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断层对煤层开采应力分布影响的数值模拟分析 翟晓荣，吴基文，彭涛，沈书豪 安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001 ［ 摘 要］以芦岭煤矿 8 煤层开采为例，运用 FLAC3D软件分析了断层倾向与工作面推进方向在 不同情况下，断层带两侧应力分布特征的差异。工作面布设分别在断层上盘逆断层倾向推进和在断层 下盘顺断层倾向推进。通过数值模拟分析得出，当逆断层倾向推进的时候 工作面位于断层上盘 ， 随着工作面推进，在断层带上出现应力集中现象，且随工作面继续推进应力集中及影响范围呈增大的 趋势，断层带起到了一个阻止应力集中向前传递的作用，应力集中于断层带及上盘上;当顺断层倾向 推进的时候 工作面位于断层下盘 ，随工作面推进，断层带两侧先出现应力减小随后增大，继续推 进应力传递到对盘，断层带应力集中程度减小，断层未能限制应力的传递。因此，可以利用此结果， 为工作面及巷道位置选择提供依据，避免应力集中对巷道造成破坏，延长巷道服务年限。 ［ 关键词］断层倾向;应力集中;煤层开采;数值模拟 ［ 中图分类号］ TD323［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201305- 0014- 03 Numerical Simulation for Influence of Faults on Mining Stress Distribution ZHAI Xiao- rong，WU Ji- wen，PENG Tao，SHEN Shu- hao Earth ＆ Environment School，Anhui University of Science ＆ Technology，Huainan 232001，China AbstractTaking 8thCoalseam mining of Luling Colliery as example，flac3d was applied to analyzing difference of mining stress distri- bution characteristics between mining from hanging side and heading side of thrust fault. Ｒesults showed that when mining advanced from hanging side，stress concentration occurred within fault zone and concentration degree and range increased with mining ad- vanced. Fault played on stress transmission action. Stress concentrated at heading side. When mining advanced from heading side，stress firstly decreased and then increased at two sides of fault. With mining advanced further，stress transfer to other side，stress concentra- tion degree reduced，fault could not stop stress transmission. Therefore，this could be used to provide basis for mining and roadway lo- cation selection to avoid roadway failure and prolong service time. Key wordsfault dip;stress concentration;coal mining;numerical simulation ［ 收稿日期］ 2013 －06 －18 ［基金项目］ 国家自然科学基金项目 41272278 ;高等学校博士学科点专项科研基金 20123415110002 ［ 作者简介］ 翟晓荣 1986 － ，男，山西阳泉人，在读博士研究生，地质工程专业。 