斷層對底板動壓巷道應力分布的影響

斷層對底板動壓巷道應力分布的影響摘要：運用FLAC2D有限元數(shù)值模擬的方法，研究和分析斷層對采場礦壓分布規(guī)律的影響。模擬結果表明：斷層帶附近煤巖體破碎、裂隙發(fā)育，在采動影響下斷層處于“活化”狀態(tài)，使處于其影響范圍內(nèi)的底板巖層應力場受撓動，并隨著工作面推進，對底板巷道影響越來越劇烈。本文通過實驗研究，確定了斷層帶的影響范圍，對采動影響下底板巷道的合理布置具有一定的借鑒與指導意義。關鍵詞：數(shù)值模擬；斷層；底板動壓巷道0引言我國煤炭賦存條件十分復雜，其中斷層是影響煤礦開采的重要地質(zhì)因素，斷層破壞了巖層的連續(xù)性和完整性，導致其周圍的應力分布差異性大。對煤巖層進行準確的構造分析，對采區(qū)巷道布置和煤礦開采及采場支護起決定性的作用[1,2]。長期以來，國內(nèi)外不少學者已注意到斷層對采礦的影響，并已進行了卓有成效的研究[3~5]，但由于受觀察條件的限制，對斷層帶及其旁側(cè)的分布特征缺乏系統(tǒng)的認識?，F(xiàn)有的巖層控制和礦壓理論基本上都是建立在均勻連續(xù)介質(zhì)基礎上，沒有考慮巖層中存在的不連續(xù)面，如節(jié)理、裂隙以及斷層的影響；而實際上巖層中存在大量的節(jié)理裂隙和規(guī)模不等的斷層，這些不連續(xù)面的存在,在采動影響下易于發(fā)生“活化”[6]，煤頂板巖層難以控制，尤其是當開采區(qū)域斷層比較發(fā)育時，斷層對礦壓分布規(guī)律的影響十分明顯。這一類構造在煤礦開采過程中影響煤礦開采。因此，研究斷層帶煤巖物理力學性質(zhì)的變化規(guī)律及其礦壓分布規(guī)律，在實際生產(chǎn)方面具有一定的理論與實際意義。1工作面概況某礦首采工作面走向長度561.0米，傾斜長度248.5米，上下順槽巷中平均距離為247.7米，切眼傾斜長約為251米?；仫L順槽煤層底板標高-499.2～-512.8米，運輸順槽煤層底板標高-550.3～-567.7米。底板皮帶機大巷位于13218w工作面下方?？臻g位置關系如圖1所示。圖1.1底板皮帶機大巷、斷層帶與13218w工作面位置關系圖2實驗模型設計和模擬參數(shù)的設定本次模擬計算以某礦地質(zhì)構造為依據(jù)，存在發(fā)育傾角集中于55°～75°之間的正斷層，位于工作面下方均距10m。根據(jù)模擬目的和模型設計的要求，本次實驗采用各向同性彈性材料模型和界面單元，用以模擬均勻介質(zhì)中斷層力學行為和位移特征。需確定模擬區(qū)巖體的容重、內(nèi)摩擦角、內(nèi)凝聚力、體積模量和剪切模量等參數(shù)，設計的斷層模型為平面正斷層，斷層傾角為60°。模型長600m，高160m，建立600×160的網(wǎng)格模型，施加梯形水平應力和垂直荷載。采用斷層弱化的基本思想來構建斷層結構面模型?；玖W參數(shù)如表1：表1煤層、頂?shù)装鍘r層及斷層結構面巖石力學參數(shù)取值表巖性密度kg/m3體積模量/MPa剪切模量/MPa彈性模量/MPa內(nèi)聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)泥巖25303105502152.539煤13001334001003.438細砂巖2650310054009107.540砂質(zhì)泥巖24504608506005.534砂巖26903700540013008.736斷層帶16703.15.5201.543計算模型邊界條件設定如下：①模型施加水平方向約束，保證邊界點只發(fā)生垂向位移。②固定底部邊界，保證底部邊界節(jié)點不發(fā)生水平和豎向位移。③模型載荷條件：σy=γ*H=12.275MPa，作用與上部邊界。3計算模擬結果與分析討論根據(jù)模擬的目的和模型設計的要求，本次模擬計算的結果著重分析斷層的影響范圍及斷層帶旁側(cè)應力分布規(guī)律。在模型中，由于斷層的存在，初始應力場明顯地產(chǎn)生撓動，在斷層破壞帶內(nèi)應力表現(xiàn)為低壓力區(qū)，其旁側(cè)存在附加高應力集中區(qū)，如圖1.2原巖應力平衡云圖。在回采過程中將直接影響煤層頂、底板巖層的變形破壞規(guī)律和礦壓分布,對煤層頂、底板的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。采動影響下，斷層帶及其旁側(cè)發(fā)育著因脫空而產(chǎn)生的薄弱帶，在扭應力的作用下，破裂面、與部分裂隙會發(fā)生扭張而轉(zhuǎn)化為張扭性裂隙，從而導致在距斷層一定距離處煤巖體變形，對開采礦壓分布和頂?shù)装宸€(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響。