煤柱尺寸对逆断层上盘煤层巷道围岩稳定性影响研究

柳研青

【摘 要】利用UDEC数值模拟软件，建立5个二维离散元數值模型，模拟不同煤柱条件下，逆断层上盘煤层巷道围岩的塑性破坏特征、围岩的移近量以及围岩垂直应力分布特征，研究断层煤柱尺寸对逆断层上盘巷道围岩稳定性的影响。研究结果表明：断层煤柱尺寸为5m左右时，逆断层上盘巷道底板塑性破坏严重;围岩塑性区范围及变形量随断层煤柱增大而减小，且近断层帮大于远断层帮。

【关键词】逆断层;煤柱尺寸;侧向巷道;围岩稳定性

中图分类号：TD323      文献标识码：A

0 前言

工作面巷道掘进过程破坏了围岩应力场的平衡状态，引起应力重新分布。当巷道侧向有与之平行的断层时，受断层构造应力的影响，围岩应力分布情况复杂，围岩稳定性降低，导致巷道变形甚至诱发安全事故的发生。断层与巷道之间煤柱尺寸不同时，断层对巷道围岩稳定性的影响也有所不同^[1-10]。因此，研究断层煤柱尺寸对巷道上盘围岩稳定性的影响，对巷道冲击危险的监测与治理具有指导性意义。

本文建立UDEC数值模型，模拟不同断层煤柱尺寸条件下逆断层上盘煤层巷道围岩破坏情况，通过分析开挖后，不同情况下的巷道围岩塑性破坏特征、顶底板及两帮的移近量以及围岩垂直应力分布特征，研究断层煤柱尺寸对逆断层上盘巷道围岩稳定性的影响规律。

1 数值模型及数值模拟设计

模型尺寸为长300m×高150m，模拟煤层埋深400m，巷道宽5m×高4m。逆断层落差4m，倾角60°。断层带宽度2m，分别在逆断层上盘距断层带5m、10m、20m、30m、40m处开挖煤层巷道，共进行5次模拟实验。

模型上部施加均布荷载大小为7.075Mpa，侧压系数1.4，底部固定边界。模型采用摩尔-库伦屈服准则，部分岩层岩体物理参数如表1所示。

2 煤柱对逆断层上盘巷道围岩稳定性影响分析

2.1 上盘巷道围岩塑性破坏特征分析

对模拟结果进行数据处理得知，当巷道位于逆断层上盘时，巷道两侧及顶底板塑性破坏范围情况，见表2。

分析表2中的数据，可以发现：巷道顶板受断层煤柱尺寸的影响较小，塑性破坏范围变化不大;当煤柱尺寸为5m时，底板破坏严重，当煤柱尺寸大于10m时，底板破坏范围较小;近断层帮的塑性破坏范围大于远断层帮，差值随煤柱尺寸的增大而减小，当煤柱尺寸增至40m时，远近断层帮的塑性破坏范围基本相同。

由此可以得出，煤柱尺寸为5m左右时，巷道底板破坏较为严重，应当加强巷道底板的安全防护措施，采取有效的卸压手段，保证巷道底板的安全性。远近断层帮的塑性破坏范围具有差异性，差值随煤柱尺寸增加而减小。

2.2 逆断层上盘巷道围岩移近量特征分析

通过位移监测的方法，测得巷道位于逆断层上盘时，不同断层煤柱尺寸条件下围岩的移近量

断层煤柱尺寸在5m～20m之间时，底板底鼓量以及两帮移近量均随断层煤柱尺寸增大而减小，其中底鼓量由336 mm减至198mm，近断层帮移近量由550mm减至90mm，远断层帮移近量由254mm减至152mm;断层煤柱尺寸大于20m后，底鼓量以及两帮移近量随断层煤柱尺寸的增大而变化不大;随着断层煤柱尺寸的增加，逆断层上盘巷道顶板下沉量变化不大，在140mm～160mm之间。

2.3 上盘巷道围岩应力分布特征分析

巷道近断层侧的煤体内部垂直应力分布情况较为复杂，受断层带影响明显，在断层带处有明显的应力降低情况。

远断层侧煤体内部垂直应力分布曲线的趋势大体相同，在远断层侧有应力集中区域，应力集中情况随断层煤柱尺寸的增加而减小。

对比巷道两侧的应力分布情况，可以看出近断层侧煤体的应力值普遍大于远断层侧，但随着煤柱尺寸的增加，两侧应力差值逐渐减少，当断层煤柱尺寸为40m时，巷道两侧20m范围内的应力情况基本一致。

综上所述，在断层带附近应力值变化较大，分布情况较为复杂。因此，在掘进逆断层上盘巷道过程中，若巷道接近逆断层时，应及时采取防护措施，保证巷道围岩的稳定性，确保掘进工作的正常进行。

3 结论

1）煤柱尺寸小至5m左右时，逆断层上盘巷道底板塑性破坏严重，底鼓量较大，应采取有效的防护措施，保证巷道的安全可靠性。

2）巷道位于逆断层上盘条件下，断层煤柱尺寸小于20m时，巷道围岩塑性区范围及变形量随断层煤柱尺寸增大而减小，大于20m后，移近量基本不变。

3）对于逆断层上盘巷道，近断层帮的塑性破坏范围、移近量和应力集中情况，均大于远断层帮，差值随煤柱尺寸的增大而减小。

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（作者单位：兖州煤业股份有限公司 鲍店煤矿）