周 勇，程建圣，張占國(guó)，冀超輝

（1.國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011；2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；4.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

當(dāng)在煤層斷層附近開(kāi)挖時(shí)，開(kāi)挖區(qū)上覆巖體存在冒頂、塌落等安全生產(chǎn)隱患。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者已注意到斷層對(duì)開(kāi)挖的影響。如張景公[1]認(rèn)為過(guò)斷層構(gòu)造帶施工中，缺乏有效的臨時(shí)支護(hù)手段和設(shè)備，將會(huì)引起上覆巖層冒頂或抽冒。張衛(wèi)強(qiáng)等[2]研究表明，隨著開(kāi)挖區(qū)不斷接近斷層帶，斷層帶附近應(yīng)力不斷集中，等效于對(duì)斷層帶及周圍介質(zhì)組成的系統(tǒng)進(jìn)行的1個(gè)不斷加載的過(guò)程，達(dá)到臨界條件，系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)；趙海軍[3]、唐東旗[4]研究表明，斷層上下盤開(kāi)挖將會(huì)引起巖體的下移，會(huì)導(dǎo)致巖移效應(yīng)，對(duì)施工安全造成危害；蔣建平[5]認(rèn)為隨著隧道離斷層距離的不同，隧道兩側(cè)受到的應(yīng)力不同；張健儒[6]、王學(xué)忠[7]、李洪等[8]對(duì)隧道過(guò)斷層時(shí)的施工工藝進(jìn)行了探究，為隧道的布置提供依據(jù)；與隧道開(kāi)挖相對(duì)應(yīng)，白海波[9]對(duì)逆斷層下煤層的安全開(kāi)采進(jìn)行了研究。但由于受觀察條件的限制，對(duì)斷層帶介質(zhì)的分布特征缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)有的巖層力學(xué)特性基本上都是建立在均勻連續(xù)介質(zhì)基礎(chǔ)上，沒(méi)有考慮巖層中存在的不連續(xù)面，如節(jié)理、裂隙以及斷層的影響，而實(shí)際上巖層中存在大量的節(jié)理裂隙和規(guī)模不等的斷層，這些不連續(xù)面的存在，在采動(dòng)影響下易于發(fā)生“活化”[9-10]，煤頂板巖層難以控制，尤其是當(dāng)開(kāi)采區(qū)域斷層比較發(fā)育時(shí)，斷層對(duì)煤巖力學(xué)分布規(guī)律的影響十分明顯[11-13]。正斷層是在煤礦開(kāi)采過(guò)程中經(jīng)常遇到的一類構(gòu)造，嚴(yán)重影響煤礦開(kāi)采[14]，因此，研究正斷層煤層上下盤開(kāi)挖煤巖體的力學(xué)特性，為正斷層煤體開(kāi)挖的危險(xiǎn)性防護(hù)提供理論依據(jù)。

1 正斷層煤層開(kāi)挖模型

1.1 力學(xué)模型的建立

正斷層煤層模型長(zhǎng)100 m，寬50 m（上部22 m砂巖，中間6 m煤層，下部22 m砂巖），正斷層示意圖如圖1，煤層距離地表大約400 m（按上覆巖體平均密度2 500 kg/m3計(jì)），上部施加10 MPa的壓力。模型底部固定，左右受拉，取側(cè)壓系數(shù)0.9，即左右拉應(yīng)力9.0 MPa。正斷層面是弱面，厚1 m，巖體力學(xué)性能較低，可塑性較強(qiáng)[15]。

圖1 正斷層示意圖（單位：m）

1.2 基本參數(shù)

模型中煤巖體分為3種：砂巖、煤體和斷層面，它們的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

2 數(shù)值模擬及分析

以正斷層落差為1 m為例，分別對(duì)正斷層煤層上盤開(kāi)挖和下盤開(kāi)挖2種情況下的煤巖體力學(xué)特性（最大豎向應(yīng)力、最大豎向位移、最大水平應(yīng)力、最大水平位移）進(jìn)行計(jì)算分析。

