断层落差影响下的采动应力演化规律数值模拟_常双栋.pdf

1702023 年第 2 期收稿日期 2022-07-26作者简介 常双栋（1993），男，河南永城人，2020 年毕业于安阳师范学院土木工程专业，本科，助理工程师，现从事煤矿安全防控理论与技术方向的工作。常双栋等：断层落差影响下的采动应力演化规律数值模拟常双栋等：断层落差影响下的采动应力演化规律数值模拟断层落差影响下的采动应力演化规律数值模拟常双栋 闫书亚（河南龙宇能源股份有限公司，河南 永城 476600）摘 要 为研究断层落差影响下的采动应力演化情况，构建了断层力学模型，以逆断层为例分析断层附近支承压力分布状态，研究断层面应力状态；利用 FLAC3D数值软件模拟了 2 m、5 m、7 m、10 m 断层落差条件下的采动应力情况，并且每种断层落差下设置 10 m、20 m、30 m、40 m、50 m 煤柱。研究发现：断层落差对应力集中具有明显作用，另外，煤柱尺寸对于应力集中程度也具有不可忽视的影响。关键词 冲击地压；断层；应力集中；煤柱；数值模拟中图分类号 TD323 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.059Numerical Simulation of Evolution Law of Mining Stress Under the Influence of Fault DropChang Shuangdong Yan Shuya(Henan Longyu Energy Co.,Ltd.,Henan Yongcheng 476600)Abstract:In order to study the evolution situation of mining stress under the influence of fault drop,a fault mechanics model is constructed,and the abutment pressure distribution near the fault is analyzed by taking the reverse fault as an example,the stress state of the fault plane is studied,and the mining stress situation under the condition of 2 m,5 m,7 m and 10 m fault drop is simulated by FLAC3D numerical software,and the coal pillars of 10 m,20 m,30 m,40 m and 50 m are set up under each fault drop.It is found that the fault drop has an obvious effect on the stress concentration.In addition,the size of the coal pillar also has an unnegligible effect on the stress concentration.Key words:rock burst;fault;stress concentration;coal pillar;numerical simulation 浅部的煤炭资源开采殆尽，煤炭资源被迫转向深部开采阶段。深部开采条件下，高地应力、高渗透压、高地温以及开采扰动对煤矿开采工作造成极大威胁，因而引发一系列的灾害问题。其中，冲击地压灾害尤为严重1-2。目前，虽然冲击地压的防治手段日趋成熟，但冲击地压仍然时有发生。因此，冲击地压的防治问题仍然是煤矿亟需解决的问题。研究表明：62%的冲击地压灾害多发生于断层、褶曲等地质构造的开采环境中。断层构造条件下容易产生应力集中，所谓的应力集中也是能量集中。冲击地压一定是在能量驱使下发生的。研究断层影响下的采动应力情况对于冲击地压的防治和预防具有重要工程意义。文献 3,4 研究了断层倾角对煤岩冲击失稳机理的影响；文献 5 运用数值模拟手段分析了工作面从下盘向正断层方向推进过程中，工作面前方支承压力与弹性应变能的分布规律；文献 6 运用数值模拟了逆断层开采时，切眼不同布置位置时断层带两侧的应力分布情况；文献 7,8研究了覆岩的运动规律和断层的应力演化特征。上述专家从断层倾角等因素以及断层活化方面开展了大量的研究工作，而对于断层落差对采动应力的影响鲜有研究。据此，以逆断层为例构建了断层力学模型，并分析断层附近支承压力分布状态以及断层面的应力状态；同时，利用 FLAC3D数值模拟软件，研究不同断层落差下工作面向断层推进过程中的采动应力演化情况，分析冲击危险，以期为断层型冲击地压的防治提供参考和依据。1 断层力学模型及分析以逆断层为例分析断层面应力状态。断层面受力示意图如图 1。1712023 年第 2 期常双栋等：断层落差影响下的采动应力演化规律数值模拟常双栋等：断层落差影响下的采动应力演化规律数值模拟 图 1 断层力学模型由弹性力学知识可知，任意二维平面的应力状态可由以下公式来表示：()1313=cos 222+（1）()13=sin 22 （2）式中：为断层面上的正应力与剪应力，MPa；为断层面上的剪应力，MPa；1为最大主应力，MPa；3为最小主应力，MPa；为断层倾角，（）。由莫尔库伦强度理论得到斜面的极限抗剪强度准则为：=c+tan （3）式中：c为黏聚力，MPa；为内摩擦角，（）。将式（1）、式（2）代入式（3）可得断层滑移的判别准则为：()()()13132tan=sin21 cot2 tanc+（4）2 工程条件及数值建模2.1 工程概况杨营煤矿位于山东省境内，南北长 3.96.1 km，东西宽 35 km。