情況。

由于DF19 斷層與一采區工作面并非完全平行，為簡化計算，此處沿3下107 運輸順槽將斷層分為東西兩部分，并作以下分析：西側DF19 斷層平行于3下103 及3下105 切眼，并沿斷層煤柱邊緣分布；東側DF19 斷層平行于3下107 切眼，并沿斷層煤柱中部分布。

根據以上分析，對自重應力、斷層應力及采空區側向轉移應力進行耦合疊加，疊加時需遵循以下原則。

（1）只取增量原則，即不重復計算垂直應力。

（2）構造優先原則，即存在構造應力時，則垂直應力不計。

計算方式如下：

①西側不規則斷層煤柱應力分布。根據上述原則，進行應力疊加后的西側不規則斷層煤柱應力分布見圖7，由圖可知，自煤柱南側向北61m 為煤柱應力峰值區，應力值為93.94MPa。

圖7 西側不規則斷層煤柱應力分布圖

②東側不規則斷層煤柱應力分布。根據上述原則，進行應力疊加后的東側不規則斷層煤柱應力分布見圖8，由圖可知，自煤柱南側向北60m 為煤柱應力峰值區，應力值為99.56MPa。

圖8 東側不規則斷層煤柱應力分布圖

4 結語

根據覆巖空間結構的不規則斷層煤柱應力分布的估算方法，計算得到現階段開采過程中一采區中北部不規則斷層煤柱的應力分布情況，根據應力分布特征，合理地劃分了3下113 工作面的沖擊危險區，制定合理的監測預警方案與防治措施，實現了3下113 工作面安全開采，同時對于類似地質條件下的開采沖擊地壓防治有很好的借鑒意義。