断层是矿井中最常见的地质构造之一，是煤矿 生产过程中必须面对和解决的问题［1 －2 ］。断层带内 主要是由破碎的岩石组成，其工程地质特征较完整 岩石有较大的差异，表现为胶结差，黏聚力低，受 采动影响明显等特点 ［3 ］。在构造复杂的煤矿，相 近水平断层带两侧的巷道常表现出不同的破坏特 点，为此研究断层带两侧应力传递规律有助于分析 巷道变形破坏的原因。 由于断层带的存在，破坏了原岩层的整体性， 两盘表现出不同的采动效应，在应力的传递上也出 现明显差别 ［4 ］。以往对断层带的研究，多数是通 过数值模拟及相似材料模拟试验围绕煤层回采过程 中，由于工作面前段支撑应力的影响，对煤层底板 及断层带的破坏作用及断层活化导水［5 －7 ］。然而在 断层带对应力传递的影响方面研究较少，尤其是考 虑工作面推进方向和断层倾向因素上，断层带对应 力传递的影响。 1矿区概况 芦岭煤矿东以 F32断层为界，西以补 13 线和 6 －7 线为界与朱仙庄煤矿相邻，浅部以 10 煤层露 头为界，深部以 － 800m 等高线为界，走向长约 8. 2km，倾斜宽 3. 6km，勘探面积 29. 5 km2，矿井 设计生产能力为 1. 5Mt/a，设计服务年限 66. 1a。 矿井采取立井石门分水平开拓方式，沿倾斜方向分 3 个水平开采，分别是 －400m， －590m， －800m。 井田属于华北型地层系统，含煤岩系为石炭二 叠系，共发育 11 个煤层组，其中 8 号和 10 号 2 个 煤层为本矿井的主采煤层。 芦岭矿位于华北聚煤区南部淮北煤田之徐宿弧 形推覆构造带的南缘的宿东向斜，矿区的主体构造 格局形成于印支期，燕山运动期，构造应力加大和 41 第 18 卷 第 5 期 总第 114 期 2013 年 10 月 煤矿开采 Coal mining Technology Vol. 18No. 5 Series No. 114 October2013 改造了宿东向斜的变形程度，导致矿井为地质构造 复杂的矿井，井下断裂构造多，巷道变形破坏严 重，为此研究煤层开采情况下断层带两侧应力分布 特征有助于认清应力传递规律，从而为巷道的布设 和维护提供参考依据。因此本文通过数值模拟来分 析断层影响下采煤过程中应力的传递规律。 2模型的建立 2. 1模型设计 本次模拟的地质模型是水平模型，以芦岭 8 煤 开采为例，煤层平均采厚 4m，埋深 800m，采用一 次采全高，顶板采用自由垮落方式管理，工作面宽 度 150m，建立了相应的地质模型。地质模型几何 形状宽 300m，长 400m，高 100m，断层倾角 65，断层带宽度 5m，模型共分成 486000 个网格， 模拟岩层倾角为 0;边界条件设置底部全固定， 四周水平方向限制，顶部自由边界，并施加上覆岩 土荷载。地质模型见图 1。 图 1地质模型 2. 2本构模型和岩体物理力学参数的选取 采用 Mohr － Coulomb 塑性本构模型和 Mohr － Coulomb 屈服准则。根据钻探取芯所测的试件物理 性质得到不同岩体力学参数表 见表 1 。 表 1数值模拟模型力学参数 岩石 名称 重力密度 / kgm －3弹模 /GPa 泊松比 黏聚力 /MPa 抗拉强 度/MPa 内摩擦 角/ 粉砂2560160. 257. 53. 8040 泥岩2650120. 223. 51. 6433 细砂2650130. 2112. 54. 5042 煤142040. 351. 00. 1525 砂质泥岩2650160. 155. 02. 6434 中砂2650140. 237. 13. 5038 粗砂2650150. 228. 53. 3033 铝质 泥岩 2840140. 213. 82. 0033 断层200080. 240. 60. 