計算結果表明：在采動過程中，工作面位于斷層前方40米左右，前方煤巖體支承壓力明顯變化，隨著工作面的推進，與斷層距離減小，圖1.2原巖平衡云圖圖1.3位于斷層面前40m圖1.4位于斷層面正上方圖1.5位于斷層面后25m直至位于斷層面的正上方，煤巖體的支承壓力隨著距離減小而增大。如圖1.3、1.4、1.5所示，斷層帶及其旁側(cè)煤巖體應力場明顯產(chǎn)生撓動，應力分布發(fā)生變化?；夭晒ぷ髅婷罕谂c斷層之間的煤巖體中部產(chǎn)生壓力峰值。當工作面位于斷層帶正上方時，壓力沿著斷層面向下方傳遞，在斷層面旁側(cè)出現(xiàn)一個高應力區(qū)。工作面煤壁位于斷層面后25m時，上覆巖層處于卸壓過程，只在煤層壁兩端出現(xiàn)應力集中。隨著工作面的推進，斷層帶及其旁側(cè)的應力集中區(qū)域發(fā)生顯著變化。直至工作面推進跨過斷層帶后，斷層帶前后應力集中區(qū)域慢慢趨于平衡。由此可看出，由于斷層的存在，導致穿過斷層的塑性區(qū)云圖遭到了阻隔，傳遞壓力的能力減弱，推知斷層對巷道塑性區(qū)的擴展、位移和應力的傳遞都有一定程度的阻隔作用，容易造成在斷層附近應力集中，從而造成冒頂?shù)仁鹿省?結論⑴由于斷層使介質(zhì)不連續(xù)導致初始應力場的撓動,局部產(chǎn)生附加應力,在回采過程中將直接影響煤層頂、底板巖層的變形破壞規(guī)律和礦壓分布,對煤層頂、底板的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。斷層帶對其旁側(cè)煤巖體影響區(qū)域為10～40m。⑵由于斷層的存在，在采動影響下，隨著距斷層面距離的減小，煤層及其頂板巖體破壞程度隨之增加，工作面前方煤(巖)體中支承壓力均明顯增大，支承壓力峰值位置向前方煤巖體中轉(zhuǎn)移，在工作面煤壁的兩側(cè)和斷層帶的前后出現(xiàn)超前應力集中區(qū)。隨著工作面的推進，應力集中區(qū)域在斷層帶前后發(fā)生變化，由此可看出，隨著與斷層帶距離的增加，受其影響的程度減小。⑶當回采工作面推進方向煤壁接近斷層時，受斷層帶影響加劇，煤(巖)體在支承壓力作用下產(chǎn)生裂隙，強度降低，從而使傳遞壓力的能力減弱，支承壓力峰值位置向前方煤巖體中轉(zhuǎn)移。通過以上分析研究，為采動條件下，受斷層影響的底板巷道支護方案的選擇提供了理論上依據(jù)。參考文獻：[1]堯軍,孫光中.過斷層巷道頂板應力分布規(guī)律的數(shù)值模擬研究.礦業(yè)快報,2007,14～16.[2]孟召平,彭蘇萍,黎洪.正斷層附近煤的物理力學性質(zhì)變化及其對礦壓分布的影響[J].煤炭學報,2001,26(6):561～566.[3]于廣明,謝和平等.采動斷層活化分形界面效應的數(shù)值模擬研究[J].煤炭學報,1998,23(4):42～46.[4]曹代勇,吳李泉.斷層應力封閉性的FLAC模擬研究.煤田地質(zhì)與勘探,2005,33(1):1～3[5]歐陽秀蘭,占文峰.斷層模擬中FLAC模擬方法的對比研究[J].北京工業(yè)職業(yè)技術學院學報，2006,10(4):77～79.[6]呂志發(fā),孟召平.正斷層附近煤層的空隙裂隙特征及其研究意義[J].煤田地質(zhì)與勘探,1989,17(3):29～33.Influenceoffaultsonthestressdistributionofthefloorroadwayunderlocomotive(AnhuiUniversityofMiningandTechnology,Huainan232001,China)Abstract:ThispaperanalyzedandstudiedtheinfluenceoffaultsonthestressdistributionofcoalminesbyFLAC2Dfiniteelementnumericalsimulation.Thetestindicated:surroundingrockaroundthebeltoffaultsproducedmanyhorizontalcrannies,.Thefaultactivationisinducedduringcoalmining,reducedthestressoffloorroadwayinthefaultsinfluencedboundproduceddeformation.Theinfluenceisintensifiedwithreductionofdistancebetweenthecoalminingworkandthefaults.Accordingtoresearch,weco