表1 基本參數(shù)

2.1 煤層上下盤開(kāi)挖數(shù)值模擬

從上盤開(kāi)挖，距斷層（水平距離）40 m的豎向應(yīng)力、豎向位移、水平應(yīng)力、水平位移、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力如圖2。

圖2 上盤開(kāi)挖距斷層40 m應(yīng)力、位移云圖

從圖2可以看出，隨著開(kāi)挖區(qū)與斷層之間距離的減小，開(kāi)挖區(qū)周圍的豎向應(yīng)力不斷增大，且在與斷層同一距離下的豎向應(yīng)力由開(kāi)挖頂端向前方逐漸減小，并呈啞鈴形放射狀分布，即最大豎向應(yīng)力位于開(kāi)挖區(qū)頂端；隨著開(kāi)挖區(qū)與斷層之間距離的減小，開(kāi)挖區(qū)周圍的豎向位移逐漸增大，且在與斷層同一距離下的豎向位移由開(kāi)挖后方上端順著開(kāi)挖方向呈弧狀逐漸減小，即最大豎向位移位于開(kāi)挖后方上端；開(kāi)挖區(qū)周圍的水平應(yīng)力為壓應(yīng)力，隨著開(kāi)挖區(qū)與斷層之間距離的減小，壓應(yīng)力在開(kāi)挖區(qū)前部呈鉗狀向未開(kāi)挖區(qū)逐漸減小，即最大水平應(yīng)力在開(kāi)挖頂端上邊緣，其周圍則是拉應(yīng)力；隨著開(kāi)挖區(qū)與斷層之間距離的減小，開(kāi)挖區(qū)周圍的水平位移在開(kāi)挖區(qū)頂端有向開(kāi)挖區(qū)膨脹的趨勢(shì)，即最大水平位移在開(kāi)挖頂端，其余部分則受拉伸長(zhǎng)，但伸長(zhǎng)量較小。

分別采用上述模型計(jì)算分析煤層上盤開(kāi)挖距斷層30、20 m時(shí)煤巖體的應(yīng)力云圖和位移云圖，上盤開(kāi)挖區(qū)煤巖體應(yīng)力、位移極值見(jiàn)表2。

表2 上盤開(kāi)挖區(qū)煤巖體應(yīng)力、位移極值

與從上盤開(kāi)挖的數(shù)值模擬相似，數(shù)值計(jì)算分析煤層下盤開(kāi)挖距斷層40、30、20 m時(shí)煤巖體的應(yīng)力云圖和位移云圖，發(fā)現(xiàn)其云圖的位移和應(yīng)力分布及變化趨勢(shì)均與從上盤開(kāi)挖時(shí)相似。下盤開(kāi)挖區(qū)煤巖體應(yīng)力、位移極值見(jiàn)表3。

表3 下盤開(kāi)挖區(qū)煤巖體應(yīng)力、位移極值

通過(guò)對(duì)圖2和表2、表3的分析可知：當(dāng)斷層落差1 m時(shí)，無(wú)論是從上盤開(kāi)挖還是從下盤開(kāi)挖，煤巖體的豎向應(yīng)力、豎向位移、水平應(yīng)力、水平位移、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力均隨與斷層距離的減小而增大。又由圖2可知，開(kāi)挖頂端容易應(yīng)力集中，所以可利用第三強(qiáng)度理論：

式中：σ1為開(kāi)挖頂端最大主應(yīng)力；σ3為最小應(yīng)力；[σ]為砂巖的許用拉應(yīng)力。

因此，由表2和表3可知，當(dāng)斷層落差1 m時(shí)，開(kāi)挖區(qū)越接近斷層面，開(kāi)挖區(qū)頂端的相當(dāng)應(yīng)力（σ1-σ3）越大，說(shuō)明開(kāi)挖進(jìn)程越靠近斷層面越危險(xiǎn)。