主采煤层为 2#煤，煤层顶底板情况为：直接顶为 6.8 m 厚的泥岩，硬度系数 3.2，厚层块状，较为破碎；基本顶为 12 m 厚的砂岩，单轴抗压强度 45 MPa；煤层底板为 5.1 m 厚的砂质泥岩，单轴抗压强度为 25 MPa。杨营煤矿断层应力分布及冲击评价为笔者所在单位承担的项目，并且笔者为该项目的具体执行人。2.2 模型构建根据该矿 2101 工作面地质资料，2101 顺槽掘进及回采期间会揭露断层 29 条，绝大多数断层为逆断层，断层落差为 1.89.5 m。鉴于断层冲击危险系数较大，为对比不同落差断层对工作面推进的影响规律，分别建立了落差 2 m、5 m、7 m、10 m 的断层模型。同时为对比不同断层保护煤柱对工作面推进的影响规律，每种落差下分别建立了 50 m、40 m、30 m、20 m、10 m 断层保护煤柱模型进行模拟分析。3 数值模拟结果及分析3.1 2 m 断层应力演化规律分析图 2 为 2 m 断层下不同煤柱尺寸垂直应力演化规律。由图可知，工作面采动后，在工作面前方形成不同程度的应力集中。同时，受断层影响，断层前后应力波动较大。50 m、40 m、30 m、20 m、10 m 煤柱时工作面前方采动集中应力分别达到 36.83 MPa、38.44 MPa、41.1 MPa、44.04 MPa、47.12 MPa，工作面开采深度达 891 m，上覆岩层平均密度取 2.5 t/m3，原始垂直应力约 22.28 MPa，对应获得不同煤柱采动应力集中系数为 1.65、1.73、1.84、1.98、2.12。五种开采条件下应力集中系数均较大，总体呈现随着煤柱尺寸减小，应力集中程度逐渐增大的规律。图 2 2 m 断层下不同煤柱尺寸垂直应力演化规律结合应力集中程度对冲击等级的划分，50 m、40 m、30 m、20 m 煤柱宽度下工作面具有一般冲击危险性，10 m 煤柱工作面具有中度冲击危险性。工程实际中，要积极采取措施防止断层附近冲击地压的发生。3.2 5 m 断层应力演化规律分析图 3 为 5 m 断层下不同煤柱尺寸垂直应力演化规律。工作面采动后，工作面前方应力演化趋势与2.0 m 落差时基本一致。受断层影响，断层前后应力波动较大，50 m、40 m、30 m、20 m、10 m 煤柱时工作面前方采动集中应力分别达到 36.95 MPa、38.81 MPa、41.27 MPa、44.1 MPa、51.67 MPa，对应采动应力集中系数为 1.66、1.74、1.85、1.98、2.32。50 m、40 m、30 m、20 m 煤柱宽度下工作面具有一般冲击危险性，在 10 m 煤柱下工作面具有中度冲击危险性。3.3 7 m 断层应力演化规律分析图 4 为 7 m 断层下不同煤柱尺寸垂直应力演化规律。50 m、40 m、30 m、20 m、10 m 煤柱时工1722023 年第 2 期作面前方采动集中应力分别达到 37.15 MPa、39.04 MPa、41.4 MPa、44.52 MPa、49.46 MPa，不同煤柱采动应力集中系数为1.67、1.75、1.86、1.998、2.22。在此五种状态下，50 m、40 m、30 m、20 m 煤柱宽度下工作面具有一般冲击危险性，在 10 m 煤柱下工作面具有中度冲击危险性。图 3 5 m 断层下不同煤柱尺寸垂直应力演化规律 图 4 7 m 断层下不同煤柱尺寸垂直应力演化规律3.4 10 m 断层应力演化规律分析图 5 为 10 m 断层下不同煤柱尺寸垂直应力演化规律。由图可知，断层前后应力波动较大，50 m、40 m、30 m、20 m、10 m 煤柱时工作面前方采动集中应力达到 36.26 MPa、37.12 MPa、38.24 MPa、40.23 MPa、29.25 MPa，应力集中系数为 1.63、1.67、1.72、1.81、1.31。随着煤柱的减小，应力集中程度呈现先增大后减小的趋势，20 m 煤柱时为采动影响应力集中峰值位置，10 m 煤柱时工作面避开应力峰值而处于相对应力较低的区域内。在此五种状态下，除 10 m 煤柱下工作面无冲击危险性外，其余煤柱宽度下工作面均具有一般冲击危险性。3.5 不同断层落差应力集中程度对比研究图 6 为不同断层落差下应力集中系数。由图可以看出，在 2 m、5 m、7 m 断层落差时，随着煤柱尺寸减小，应力集中程度逐渐增加，并在 10 m 煤柱时达到最大。50 m、40 m、30 m、20 m 煤柱应力集中程度相差不大，10 m 煤柱时应力集中程度差距较大，5 m 落差时应力集中程度最严重，7 m 落差次之，2 m 落差时最小。10 m 断层落差时，随着煤柱尺寸减小，应力集中程度呈现先增大后减小的趋势，在 20 m 煤柱时达到其应力峰值，10 m 煤柱下的应力集中程度最小。图 5 10 m 断层下不同煤柱尺寸垂直应力演化规律 图 6 不同断层落差应力集中系数4 结论（1）构建了断层力学模型，并且以逆断层为例分析断层附近支承压力分布状态，研究断层面的应力状态。（2）运用 FLAC3D数值模拟软件模拟了不同断层落差下，不同煤柱条件下，工作面分别向断层推进过程中的采动应力演化情况和应力集中情况，分析冲击危险程度。（3）根据 FLAC3D数值模拟结果，断层落差对应力集中具有明显作用，另外，煤柱尺寸对于应力集中程度也具有不可忽视的影响。【参考文献】1 陈光波，滕鹏程，李谭，等.煤矿冲击地压评价模型及其应用 J.太原理工大学学报，2021，52（06）：966-973.2 陈光波，秦忠诚，张国华，等.受载煤岩组合体破坏前能量分布规律 J.岩土力学，2020，41（06）：2021-2033.3 李守国，吕进国，姜耀东，等.逆断层不同倾角对采场冲击地压的诱导分析 J.采矿与安全工程学报，2014，31（06）：869-875.4 贾艳武，付巍.深部逆断层倾角对煤岩冲击失稳（下转第 175 页）1752023 年第 2 期李奇峰：庆阳沙井子矿区地质特征及成煤环境浅析李奇峰：庆阳沙井子矿区地质特征及成煤环境浅析对埋藏更深的