★ 煤炭科技·开拓与开采 ★
束佳明 贾江锋 张 臣 马 宁
(山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266590)
摘 要 以鲍店煤矿73上09工作面地质条件为基础，采用UDEC数值模拟软件，研究下盘工作面向逆断层开采时超前支承应力、煤壁上方顶板沉降的演化规律，分析冲击危险的发生规律。研究结果表明，在大煤柱状态下，支承压力高，顶板位移、沉降速率、断层滑移量小，以应力型冲击为主；在小煤柱状态下，承担的载荷较少，但顶板位移及其下沉速率、断层面滑移量较大，以动载型冲击为主。
关键词 逆断层 支承应力 顶板沉降 断层滑移量
中图分类号 TD324
文献标识码 A
基金项目：国家自然科学基金青年项目(51704182)，山东省自然科学基金项目(ZR2017BEE050)
引用格式：束佳明，贾江锋，张臣等. 逆断层下盘开采对冲击地压的诱导规律分析[J]. 中国煤炭，2018，44(8)：58-61.
Shu Jiaming, Jia Jiangfeng, Zhang Chen, et al. Analysis on inducing regularity of rock burst under footwall mining of reverse fault[J].China Coal，2018，44(8)：58-61.
Shu Jiaming, Jia Jiangfeng, Zhang Chen, Ma Ning
(School of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)
Abstract Based on the geological conditions of No. 73 upper 09 work face at Baodian Mine, the UDEC numerical simulation software was used to study the evolution laws of advance support stress and roof settlement above the coal wall when work face mining at footwall towards reverse fault to reveal the inducing mechanism of rock burst potential. The results showed that under the status of large coal pillars, the support pressure was high, roof displacement, settlement rate and fault slip were small, mainly by stress based rock burst; under the status of small coal pillars, less loadings were taken, but the roof displacement and its sinking rate, and fault slip were large, mainly by dynamic load rock burst.
Key words reverse fault, support stress, roof settlement, fault slip
随着煤炭资源的不断开发，矿井开采深度不断增大，地质条件日趋复杂，矿井冲击地压等地质灾害日益严重。根据现场实际生产情况及实测数据，在断层、褶曲构造带或煤层倾角变化带等区域，易诱发冲击地压等地质灾害。断层作为矿井最为常见的地质构造，切割岩层的连续性，矿压分布规律受断层影响十分明显。
现阶段，针对断层附近矿山压力显现特征及冲击地压的诱发，我国科学工作者已进行了大量的研究。代进等采用基本顶断裂岩块铰接平衡理论，通过研究不同开采顺序下，工作面采空区基本顶荷载在断层两侧的传递规律和差异性，并结合实际现场，得出了断层上盘先行开采时，断层的载荷传递系数较大，上盘断层煤柱压力小，下盘煤体压力较大；李志华等采用了断层滑移失稳相似模拟试验及数值模拟，研究了断层附近工作面上下盘开采顺序，通过对比分析得出工作面位于断层下盘时冲击矿压危险性远高于工作面位于上盘时的危险性。根据地质力学观点，逆断层构造附近更易发生冲击地压等动力灾害，这是由于在水平方向的构造应力强烈挤压作用下，断层上下盘围岩更容易发生弯曲，易积聚大量的弹性能。一旦断层上下两盘发生相对滑动将直接导致断层带围岩积聚对的弹性能瞬间释放，造成矿山伤亡事故。
本文以鲍店煤矿73上09工作面地质条件为基础，通过对比不同尺寸的断层煤柱，研究逆断层下盘工作面开采时顶板垂直应力分布、煤壁下沉量及断层的相对滑移量，进而分析诱导冲击地压的发生的规律。
UDEC是处理不连续介质的二维离散元程序，适用于模拟含节理或结构面不连续块体集合问题，能够满足研究需要。以鲍店煤矿73上09工作面地质条件为基础，针对逆断层下盘工作面开采，建立UDEC数值计算模型。
考虑边界效应，数值计算模型长550 m，高155 m，两侧各留设50 m边界煤柱，采空区长度为120 m。数值计算模型如图1所示。顶底板岩层物理力学参数见表1。断层岩石物理力学参数如下：剪切模量1.52 MPa，体积模量2.30 MPa，容重2700 kg/m3，粘聚力0.05 MPa，内摩擦角16°，抗拉强度0.04 MPa。为减少模型运算时间，模型边界附近网格划分相对稀疏。
