關于鄰近斷層孤島工作面開采沖擊類型及其時空特征分布的研究
作者：張毅
本文以濟寧二號煤礦八里鋪斷層與
斷層之間孤島塊段鄰近斷層開采為背景，通過FLAC3D數值模擬軟件建立了相應的分析模型，
分別在斷層、煤柱和關鍵層等部位設置多處監(jiān)測點，監(jiān)測各點在開采過程中的應力、位移、速率、加速度和體變率等變化規(guī)律，根據計算結果結合3g加速度臨界判據等概念，獲得了鄰近斷層孤島工作面開采過程中可能產生的沖擊模式及其時空分布規(guī)律。
1 工作面概況
八里鋪斷層以東3下煤層孤島塊段北起F24斷層，東南與13下01、13下02、13下03、13 下 04工作面采空區(qū)和斷層相毗鄰，西至八里鋪斷層煤柱線。礦井內構造發(fā)育，主要斷裂構造呈近南北向分布，除邊界斷層（濟寧斷層和孫氏店斷層）外，八里鋪斷層為本井田內部規(guī)模最大的斷層，八里鋪斷層呈NNW走向，位于井田的中部。該斷層延展長，貫穿井田南北，落差大且變化大，斷層落差由50 m變化到270 m，該斷層對礦井開拓、開采影響極大。該塊段3下煤層厚3. 40～5.51 m，平均煤層厚度為4. 45 m。工作面頂板為厚而堅硬的砂巖，平均厚度約18.3 m，頂板砂巖的普氏硬度系數為10～13。當工作面接近斷層帶時，頂板沿斷層面發(fā)生破斷、下沉非常劇烈，這是工作面接近斷層時容易產生沖擊地壓的主要原因。
2模型概況
根據礦井采掘工程平面圖和剖面圖建立三維數值模型，模型東西、南北走向均2500 m，深度由地表至地表以下900 m。模型四周限制水平方向移動，模型底面限制垂直方向移動，共有198647個單元。
在模擬開采過程中．對斷層、煤柱和關鍵層的應力、位移、速率、加速度及體變率等變化進行監(jiān)測記錄，以便根據計算結果分析可能發(fā)生何種形式的沖擊及其發(fā)生的時間和位置。監(jiān)測點布置如圖1所示。
采用濟寧二號煤礦八里鋪斷層以西11-5鉆孔資料，根據現場地質調查、煤巖力學試驗研究結果和相關資料對比，巖體力學參數見表1，表中巖石名稱從上往下反映了該區(qū)域巖性層狀分布。
在模擬開采過程中，對斷層、煤柱和關鍵層的應力、位移、速率、加速度及體變率等的變化進行監(jiān)測記錄，以便根據計算結果分析可能發(fā)生何種形式沖擊及其發(fā)生時間和位置。
頂板型沖擊地壓是由于煤層頂板厚巖層突然破斷引發(fā)的，而斷層帶附近的沖擊地壓主要是由于頂板發(fā)生破斷而形成的。斷層破壞了頂板的連續(xù)性，加速了頂板的下沉速率，從而導致頂板型沖擊地 壓。當工作面推進至某處，頂板下沉速率出現峰值的位置即為破斷位置，監(jiān)測工作面推進過程中頂板的下沉速率，即可得到開采過程中頂板發(fā)生破斷的時空關系；根據頂板每次的破斷長度和峰值速率可以對各次的頂板破斷產生的沖擊能量級別進行橫向對比，結合上述頂板破斷的時空關系，進而可得出頂板發(fā)生沖擊的強度與工作面開采進度之間的關系，從而明確頂板型沖擊的時間、空間和強度分布規(guī)律。
根據數值模擬監(jiān)測結果，各監(jiān)測點在工作面推進過程中的頂板垂直位移速率峰值分布曲線如圖2所示。
從圖2可以看出，在工作面推進的過程中，頂板各點的垂直位移速率峰值不斷發(fā)生波動變化，分別在工作面推進到10 m、30 m、70 m、190 m、270 m、360 m、410 m、470 m和500 m處，速率峰值出現最大值拐點，最大值達到1. 29 m/s，這說明開采到這些位置時頂板更容易發(fā)生破斷，由此可推測出頂板破斷的時間。