3022 体积模量、剪切模量可以依据如下公式进行换 算 ［8 －9 ］ K E 3 1 － 2μ ， G E 2 1 μ 式中，K 为体积模量;G 为剪切模量;E 为弹性模 量;μ 为泊松比。 2. 3初始应力和边界条件 本次模拟的原始应力场是通过施加渐变内部应 力，尽量与边界条件平衡，侧向应力 水平应力 不考虑构造应力情况下采用侧压系数来计算［10 ］ σw γH， σh μ 1 － μ γH 式中，σw为垂直应力，MPa;σh为侧向应力 水 平应力 ，MPa;γ 为岩石的重力密度，kg/m3;H 为单元立方体所在深度，m; μ 为岩石的泊松比。 模型上部按至地表岩体的自重施加垂直方向的 荷载，前后左右考虑水平侧向压力。 3数值模拟结果分析 本文通过模拟工作面向前推进条件下，获得岩 体应力云图，重点分析对比断层构造及推进方向 与断层倾向的相对关系对煤层开采后应力重分 布的影响。模型按煤矿实际情况顶板初次来压 30m，周期来压 20m 不断向前推进，本次选取有代 表性的几个推进步距来分析。 3. 1工作面逆断层倾向推进应力特征分析 当逆断层倾向推进的时候 工作面位于断层 上盘 ，随着工作面不断向前推移，断层带两侧的 应力分布出现差异，当向前推进 50m 时 距断层 120m ，断层带两侧应力无明显差异 见图 2a ， 当推进 70m 即距断层 100m时，断层带两侧应 力出现明显差异，表现为在断层带上出现应力集中 现象，对盘应力减小 见图 2b ，且随工作面继续 推进应力集中及影响范围呈增大的趋势，应力集中 于断层带及上盘上，同时对工作面前方断层带两侧 应力变化进行了监测，应力变化见图 3。 图 2工作面逆断层倾向推进垂向应力 从图 3 中可以看出应力在断层上盘靠近断层带 附近造成应力集中而应力未传递到对盘，最大集中 应力 32. 8MPa，应力集中系数 1. 31，对盘应力变 51 翟晓荣等断层对煤层开采应力分布影响的数值模拟分析2013 年第 5 期 图 3断层带两侧垂向应力变化 化很小，基本不受影响。 3. 2工作面顺断层倾向推进应力特征分析 当煤层顶底板岩层组合、埋深、岩性等有关地 质条件完全相同，顺断层倾向推进的时候 工作 面位于断层下盘 ，表现出与逆断层倾向开采不同 的应力传递现象。主要表现在，当推进50m 距断 层 120m在断层带及其两侧出现应力降低的现象 见图 4a ，当推进 70m 即距断层 100m时，应 力降低范围进一步变大 见图 4b ，随着工作面继 续推进至 130m 时断层带上出现应力集中 见图 4c ，当推进至 150m 时，断层带上应力集中减小， 集中应力传递到了对盘，对盘应力有了明显变化 见图 4d 。同样对工作面前方断层带两侧应力变 化做了监测，应力变化见图 5。 图 4工作面顺断层倾向推进垂向应力 从图 5 中可以看出，随着工作面推进断层带上 应力先变小，然后升高，随着继续推进至 150m 时，集中应力通过断层带传递到了对盘，断层带上 应力集中变小，由最大 40. 3MPa 减少为 36. 3MPa， 图 5断层带两侧垂向应力变化 对盘应力有了明显变化，由原来 25. 1MPa 增大为 29MPa，影响范围约为 30m。 4结论和建议 1以芦岭煤矿地质条件为依据，建立工程 地质模型，通过对工作面推进方向和断层倾向之间 的关系，模拟了不同情况下工作面前方断层带及其 两盘的应力变化情况。 2当逆断层倾向推进时，随推进步距增加， 断层带上集中应力也逐渐增大，应力主要集中在断 层带上而对盘基本不受集中应力影响，说明此时断 层带起到了一个阻碍应力向前传递的作用。 3当顺断层倾向推进时，随推进步距增加， 断层带及其两侧应力先出现一个降低的现象，随着 继续推进，断层带上应力不断集中增大，最后集中 应力通过断层带传递到了对盘，断层带上应力集中 减小，集中应力分散于两盘，可见此种情况下，断 层带未能起到阻隔应力传递的作用，对盘应力明显 变大。 4通过数值模拟，得到断层存在下，工作 面应力的变化规律，对于存在断裂构造的矿井，为 了保证巷道的正常工作减小采动应力对巷道的破 坏，建议当工作面推进方向和断层倾向相反时，巷 道优先选择布设于工作面的对盘，以减小集中应力 对巷道的影响。