图1 数值计算模型
表1 顶底板岩层物理力学参数
岩性厚度/m剪切模量/GPa体积模量/GPa容重/kg·m-3粘聚力/MPa内摩擦角/(°)粉砂岩244.848.8227503.3030砂质泥岩101.002.1723601.3038粉砂岩124.848.8227503.3030细砂岩103.387.8727003.2628泥岩61.002.1723601.3038煤层82.173.6823602.1025粗砂岩83.36.8726903.1628砂质泥岩151.002.1723601.3038细砂岩123.387.8727003.2628粉砂岩304.848.8227503.3030
计算模型底部边界采用全约束边界条件，左右两侧边界采用水平方向约束、竖直方向自由的边界条件，顶端采用自由边界条件。模拟工作面埋深400 m，模型顶板岩层高90 m，上部未模拟岩层自重以均布载荷垂直施加于模型顶端，因此补偿载荷为7.75 MPa。
考虑到模型边界的合理性，实际观测表明，采空区的长度和宽度均达到和超过1.2～1.4 H0(H0为平均开采深度)时，地表可达到充分采动。因此对于模型采空区长度为120 m时，地表达到充分采动。
在模型下盘煤层中分别设置应力监测线，监测工作面距断层45 m、35 m、25 m、15 m和5 m时的应力状态，得到工作面超前支承应力演化规律，煤柱垂直应力分布如图2所示。
由图2可以看出，当工作面距离断层超过45 m时，工作面超前支承应力分布形式基本不变，表明断层对工作面的支承应力影响不大。但由于工作面直接顶为硬厚粗砂岩，易形成大面积悬顶，工作面应力集中程度高。
图2 下盘工作不同宽度断层煤柱应力分布
当工作面距离断层25～45 m时，受断层切割煤体影响，断层与工作面之间形成大煤柱，煤岩体应力集中明显，并随着工作面向断层推进而逐渐升高，顶板与煤体均处在高应力状态下，煤柱最大应力达到26.7 MPa(距离断层25 m)；应力峰值区间缩小，应力峰值与煤壁间的距离缩短。断层下盘工作面前方煤岩体积聚了大量的弹性能，断层煤柱区域工作面巷道发生高应力冲击危险性较高。
下盘工作面距离断层5～15 m时，工作面进入小煤柱支承阶段，工作面的开采对断层的构造应力的影响也达到最大，超前支承应力影响区转移至上盘，下盘应力全部降低，高应力区转移至上盘。由于小煤柱发生较为剧烈的塑性破坏，承载能力显著降低，小煤柱应力降低，应力峰值降低6.5～18.95 MPa，峰值位置距煤壁位置也降低至2～7 m。此阶段，断层下盘煤柱若突然发生脆性破坏，极易诱发动载型冲击灾害。
在煤壁上方5 m处布置监测点，采用History命令，记录工作面每次开挖后煤壁上方顶板下沉量的历史值，得出其运动曲线图，曲线的斜率反映顶板的下沉速率。提取下盘工作面每次开挖计算8000步的数据(运行5000步左右时已基本达到平衡状态)，绘制出下盘工作面开挖顶板运动曲线，如图3所示。
由图3可以看出，下盘工作面距断层25～55 m时，受断层切割影响，大煤柱支承状态下，煤岩体处于高应力状态，但大煤柱的支承能力强，煤壁上方的最大位移仅由1.38 m增至1.68 m，位移及下沉速率均较少，易诱发高应力型冲击灾害。当工作面距断层15 m时，进入小煤柱护巷阶段，煤柱所承受的上覆载荷减少，且承载能力显著降低，煤柱破坏严重，此时的顶板位移激增至2.02 m，下沉速率明显增大，顶板运动释放较多能量，易诱发煤岩体整体失稳型冲击灾害。当工作面距离断层5 m时，煤柱进一步破坏，下沉量仍较大，易诱发顶板沉降型冲击灾害。
图3 下盘开采顶板运动曲线
为研究断层面的滑移量，在平行于断层面的上盘和下盘布置等高的监测点，采用History命令，记录工作面每次开挖后监测点下沉量的历史值，取断层上盘和下盘的位移的差值，可作为断层面滑移量，如图4所示。
图4 下盘开采断层滑移量变化曲线
由图4可知，断层面的相对滑移量随着工作面距断层的距离增大而减小，断层与工作面之间的距离越近，断层面相对滑移量越大。当下盘工作面距断层25～55m时，断层的滑移量从0.416 m增加至0.495 m，断层滑移速率及滑移量较小。工作面距断层15 m时，断层的滑移量与滑移速率均有明显的变化，滑移增加0.05 m，煤柱受上覆岩层垮落影响而发生破坏，释放较多的能量，易发生煤岩体整体失稳型冲击灾害。当工作面距离断层5 m时，煤柱进一步破坏，此时的断层滑移量也达到最大值0.61 m，易诱发顶板沉降型冲击灾害。
当工作面与断层之间留煤柱超过15 m时，煤岩体处于高应力状态下，顶板下沉量及其下沉速率、断层滑移量均较小，易诱发高应力型冲击灾害；当工作面与断层之间留设小煤柱时，煤岩体发生破坏，下盘应力降低，高应力区全部转移至上盘，而顶板下沉量及其下沉速率、断层滑移量较大，易诱发顶板沉降型冲击灾害。
(1)随着开挖不断接近断层，断层带附近应力不断集中，进入小煤柱支承阶段，下盘工作面应力降低，高应力区转移至上盘；
(2)顶板位移及其沉降速率、断层滑移量随煤柱的增大而减小，表明工作面距离断层近，越易发生冲击地压；
(3)逆断层下盘开采时，大煤柱支承阶段，煤岩体处于高应力状态，主要以应力型冲击灾害为主，可采取煤层注水、大直径钻孔卸压等措施进行处理；进入小煤柱阶段，煤柱承载能力降低，易诱发顶板沉降型冲击灾害，此阶段应时刻监测矿压数据，对端头处加强支护护。
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作者简介：束佳明(1994-)，男，安徽安庆人，在读研究生，主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究。