關(guān)慧鵬

（山西潞安集團(tuán)常村煤業(yè)有限公司 山西長(zhǎng)治 047500）

1 引言

煤炭開采面臨著向深部復(fù)雜地質(zhì)條件發(fā)展的趨勢(shì)，其中斷層地質(zhì)因其原始應(yīng)力復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯在受到開采影響時(shí)應(yīng)力分布變化呈現(xiàn)不確定性和復(fù)雜性，這些因素都會(huì)給采掘支護(hù)過程增加難度，同時(shí)對(duì)安全科學(xué)生產(chǎn)產(chǎn)生很大的影響。在斷層構(gòu)造應(yīng)力的作用下近斷層巷道常會(huì)出現(xiàn)兩側(cè)圍巖的不對(duì)稱位移變形，同時(shí)斷層附近巖體具有一定的不規(guī)則性，這樣在增加支護(hù)及安全生產(chǎn)成本的同時(shí)可能造成部分煤炭無法開采。面對(duì)近斷層巷道掘進(jìn)和支護(hù)的問題多年來學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，王恩營等[1]應(yīng)用動(dòng)力學(xué)分析斷層形成，并從多個(gè)角度討論斷層地質(zhì)對(duì)煤炭開采的影響以及其可能引起的災(zāi)害；王襄禹等[2]根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析近斷層巷道在采掘工程中發(fā)生的圍巖不對(duì)稱位移以及支護(hù)體系的破壞現(xiàn)象，挖掘引起這種現(xiàn)象的圍巖應(yīng)力分布以及圍巖破壞機(jī)理,并進(jìn)一步確定巷道變形支護(hù)失效的原因，在此基礎(chǔ)上通過數(shù)值模擬的方法找出科學(xué)合理的圍巖支護(hù)控制方案，通過實(shí)際工程的應(yīng)用證明其近斷層巷道圍巖位移變形以及其支護(hù)理論的可行性；勾攀峰等[3]通過相似模擬的方法研究了斷層影響下巷道圍巖位移變形特征，指出圍巖變形的不對(duì)稱性以及頂板出現(xiàn)明顯裂縫的趨勢(shì)，并在此基礎(chǔ)上證明了型鋼支護(hù)方法的優(yōu)越性。通過分析前人的大量研究結(jié)合常村煤礦的實(shí)際地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬法對(duì)該礦近斷層巷道在采掘過程中斷層與圍巖間的相互影響進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)近斷層一側(cè)煤柱合理寬度進(jìn)行對(duì)比研究，為該區(qū)域煤柱的選取提供方案并可為今后的近斷層開采研究提供一些參考。

2 數(shù)值模擬

本文根據(jù)常村礦水文地質(zhì)條件建立模型并選取某巷道為研究對(duì)象，其中巷道凈寬5.2 m，凈高3.5 m，工作面煤層總厚為6 ，其中巷道直接底為泥巖，厚度為5.5 m；老底為細(xì)粒砂巖，厚度為4.2 m。直接頂為泥巖，厚度為2.9 m；老頂為粉砂巖，厚度為4.2 m，模擬中斷層距離巷道15 m，其傾角為45°落差約60 m 模型建立中具體參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬中模型巖石力學(xué)參數(shù)表

最終建立長(zhǎng)×寬×高=150m×50m×95m 的數(shù)值計(jì)算模型如圖1 所示，取邊界條件為模型底部是固定邊界，模型的四周設(shè)置為水平邊界，模型的上部設(shè)置自由邊界。同時(shí)模型上部未出現(xiàn)的土層由模型頂部施加20 MPa等效的垂直應(yīng)力代替，并建立以下假設(shè)：1）模型中涉及的煤巖體為各向同性的連續(xù)均質(zhì)體；2）模型中的工作面以及回采巷道處于靜力平衡狀態(tài)；3）煤巖體為符合摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則的理想彈塑性體；4）不考慮時(shí)間因素的影響；在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上應(yīng)用摩爾庫倫模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算[4]。

圖1 數(shù)值模擬模型

圖2 巷道掘進(jìn)影響下斷層應(yīng)力及位移變形分布圖

如圖2 所示，a 圖顯示受巷道掘進(jìn)作用斷層兩端區(qū)域垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象較中心位置更為明顯，整體垂直應(yīng)力集中呈現(xiàn)隨地層變化而改變的狀態(tài)，并且變化系數(shù)是1.4，兩側(cè)皆有約15 m～20 m的范圍受到斷層應(yīng)力影響；b 圖顯示斷層水平應(yīng)力出現(xiàn)距斷層越近應(yīng)力越大，且同樣為斷層兩端應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯，其影響范圍與垂直應(yīng)力相同；c 圖顯示剪應(yīng)力分布則隨斷層傾向成梭形分布，有兩端逐漸減小但影響區(qū)域則逐漸增大的趨勢(shì)。