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 吴基文，童宏树，童世杰，等 . 断层带岩体采动效应的相似 材料模拟研究 ［J］ . 岩石力学与工程学报，2007，26 S2 4171 －4175. ［ 2］ 吴基文 . 煤层底板采动效应与阻水性能的岩体结构控制作用 研究 ［D］ . 徐州中国矿业大学，2002. ［ 3］ 吴基文，蔡东红，张文永，等 . 断层带岩体工程地质特征与 断层防水煤 岩柱留设 ［M］ . 北京中国科学技术出版 社，2009. ［ 4］ 唐东旗，侯江涛，李权国，等 . 断裂带岩体采动效应的数值 模拟研究 ［J］ . 煤炭技术，2010，29 12 58 －59. 下转 37 页 61 总第 114 期煤矿开采2013 年第 5 期 体翻转趋势的范围内的推移杆广泛性的产生压溜作 用，对防止输送机翻转发挥了十分重要的作用。 另外，推移千斤顶加双向锁对防止输送机的滑 动、前倾发挥了重要作用。在支架推移杆脱出滑道 不能起到有效压溜作用的情况下，机组与输送机整 体发生前倾，则推移装置的拉力产生阻止输送机翻 转的力矩。对阻止采煤机、输送机整体翻转也发挥 重要作用。 3制定严密的安全技术措施，安全回采。 在重点考虑了防止采煤机、输送机及液压支架向前 倾倒、翻转的基础上，对液压支架侧向稳定性、转 载机的稳定性以及顶板冲积层水的处理等问题均采 取了有效措施;采煤机始终处于向煤壁倾倒的状 态，加剧了导向滑靴的磨损，为此，在试验开始之 前专门制作了 1 副新的加厚导向滑靴。同时，成立 1621 工作面大俯角开采重点管理领导小组，协助 区队解决现场难题，安排专人负责，每班测定煤层 及顶底板倾角的变化，及时调整支架支护状态，保 证工作面始终沿煤层推进;选择有丰富实践经验的 操作工，严格按照作业规程操作。单体液压支柱顶 盖向下压在推移杆或输送机齿条上 爪卡住里侧， 防止滑动 ，底顶在顶梁千斤底座上。 4由于工作面俯角增大，机组重心偏移， 必然加大了机组与输送机相接的滑靴受力，磨损严 重，在回采中更换了一组新的导向滑靴，设备损坏 轻微。 5结论 为保证采煤机、输送机及液压支架在大俯斜角 度开采条件下的安全、稳定运行，必须保证三者之 间具有可靠的连接强度、推移千斤顶具有可靠的限 位装置。必要时采用辅助压溜推移法。 机组的翻转扭矩通过滑靴传至输送机，而输送 机为局部大俯角，整个输送机刚性联接，与支架推 移之间形成了较大的阻翻扭矩，足以控制机组的翻 转。 实践证明，在工作面 32俯角情况下，只要综 采 “三机”配套合适，支架导向框及推移强度高， 并且使用加厚导向滑靴，防止输送机推移过程中起 漂，机组就可以正常运行，也就保证综采工作面的 正常推进。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 张武东，冯振忠 . 大俯角工作面综采存在的问题及解决措施 ［J］ . 矿山机械，2011，29 1 135 －136. ［ 2］ 张英卓，贾增志 . 复合顶板下综采工作面大俯角开采技术实 践 ［J］ . 河北煤炭，2012 2 27 －28. ［ 3］ 宋建江，耿香红，杨桂彬 . 综采工作面大倾角俯采及仰采工 艺的开采实践 ［J］ . 煤炭技术，2008，27 12 42 －44. ［责任编辑邹正立 櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁 ］ 上接 16 页 ［ 5］ 武强，刘金韬，钟亚平，等 . 开滦赵各庄矿断裂滞后突水 数值仿真模拟 ［J］ . 煤炭学报，2002，27 5 511 －516. ［ 6］ 武强，刘金韬，董东林，等 . 煤层底板断裂突水时间弱化 效应机制的仿真模拟研究 ［J］ . 地质学报，2001，75 4 554 －561. ［ 7］ 吴基文 . 工作面推进方向对含断层底板采动效应的影响［J］ . 煤炭科学技术，2009，37 9 119 －121. ［ 8］ 彭文斌 . 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