但是，單方面分析頂板各點最大速率的分布是不夠的，必須找到頂板某點的垂直速率峰值出現時間與采煤工作面的推進進度的關系，即要找出頂板某點的位置與該點出現速率峰值時采煤工作面的位置之間的距離，這樣才能更深入地了解：
(1)頂板某點何時破斷，即開采作業(yè)面推進至何處時發(fā)生破斷；
(2)破斷時與作業(yè)面的距離有多遠，是否能夠對作業(yè)面產生沖擊威脅；
(3)通過分析頂板各點垂直位移速率峰值出現的時間，可以判斷在某一步開采時，作業(yè)面后方有哪些點同步出現速率峰值，那么這些點所在的頂板就會同步破斷，這樣就可以計算出頂板在某一步開采時破斷的長度，進而通過破斷長度和破斷點與作業(yè)面的距離綜合判斷沖擊危險性。
工作面推進過程中，頂板的破斷能否造成沖擊災害和兩個因素有關：一是頂板破斷處距離采煤工作面的距離，二是破斷頂板的總長度。頂板破斷處距離采煤工作面越近，頂板破斷的距離越長，越容易造成沖擊地壓�；谝陨纤悸罚�“開采進度——頂板破斷范圍”進度表的形式來描述孤島工作面開采過程中頂板的破斷過程，限于文章篇幅，不作詳述。工作面向前推進過程中，頂板發(fā)生破斷與工作面進度之間的時間和空間關系如圖3。工作面推進至A處時，工作面后方頂板的垂直位移峰值速率為Vmax，頂板破斷處與采煤面之間的距離L，頂板每次破斷的長度L1。
通過綜合分析頂板垂直位移速率的模擬監(jiān)測結果，可以得出頂板破斷的時間和長度以及破斷處距離采煤面的距離，見表2。
頂板發(fā)生破斷時，其內部所積聚的能量瞬間釋放，轉化為破斷頂板的動能，在頂板垮落撞擊底板的瞬間，動能立刻轉化為沖擊能，從而對工作面造成沖擊災害。頂板破斷發(fā)生沖擊地壓所需的能量可由破斷頂板瞬間產生的動能來衡量。根據頂板峰值速率Vmax、頂板破斷的長度L1就可以計算出破斷頂板的瞬間釋放的動能，從而得到衡量沖擊大小的能量指標U d：
根據此公式，計算出每次頂板破斷時產生的動能，如圖4所示。
從圖4顯示，當工作面推進至50 m、370 m和480 m處時，工作面后方頂板發(fā)生破斷處距采煤面的距離較近，分別為20 m、20 m和10 m，而且產生的沖擊能量較大，其動能均達到了6．0×107J以上，尤其是開采至50 m時，由于老頂初次來壓，加上初次老頂破斷長度較大，致使其頂板破斷后動能達到9.0×107J。采礦誘發(fā)的沖擊地壓，釋放出來的能量一般在10-5～109J。所以此時頂板破斷產生的沖擊能量容易形成較大的頂板型沖擊地壓。
4 煤柱型沖擊地壓分析
根據王金安等在鄰近斷層開采動力危險區(qū)劃分研究中提出的加速度3g臨界判據的概念，位于鄰近斷層區(qū)域的關鍵點，在加速度3g（3倍的重力加速度）左右的情況下，可產生明顯的沖擊地壓，因而可取3g作為數值計算中動力區(qū)劃的判據，即3g以上為沖擊地壓明顯區(qū)域，3g以下為沖擊地壓非明顯區(qū)域。為了分析斷層保護煤柱的沖擊危險性，在孤島工作面兩側的保護煤柱中布置多個監(jiān)測點m1～m19（見圖1），監(jiān)測在開采過程中各點的水平速率、加速度和體變率的變化，監(jiān)測結果如表3所示。
由表3可以看出，監(jiān)測點m19水平加速度超過了3g，監(jiān)測點m17和m18的水平加速度均遠遠超過了3g，最大水平加速度達到了20g以上，表明在監(jiān)測點m17、m18和m19附近屬于沖擊地壓明顯區(qū)域。
