井下地質構造受采動影響下的力學響應分析

范慧琪

(山西潞安集團 潞寧孟家窯煤業有限公司， 山西 忻州 036700)

0 引言

煤礦井下地質構造復雜，其中斷層是礦產開采過程中常見的一種地質構造。斷層破壞巖層的完整性和連續性，被視為影響礦產安全開采的重要因素之一[1-2]。在含有斷層的井下條件中，采掘可能造成沖擊地壓、礦井突水、地表臺階式下沉等災害[3]。文獻[4]利用聲發射監測與采場應力監測系統，研究了義馬礦由于開采造成斷層活化前后的采場頂底板礦壓顯現規律。文獻[5]利用數值模擬，研究了斷層傾角、煤柱留設寬度對斷層滑移的影響。本文簡述了斷層力學模型，并利用離散元軟件模擬了井下斷層地質受工作面推采的影響。

1 斷層力學模型

以斷層走向所在面為剖面，取位于斷層上盤且與斷層下盤接觸的微三角形單元為研究對象，建立如圖1所示的力學模型。

對所選單元進行受力分析，有[6]：

(1)

圖1 斷層滑移力學模型

式中：Fx為單元沿x方向合力；Fy為單元沿y方向合力；ds為單元體與斷層下盤的接觸面積；φ為斷層面巖體的內摩擦角，°；c為斷層面內聚力，MPa，由于通常斷層面巖體破碎，取c=0。

由于斷層上下盤的限制，所選單元體只能沿斷層面滑動，則有[7]：

(2)

從式(1)、式(2)看出，當Fx>0時，單元體有向上移動的趨勢；當Fx<0時，單元體有向下移動的趨勢。因ds非負，故斷層滑移主要受斷層傾角、斷內摩擦角及內聚力影響。當斷層物理力學參數已知時，則其所受豎直、水平應力影響。

2 斷層構造數值模擬實例分析

2.1 斷層面數值模型

以潞安某礦所處的斷層構造為背景，建立離散元模型，模型使用摩爾庫倫本構。模型的長×高=300 m×140 m，開采的煤層厚4 m，巷道位于煤層中。斷層傾角60 °，落差5 m，斷層帶寬度4 m，建立的數值模擬模型見圖2。模型中巖層物理力學參數見表1。

圖2 數值模型

巷道左側與斷層之間留25 m煤柱，工作面從距巷道右幫105 m處向右推進，第一階段推進70 m，第二階段分3次共推進30 m，第三階段推進5 m。

模擬中從斷層在基巖露頭開始，沿斷層面每隔20 m高度方向上不止一個測點。令測點至斷層露頭豎直距離為L，L取值為0、20、40、60、80、100、120

表1 模擬中采用的材料物理力學參數

m。在巷道頂底板及兩幫中點處布置測點。

2.2 斷層面應力特征分析

根據監測所得斷層面水平與豎直應力，可得斷層面正應力和切應力，如表2所示。

表2 斷層面水平應力與豎直應力數值表

圖3是根據表2計算得到的斷層面正應力、切應力值隨測點至斷層露頭的豎直距離的變化趨勢圖。由圖3看出，正應力和切應力均呈線性，但正應力的變化趨勢比切應力的變化趨勢明顯。這是因為斷層面上的正應力與切應力主要取決于巖體彈性模量，而斷層帶巖體彈性模量相差較小。

圖3 斷層面應力與至斷層露頭垂直距離的關系

2.3 斷層面滑移結果分析

將監測數據代入式(1)、式(2)，可計算出各監測點上沿斷層面方向的合力Fx如表3所示。

表3 各測點值

從表3看出，工作面推進結束后，至斷層露頭豎直距離小的測點處巖體有向下滑動趨勢，豎直距離較大處的斷層面巖體有向上滑動趨勢。這是因為工作面在斷層上盤，上盤巖體有向采空區偏移的趨勢，同時斷層下盤巖體對斷層面巖體產生反力而導致斷層面上部巖體受拉，下部巖體受壓。

3 結論

本文簡述了礦井下斷層構造的力學模型，分析了其力學響應機制；利用離散元軟件模擬了井下斷層構造在采動影響下的力學響應，得出結論：

1) 斷層面上正應力和切應力基本呈線性增長，且正應力增率明顯。

2) 工作面推采完畢后，至斷層露頭豎直距離小的測點處巖體有向下滑動趨勢，豎直距離較大處的斷層面巖體有向上滑動趨勢。