★ 煤炭科技·开拓与开采 ★
丁 楠 马 宁 蒋力帅
(山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266510)
摘 要 以赵楼煤矿5310工作面开采条件为研究背景，采用FLAC3D数值模拟软件，建立不同正断层倾角模型，研究了工作面沿正断层走向推进过程中，断层煤柱稳定性以及应力演化规律。研究结果表明，上盘断层煤柱支承应力峰值高于下盘，受断层倾角影响较大。断层煤柱支承应力随断层倾角增大而增大，工作面前方支承应力主要集中在靠近断层一侧;下盘断层煤柱支承应力曲线在断层倾角为45°、50°时呈双峰状，在55°、60°时呈单峰状，断层煤柱支承应力峰值受断层倾角影响较小;上下盘断层煤柱宽度应不小于30 m，需根据具体工程条件确定断层煤柱宽度。
关键词 断层煤柱 支承应力分布 断层倾角
断层作为常见的矿山地质构造，与采矿活动有着紧密的联系。当工作面布置在断层附近时，由于断层构造破坏原岩应力，造成应力重新分布，局部区域会形成应力集中，冲击地压发生的可能性显著增加。
长期以来，国内外专家学者对断层附近的采矿活动进行了大量的研究，并取得了丰硕的研究成果。孔朋采用数值模拟的方法研究了工作面沿断层走向推进和工作面过断层期间，断层带及工作面特征参数对工作面冲击危险性的影响。代进等研究了回采巷道沿断层边界布置时先采断层上盘或先采断层下盘两种开采顺序下，对断层煤柱采动应力的影响。孔朋等以工作面沿正断层走向布置时断层两侧工作面开采为背景，采用数值模拟研究了下盘工作面接替上盘工作面开采及上盘工作面接替下盘工作面开采时，断层两盘煤柱应力及接替面超前支承应力的演化规律。张国龙等以赵楼煤矿断层下盘一侧采空的11303(东)工作面地质条件为背景，采用数值模拟软件模拟分析了断层下盘工作面背向断层推进时，断层煤柱应力、工作面中部及采空侧断层超前支承应力演化规律。蒋金泉、王涛等采用三维数值模拟方法，分别研究了工作面向正断层和逆断层推进过程中断层煤柱应力演化特征等、煤层顶板运动特征以及断层活化规律。
综上所述，目前对于断层影响区采矿活动的研究主要建立在巷道围岩稳定性、断层煤柱支承应力规律的基础上。对于工作面沿断层走向推进期间断层倾角对煤柱稳定影响研究较少，为此，本文通过FLAC3D数值模拟研究不同断层倾角条件下，工作面沿断层走向回采时断层煤柱应力演化规律，为类似条件下的采矿生产活动提供相应的理论依据。
赵楼煤矿5310工作面位于矿井中南部，地面标高为+43.87～+44.98 m，工作面煤层底板标高为-748.4～-861.1 m，平均开采深度635～670 m。5310工作面长度130 m(两平巷内帮垂直平距)，工作面平均推进长度634.3 m，为五采区北翼首采工作面。运输平巷沿DF46断层开采，工作面具体布置方式如图1所示。
图1 5310工作面布置图
以赵楼煤矿5310工作面地质条件为研究背景，通过FLAC3D数值模拟软件，建立工作面沿不同断层倾角推进的数值模型，研究断层煤柱的应力演化规律。模拟断层倾角分别为45°、50°、55°和60°，断层落差12 m，模型尺寸520 m×360 m×220 m，工作面宽度为130 m，埋深650 m。为保证断层带两侧完整性，防止模型网格变形，采用弱化带模拟断层，如图2所示。
本构模型采用Mohr-Coulomb准则，模型顶部为自由边界，施加12.25 MPa的均布载荷，水平方向施加8.75 MPa的分布载荷，底部垂直方向及左右两侧采用位移限定边界。煤岩物理力学参数见表1。
图2 断层模拟模型
表1 煤岩物理力学参数表
上盘工作面沿断层开采时，不同倾角条件下断层煤柱宽度为30 m和40 m时垂直应力分布如图3和图4所示。同时，沿工作面倾向布置应力监测线，每5 m布置1个测点，得出不同倾角下煤壁与断层之间不同距离的垂直应力变化曲线，如图5所示。