通過m17、m18和m19監(jiān)測點的加速度變化可以分析出該區(qū)域煤柱在回采至何處時沖擊危險性較大，當工作面回采至10～60 m范圍內時，斷層保護煤柱m18監(jiān)測點活動較為劇烈；同樣可知當工作面回采前20 m時，m19監(jiān)測點活動較為劇烈，但是m19監(jiān)測點所在的區(qū)域為開切眼以外的區(qū)域，加上加速度值較小，故對開采影響很�。划敼ぷ髅婊夭芍�80～130 m范圍時，斷層保護煤柱m17監(jiān)測點活動較為劇烈。綜合以上分析，當工作面回采至10～130 m區(qū)域時，斷層保護煤柱較為狹窄的100 m范圍內活動較為劇烈，該區(qū)域位于回采工作面推進的前150 m范圍內，屬于發(fā)生煤柱沖擊地壓的明顯區(qū)域。m18保護煤柱監(jiān)測點x方向加速度監(jiān)測曲線見圖5。
5 斷層型沖擊地壓分析
斷層監(jiān)測點最大水平和垂直加速度統(tǒng)計見表4，根據3g動力區(qū)劃判據，八里鋪斷層各監(jiān)測點的加速度均遠小于3g，故在整個開采過程中八里鋪斷層較穩(wěn)定，屬于沖擊地壓非明顯區(qū)域；而斷層在d15至d18監(jiān)測點區(qū)域加速度均超過3g，監(jiān)測點d16的水平加速度最大達到了9g，監(jiān)測點d17水平加速度最大達到了12g，監(jiān)測點d18的水平加速度也達到了3g，表明在監(jiān)測點d15至d18附近屬于沖擊地壓明顯區(qū)域，發(fā)生斷層型沖擊地壓的危險性較大。
圖6為斷層監(jiān)測點d16、d18的z方向加速度在推進過程中的變化曲線。可以看出當工作面回采至20～30 m、40～50 m、60～70 m和100～110m時，d16監(jiān)測點附近區(qū)域斷層活動較為劇烈，工作面回采至20～30 m和60～70 m時，d18監(jiān)測點附近區(qū)域斷層活動較為劇烈。
監(jiān)測結果表明，當工作面回采至上述階段時，對斷層的擾動較大，更容易引起斷層滑移，導致發(fā)生沖擊地壓的危險性較大。尤其是在工作面回采至20~30 m時，d16、d17和d18監(jiān)測點附近區(qū)域斷層的活動均比較劇烈，說明此時對斷層的擾動最大。因此，在上述回采階段，要適當減慢推進速度，盡可能地降低對斷層的擾動，避免斷層錯動失穩(wěn)造成沖擊地壓。
根據以上分析．在不同的開采階段，對應著不同的沖擊類型及危險區(qū)域，具體結果見表5。
6 結論
針對濟寧二號煤礦鄰近斷層孤島工作面開采，通過數值模擬分析和理論分析，獲得采動過程中易發(fā)生的頂板型沖擊、煤柱型沖擊和斷層型沖擊各自對應的沖擊危險區(qū)域及其相應的開采時段：
(1)當工作面推進至50 m、370 m和480 m處時采煤作業(yè)面附近易發(fā)生頂板沖擊災害。
(2)當工作面回采至10～130 m，230～310 m區(qū)域時，斷層保護煤柱處易發(fā)生沖擊。
(3)當工作面推進至10～100 m，150 m.180 m區(qū)域時，對斷層擾動劇烈，易發(fā)生斷層沖擊。
7摘 要 采用理論分析和三維有限差分數值模擬等手段，結合3g臨界加速度判據，對濟寧二號井八里鋪斷層以東、F56斷層以西孤島工作面開采過程中頂板、煤柱和斷層的活動規(guī)律進行分析。研究結果表明在工作面推進至約50 m、370 m及480 m時易發(fā)生頂板型沖
擊；工作面推進至10~130 m階段斷層保護煤柱前方和推進至230～310 m階段采煤面前方煤巖易發(fā)生煤柱沖擊；在工作面推進至10～100 m、150 m及180 m區(qū)域時，斷層
附近易發(fā)生斷層沖擊。
