何曉義，王川

（棗莊礦業(yè)集團滕東煤業(yè)有限公司，山東 棗莊 277000）

1 不規(guī)則斷層煤柱概況

滕東煤業(yè)主采3 下煤層，礦井一采區(qū)平均煤層厚度為5.11m，煤層上方80m 范圍內(nèi)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(qū)間留有一段60 ～450m 的不規(guī)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(guī)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(zhì)及應(yīng)力分布在斷層處產(chǎn)生不連續(xù)。當采掘接近斷層時，產(chǎn)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(qū)段巷道之間)，斷層活化和煤柱破壞可以誘發(fā)沖擊地壓，稱為斷層煤柱型沖擊地壓。根據(jù)斷層區(qū)域范圍內(nèi)沖擊地壓主要誘發(fā)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(wěn)型沖擊。

煤層開采前，斷層區(qū)域處于原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，斷層上盤和下盤在斷層面處產(chǎn)生巨大水平擠壓應(yīng)力并保持相對穩(wěn)定。煤層在開采過程中，經(jīng)常造成煤層頂板冒落和煤層底板巖體破裂，產(chǎn)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(chǎn)生急劇壓縮、剪切、膨脹甚至破碎，導(dǎo)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?shù)装蹇梢詡鬟f水平擠壓應(yīng)力，在斷層面處垂直應(yīng)力和水平應(yīng)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(chǎn)生剪切錯動，引發(fā)震動，閉鎖段積聚的彈性能被釋放，發(fā)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(dǎo)致其傳遞應(yīng)力的作用降低，產(chǎn)生遠離煤柱方向的應(yīng)力減小，而煤層的頂?shù)装逯写嬖谘孛簩用嬷赶驍鄬臃较虻妮^高的擠壓應(yīng)力，煤層與頂?shù)装彘g因較高的應(yīng)力差而產(chǎn)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?shù)装逯g，積聚大量的彈性能，產(chǎn)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(qū)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(fā)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(chǎn)生高支承壓力，存在這樣一種狀態(tài)，即煤柱中的應(yīng)力水平接近煤體的極限強度，或者應(yīng)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(yīng)力未到煤柱極限強度，均不能使煤巖體產(chǎn)生沖擊破壞，但兩者耦合、疊加影響能誘發(fā)沖擊地壓：斷層解鎖滑移產(chǎn)生礦震，釋放的能量傳遞給煤柱的瞬間動應(yīng)力增量非常大，該動應(yīng)力增量與煤柱中的靜態(tài)應(yīng)力疊加后的應(yīng)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(fā)生耦合失穩(wěn)型沖擊地壓。

3 厚硬巖層影響下不規(guī)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(yīng)力、斷層構(gòu)造應(yīng)力、采空區(qū)側(cè)向支撐應(yīng)力3 部分。

3.1 自重應(yīng)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(yīng)力

根據(jù)工程經(jīng)驗，斷層落差是誘發(fā)工作面沖擊地壓的主要因素，其對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)和影響范圍如表1所示。

表1 斷層落差與應(yīng)力集中系數(shù)和影響范圍的關(guān)系

為了定量分析斷層兩側(cè)應(yīng)力的分布狀態(tài)，將斷層兩側(cè)應(yīng)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(yīng)力分布狀態(tài)進行分析。

圖3 斷層上盤應(yīng)力分布狀態(tài)圖

則斷層上盤附近應(yīng)力狀態(tài)可用下列分段函數(shù)表示：

斷層下盤附近的應(yīng)力分布狀態(tài)也與上盤類似。

DF19 斷層落差最大12m，根據(jù)表1 斷層落差與應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系，應(yīng)力集中系數(shù)取1.3，斷層單側(cè)影響范圍L 為60m，則受斷層影響下的最大構(gòu)造應(yīng)力為：