由图3和图4可知，由于断层对支承应力传播的阻隔作用，上下盘应力分布差异较大。当断层煤柱宽度为30 m和40 m时，煤壁与断层之间的支承应力峰值都随着倾角的增大而增大。当断层煤柱宽度为30 m时，不同倾角下断层煤柱支承应力峰值分别为48.83 MPa、50.23 MPa、51.36 MPa和52.30 MPa；当断层煤柱宽度为40 m时，其应力峰值分别为40.65 MPa、46.51 MPa、47.41 MPa和48.51 MPa；工作面沿断层推进时，工作面煤壁前方超前支承应力沿倾向越靠近断层，应力集中程度越大。由上述分析可知，在相同的断层煤柱宽度条件下，随着倾角的增大，断层煤柱应力集中峰值逐渐变大，冲击危险相应增大。工作面煤壁靠近断层一侧应做好加强支护，保证安全高效生产。
图3 不同倾角下30 m断层煤柱垂直应力分布云图
图4 不同倾角下40 m断层煤柱垂直应力分布云图
图5 上盘不同倾角下胶带平巷距断层不同距离支承应力分布曲线图
上盘工作面沿断层开采时，不同倾角下胶带平巷距断层不同距离支承应力分布曲线如图5所示。由图5可知，不同倾角下当断层煤柱宽度相同时，断层倾角越大其应力集中程度越大。因此，在实际施工过程中，靠近较大倾角的断层构造采掘时要尤其注重冲击地压的防治工作。断层煤柱宽度为30 m时，断层煤柱所受垂直应力达到最高值，之后随着断层煤柱的减小，在高应力作用下煤柱发生塑性破坏并开始卸压。当断层煤柱宽度≥30 m时，应力集中区域在断层煤柱上；当断层煤柱宽度<30 m时，支承应力峰值逐渐向煤壁转移，当断层煤柱宽度为20 m时，最高应力集中区域集中靠近回采巷道，具有冲击地压发生的可能性，因此当工作面沿断层回采时，应在断层煤柱宽度大于30 m的基础上进行施工，保证工作面安全回采。
下盘工作面沿断层开采时，应力监测线布置方式与上盘一致，所得不同倾角下煤壁与断层之间不同距离的垂直应力变化曲线如图6所示。
由图6可知，工作面沿断层下盘开采时，不同断层倾角下断层煤柱应力分布差异显著。当断层倾角为45°时，断层煤柱应力分布呈双峰状且煤壁应力集中程度高于断层侧。当断层煤柱宽度≥20 m时，应力分布基本一致，最高支承应力峰值为25 MPa，当断层煤柱<20 m时，断层煤柱发生塑性破坏，最高应力峰值降为20 MPa，故当断层倾角为45°时，断层煤柱宽度应保证大于20 m情况下进行开采；断层煤柱为50°时，当断层煤柱宽度≥30 m时，煤柱支承应力曲线呈双峰状且最高应力峰值达30 MPa，当断层煤柱宽度<30 m时，煤柱已发生塑性破坏释放弹性能。
因此当断层倾角为50°时，应保证断层煤柱宽度≥30 m；当断层倾角为55°和60°时，断层煤柱支承应力分布呈单峰状且应力峰值曲线分布基本一致，受断层煤柱影响不大。当断层煤柱宽度<30 m时，断层煤柱释放弹性能失去承载能力，此时，应保证断层煤柱宽度≥30 m。
图6 下盘不同倾角下平巷距断层不同距离支承应力分布曲线图
(1)工作面沿断层上盘走向推进时，断层应力阻隔效应显著，断层煤柱支承应力峰值随断层倾角的增大而增大，工作面前方应力峰值主要积聚于靠近断层一侧。
(2)工作面沿断层下盘走向推进时，当断层倾角为45°和50°时，煤柱应力峰值曲线呈双峰状，当断层倾角为55°和60°时，煤柱应力峰值曲线呈单峰状。
(3)工作面沿断层走向推进时，上盘断层煤柱支承应力峰值高于下盘且上盘断层煤柱应力峰值受断层倾角影响较大，下盘断层煤柱支承应力峰值受断层倾角影响较小，上下盘断层煤柱宽度应保证不小于30 m。
参考文献：
[1] 吕进国，姜耀东，李守国等. 巨厚坚硬顶板条件下断层诱冲特征及机制[J]. 煤炭学报,2014(10)
[2] 姜耀东,王涛,陈涛. “两硬”条件正断层影响下的冲击地压发生规律研究[J]. 岩石力学与工程学报，2013(2)
[3] 史之印，李海伟，于海洋等. 综放工作面过断层应用技术与实践[J]. 中国煤炭，2015(6)
[4] 孔朋. 断层影响区工作面回采冲击地压危险性研究[D].山东科技大学. 2017
[5] 代进，蒋金泉. 上下盘开采顺序对断层煤柱采空应力的影响[J]. 采矿与安全工程学报，2016(1)
[6] 孔朋，蒋金泉，王普等. 正断层两盘不同开采顺序的支承应力演化规律[J]. 煤矿安全，2017(10)
[7] 张国龙，蒋金泉，王普等. 断层下盘一侧采空工作面采动应力分布及其演化规律[J]. 煤矿安全，2017(7)
[8] 蒋金泉,武泉林,曲华. 硬厚覆岩正断层附近采动应力演化特征[J]. 采矿与安全工程学报，2014(6)