2.2 上盤和下盤開(kāi)挖煤巖體力學(xué)特性對(duì)比分析

煤層上盤和下盤開(kāi)挖時(shí)煤巖體的最大豎向應(yīng)力、最大豎向位移、最大水平應(yīng)力、最大水平位移、相當(dāng)應(yīng)力對(duì)比分析如圖3。

圖3 上盤和下盤開(kāi)挖煤巖體力學(xué)性能對(duì)比

由圖3可知，隨著開(kāi)挖區(qū)與斷層面之間距離的減小，不論是從上盤還是下盤開(kāi)挖，煤巖體的最大位移、最大應(yīng)力及相當(dāng)應(yīng)力均呈逐漸增加的趨勢(shì)。水平位移的方向雖不同，但均較小，即對(duì)煤層開(kāi)挖頂端煤巖體的影響較小。水平應(yīng)力對(duì)開(kāi)挖工作面冒頂和巖體破壞的影響較小。因此，可只需考慮地應(yīng)力作用的影響，即豎向應(yīng)力和豎向位移（開(kāi)挖后上覆巖層的沉降），開(kāi)挖頂端相當(dāng)應(yīng)力是引起開(kāi)挖工作面冒頂和巖體破壞的主要原因，因此從防止冒頂和開(kāi)挖頂端巖體破壞的角度來(lái)看，可只需分析不同煤巖體豎向位移和開(kāi)挖頂端相當(dāng)應(yīng)力。

由以上可知，與上盤開(kāi)挖引起的豎向應(yīng)力、豎向位移和開(kāi)挖頂端相當(dāng)應(yīng)力相比，從下盤開(kāi)挖均較大，因此當(dāng)其他變量相同時(shí)，從上盤開(kāi)挖比從下盤開(kāi)挖更安全。

3 不同斷層落差上盤和下盤煤層開(kāi)挖對(duì)比分析

斷層落差分別取3、5 m，開(kāi)挖上盤和下盤煤層時(shí)開(kāi)挖頂端相當(dāng)應(yīng)力和豎向位移綜合分析如圖4和圖5。

圖4 斷層落差3 m

由圖4和圖5可知，斷層落差3 m和5 m時(shí)，上盤和下盤開(kāi)挖時(shí)，煤巖體的相當(dāng)應(yīng)力和豎向位移與斷層落差 1 m 時(shí)（圖3（b）、圖3（e））具有相同的變化規(guī)律，即正斷層煤層從上下盤開(kāi)挖時(shí)，無(wú)論斷層落差多大，從下盤開(kāi)挖時(shí)相當(dāng)應(yīng)力和豎向位移均比從上盤開(kāi)挖時(shí)大，因此，從下盤開(kāi)挖將增大煤巖體破壞的可能性，即增大了冒頂、開(kāi)挖頂端煤巖體塌落的危險(xiǎn)性。進(jìn)而，對(duì)存在正斷層煤礦安全生產(chǎn)，從上盤開(kāi)挖較從下盤開(kāi)挖時(shí)安全性更高。

圖5 斷層落差5 m

4 結(jié)論

1）豎向位移和相當(dāng)應(yīng)力偏大是引起開(kāi)挖頂端應(yīng)力集中的主要原因，也是冒頂?shù)闹饕颉?/p>

2）當(dāng)煤層中存在正斷層時(shí)，從上盤開(kāi)挖引起開(kāi)挖頂端的相當(dāng)應(yīng)力和豎向位移比從下盤開(kāi)挖引起的小，且開(kāi)挖區(qū)與斷層距離越近，開(kāi)挖頂端相當(dāng)應(yīng)力和豎向位移越大。

3）從預(yù)防巷道冒頂和開(kāi)挖頂端煤巖體破壞的角度考慮，正斷層的落差相同時(shí)，從上盤開(kāi)挖較從下盤開(kāi)挖安全。