式中，k 為斷層應(yīng)力集中系數(shù)，此處取1.3；其他同上。

3.3 采空區(qū)側(cè)向支撐應(yīng)力

近水平煤層的工作面開采后，采空區(qū)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(qū)寬度的一半。采空區(qū)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(guān)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(chǎn)生離層，離層出現(xiàn)在上方巖層組的關(guān)鍵層和下方巖層組的軟弱巖層之間，采空區(qū)一側(cè)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(qū)一側(cè)煤體的側(cè)向支承壓力σ 由自重應(yīng)力σq和應(yīng)力增量Δσ 等兩部分組成，即

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

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

圖4 計算模型

式中，σmaxi為第i 層關(guān)鍵層在采空區(qū)一側(cè)煤體上產(chǎn)生的最大支承壓力，σmaxi=Qi/Hicotα；Mi為第i 層關(guān)鍵層厚度；Hi為第i 層關(guān)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(qū)寬度；Qi為第i 層關(guān)鍵層在采空區(qū)懸露部分重量的一半，Qi=LiMiγ/2；Li為第i 層關(guān)鍵層厚度中心位置在采空區(qū)的懸露長度，Li=2I+2Hicotα；γ為巖層容重。

將n 個關(guān)鍵層懸露部分產(chǎn)生的應(yīng)力增量疊加，從而得到應(yīng)力增量Δσ。

由自重產(chǎn)生的應(yīng)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(qū)見方時的最大跨度400m，可得分段函數(shù)中自變量的計算區(qū)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(shù)代入式(1)～(3)，同時取巖層容重γ為2.50t/m3，可得具體的側(cè)向支承壓力壓力的計算公式為

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

圖5 不規(guī)則煤柱南側(cè)采空區(qū)側(cè)向支承壓力曲線

圖6 不規(guī)則斷層煤柱中斷層簡化分布圖

3.4 自重應(yīng)力、斷層應(yīng)力及采空區(qū)側(cè)向轉(zhuǎn)移應(yīng)力耦合疊加

分別計算自重應(yīng)力、斷層應(yīng)力及采空區(qū)側(cè)向轉(zhuǎn)移應(yīng)力后，需將三者耦合疊加才能得到不規(guī)則斷層煤柱的真實受力情況。

由于DF19 斷層與一采區(qū)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(cè)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(cè)DF19 斷層平行于3下107 切眼，并沿斷層煤柱中部分布。

根據(jù)以上分析，對自重應(yīng)力、斷層應(yīng)力及采空區(qū)側(cè)向轉(zhuǎn)移應(yīng)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(fù)計算垂直應(yīng)力。

（2）構(gòu)造優(yōu)先原則，即存在構(gòu)造應(yīng)力時，則垂直應(yīng)力不計。

計算方式如下：

①西側(cè)不規(guī)則斷層煤柱應(yīng)力分布。根據(jù)上述原則，進行應(yīng)力疊加后的西側(cè)不規(guī)則斷層煤柱應(yīng)力分布見圖7，由圖可知，自煤柱南側(cè)向北61m 為煤柱應(yīng)力峰值區(qū)，應(yīng)力值為93.94MPa。

圖7 西側(cè)不規(guī)則斷層煤柱應(yīng)力分布圖

②東側(cè)不規(guī)則斷層煤柱應(yīng)力分布。根據(jù)上述原則，進行應(yīng)力疊加后的東側(cè)不規(guī)則斷層煤柱應(yīng)力分布見圖8，由圖可知，自煤柱南側(cè)向北60m 為煤柱應(yīng)力峰值區(qū)，應(yīng)力值為99.56MPa。

圖8 東側(cè)不規(guī)則斷層煤柱應(yīng)力分布圖

4 結(jié)語

根據(jù)覆巖空間結(jié)構(gòu)的不規(guī)則斷層煤柱應(yīng)力分布的估算方法，計算得到現(xiàn)階段開采過程中一采區(qū)中北部不規(guī)則斷層煤柱的應(yīng)力分布情況，根據(jù)應(yīng)力分布特征，合理地劃分了3下113 工作面的沖擊危險區(qū)，制定合理的監(jiān)測預(yù)警方案與防治措施，實現(xiàn)了3下113 工作面安全開采，同時對于類似地質(zhì)條件下的開采沖擊地壓防治有很好的借鑒意義。