[9] 蒋金泉,武泉林,曲华. 硬厚岩层下逆断层采动应力演化与断层活化特征[J]. 煤炭学报，2015(2)
[10] 王涛，王曌华，姜耀东等. 开采扰动下断层华裔过程围岩应力分布及演化规律的实验研究[J].中国矿业大学学报，2014(4)
Ding Nan, Ma Ning, Jiang Lishuai
(College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510, China)
Abstract Taking 5310 work face of Zhaolou Mine as the engineering background, the FLAC3D numerical simulation software was employed to establish the different normal fault angel models and study the effect of fault coal pillar on the evolution laws of abutment pressure distribution when the work face moved along normal fault. The results showed that the stress peak of the hanging wall fault coal pillar was higher than that of the foot wall, which is remarkably affected by the fault dip. The abutment pressure of the fault coal pillar increased with the increase of fault dip, and the work face abutment pressure was mainly concentrated near the fault side. Foot wall fault abutment pressure curve of the coal pillar was bimodal-shaped when the fault dip angle was 45 ° and 50 °, and it was unimodal-shaped when the fault dip angle was 55 ° and 60 °, fault coal pillar abutment pressure peak value was influenced by the fault dip angle was smaller. The width of coal pillar should be greater than 30 m, and the width of fault coal pillar should be determined according to specific conditions.
Key words fault coal pillar, abutment pressure distribution, fault dip
中图分类号 TD323
文献标识码 A
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51574155)，泰安市科技发展计划资助项目(2015ZC1058)
引用格式：丁楠，马宁，蒋力帅. 不同倾角下工作面沿正断层开采断层煤柱应力演化规律研究[J]. 中国煤炭，2018,44(12)：46-50.
Ding Nan, Ma Ning, Jiang Lishuai. Research on the evolution laws of fault coal pillar abutment pressure mining along normal fault with different dip angles[J]. China Coal，2018,44(12)：46-50.
作者简介：丁楠(1991-)，男，内蒙古呼和浩特人，在读硕士研究生，主要从事矿山压力与岩层控制方面研究。