圖3 近斷層巷道圍巖變形云圖

由于近距離斷層的影響該側(cè)巷道掘進(jìn)過程中受到非對(duì)稱應(yīng)力場(chǎng)的作用，從而造成近斷層的巷道側(cè)幫水平方向上易發(fā)生剪切破壞或滑移[5]，如圖3 所示，左側(cè)為近斷層一側(cè)其位移變形量明顯大于右側(cè)，最大變形量約為30 mm，這樣不對(duì)稱的作用力同時(shí)會(huì)明顯增大底板隆起量。

圖4 近斷層巷道煤柱預(yù)留寬度對(duì)比曲線圖

為保證近斷層巷道的安全使用，巷道保護(hù)可以通過調(diào)整煤柱預(yù)留寬度來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示分別取6種煤柱寬度進(jìn)行模擬分析得出不同煤柱寬度下巷道圍巖變形規(guī)律。隨著煤柱寬度的不斷增大四項(xiàng)圍巖位移變形數(shù)據(jù)都呈不同程度減小趨勢(shì)，其中5 m～20 m這一階段煤柱寬度增大造成圍巖位移變形下降趨勢(shì)明顯，受到斷層影響該階段巷道圍巖部分或全部處于斷層剪應(yīng)力影響區(qū)域，應(yīng)力集中造成巷道圍巖的塑形破壞擴(kuò)展，但是煤柱寬度的增加使圍巖遠(yuǎn)離或脫出斷層應(yīng)力影響范圍使得巷道圍巖趨于原巖[6]。這一階段底板變形量減少34.25 mm，頂板下沉量減少25.91 mm，煤柱位移變形量由45.61 mm 減少至20.53 mm，側(cè)幫移近量降為14.66 mm；當(dāng)煤柱寬度由 20 m 增加到 25 m 和 30 m 時(shí)巷道圍巖受到斷層的影響不斷減小其穩(wěn)定性雖然增加但是頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r位移變形量減少都在5 mm 以內(nèi)，這樣會(huì)造成經(jīng)濟(jì)效益的大量減少，因此通過多組煤柱寬度的對(duì)比在保證巷道安全的同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)效益的前提下選擇20 m作為實(shí)際預(yù)留煤柱寬度最為合理。

3 結(jié)論

（1）受巷道掘進(jìn)作用影響斷層兩端區(qū)域垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象較中心位置更為明顯，整體垂直應(yīng)力集中呈現(xiàn)隨地層變化而改變的趨勢(shì)，兩側(cè)皆有約15 m～20 m的范圍受到斷層應(yīng)力影響；斷層水平應(yīng)力出現(xiàn)距斷層越近應(yīng)力越大，且同樣為斷層兩端應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯，其影響范圍與垂直應(yīng)力相同；剪應(yīng)力分布則隨斷層傾向成梭形分布，有兩端逐漸減小但影響區(qū)域則逐漸增大的趨勢(shì)。

（2）由于近距離斷層的影響該側(cè)巷道掘進(jìn)過程中受到非對(duì)稱應(yīng)力場(chǎng)的作用，從而造成近斷層巷道側(cè)幫水平方向上易發(fā)生剪切破壞或滑移，左側(cè)近斷層一側(cè)位移變形量明顯大于右側(cè)，最大變形量約為30 mm，這樣不對(duì)稱的作用力同時(shí)會(huì)明顯增大底板隆起量。

（3）保護(hù)煤柱寬度從5 m 增大至20 m 過程中斷層造成圍巖位移變形下降趨勢(shì)明顯，受到斷層影響該階段巷道圍巖部分或全部處于斷層剪應(yīng)力影響區(qū)域，應(yīng)力集中造成巷道圍巖的塑形破壞擴(kuò)展，但是煤柱寬度的增加使圍巖遠(yuǎn)離或脫出斷層應(yīng)力影響范圍造成得巷道圍巖趨于原巖，因此通過多組煤柱寬度的對(duì)比在保證巷道安全的同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)效益的前提下選擇20 m作為實(shí)際預(yù)留煤柱寬度最為合理。