义桥煤矿3305 工作面断层防水煤柱安全评价

2022-12-10 07:48左常清刘亚楠田晓伟
山东煤炭科技 2022年11期
关键词:覆岩应力场煤柱

左常清 刘亚楠 田晓伟

(汶上义桥煤矿有限责任公司,山东 济宁 272100)

1 工程概况

3305 工作面北面为3303 工作面采空区,东面为三采区胶带下山,南面为断层SF21,西面为YF7断层。3305 工作面宽度为155/230 m,走向推进长度平均1120 m。煤层厚度为3.10~5.80 m,煤层倾角为8°~23°。3305 工作面受断层构造应力和采动应力的叠加影响,如果断层发生活化,可能会释放大量能量,造成煤柱破坏,存在诱发断层冲击地压、断层突水等灾害的危险,带来极大的生命及财产威胁[1-4]。研究3305 工作面采动与YF20 断层相互影响下工作面覆岩“三场”的空间演化规律,是保证3305 工作面安全开采的前提。3305 工作面布置图如图1。

图1 3305 工作面布置图

2 数值模型

选定顶底板岩层物理力学参数见表1,断层面物理力学参数见表2,建立如图2 所示的三维FLAC3D数值模型。数值模型长2300 m、宽1400 m、高1240 m,模拟的煤层埋深为460~800 m。3305 工作面开挖范围为160/250 m(倾向宽度)×1150 m(走向长度),每次开挖50 m 直至全部采完。

表1 岩层物理力学参数

表2 断层面物理力学参数

图2 数值模型

3 工作面开采对采空覆岩空间演化特征的影响

3.1 采空覆岩破坏场演化规律

图3 为3305 工作面回采结束后塑性区剖面图,自工作面直接顶至工作面上方327 m 范围内岩层呈现剪切破坏状态,在工作面推进过程中YF20 断层近工作面处发生滑移,滑移区域范围长度超过960 m。在3305 工作面倾向500 m 处,工作面中部塑性区发育至上方约280 m,两侧塑性区发育至92 m,3305 工作面近断层侧上方约97 m 处。在3305 工作面倾向900 m 处,3305 工作面塑性区逐渐向上发育至工作面上方约345 m 处,相对推进500 m 时增加75 m,工作面近断层上方塑性区与断层沟通面积继续增大,拉剪混合破坏区域面积减少。在3305 工作面倾向1100 m 处,拉剪混合破坏区变化小,塑性区逐渐趋于稳定。但是,3305 工作面塑性区与断层沟通区域由900 m 时的83 m 急剧增加到199 m。

图3 3305 工作面采空覆岩破坏场演化特征

3.2 采空覆岩位移场演化规律

图4 为3305 工作面回采结束后位移场剖面图。工作面回采后,受YF20 断层影响,3305 工作面距断层约297 m 处出现大范围位移,最大位移量约为2.5 m。YF20 断层变形量整体较小,近3305 工作面处断层及其上方约702 m 范围内最大剪切位移约为0.36 m,其他部分剪切位移量均在0.36 m 以下。在3305 工作面倾向500 m 处,顶、底板最大位移量分别约为2.4 m、0.6 m。SF21 断层最大剪切位移量约为0.45 m,SF6 断层最大剪切位移量约为0.2 m。在3305 工作面倾向900 m 处,3305 工作面顶板最大位移量约为3.55 m,底板最大位移量约为1.0 m。工作面推进过程中SF21 断层继续发生剪切位移,最大位移量约为0.72 m。在3305 工作面倾向1100 m 处,3305 工作面顶板最大位移量约为3.55 m,逐渐趋于稳定,底板最大位移量约为1.2 m。工作面推进过程中SF21 断层继续发生剪切位移,最大位移量约为0.72 m。受3305 工作面采动影响,工作面走向YF20 断层上盘区域岩层向3305 工作面采空区移动区域明显增大;3305 工作面倾向的SF6 断层上下盘岩层受采动影响较小;3305 工作面倾向的SF21 断层下盘区域岩层明显向采空区移动且明显增大,相比YF20 断层,SF21 断层移动位移较大;SF21 断层上下盘区域岩层移动范围超过500 m。

图4 3305 工作面采空覆岩位移场演化特征

3.3 采空覆岩应力场演化规律

图5 为3305 工作面回采结束后应力场剖面图。工作面回采后,顶底板卸压,工作面两侧应力集中,远断层侧应力集中程度相对较小,最大40 MPa。受断层影响,工作面近断层侧应力集中程度相对较大,主应力最大达85 MPa。YF20 断层应力场受工作面回采影响较大,近工作面处剪切应力集中程度最大3.5 MPa,影响范围405 m。在3305 工作面倾向500 m 处,3305 工作面近断层侧出现明显应力集中,最大应力约为60 MPa。3305 工作面近断层侧应力场与下部岩层应力场沟通。在3305 工作面倾向900 m 处,近断层侧应力最大约为70 MPa,远断层侧最大应力约为60 MPa,工作面近断层及远断层侧应力场继续向下发育。在3305 工作面倾向1100 m 处,3305 工作面近断层侧应力场继续发育。3305工作面在推进过程中对SF21 和SF6 断层应力场影响不明显。受3305 工作面采动影响,YF20 断层近工作面处剪切应力集中程度和影响范围变化较小,而SF21 断层、SF6 断层剪切应力集中现象较小。

图5 3305 工作面采空覆岩应力场演化特征

4 基于“三场”演化规律的YF20 断层防水煤柱安全评价

受3305 工作面采动影响,YF20 断层位于3305工作面侧向影响区域存在剪切滑移现象;3305 工作面塑性区侧向边界随着埋深的增加逐渐与SF21 断层面沟通且范围逐渐增大,SF21 断层区域剪切滑移范围逐渐增大;而SF6 断层未出现剪切滑移现象。3305 工作面走向方向上,3305 工作面采动与YF20断层滑移叠加影响采空覆岩应力场演化规律。对于应力场,当工作面推进至990 m 时,3305 工作面超前应力开始影响YF20 断层,此时3305 工作面与YF20 断层间的距离为120 m。当3305 工作面与YF20 断层间的距离为120 m 时,3305 工作面采动会对YF20 断层活化运动产生显著影响。因此,基于采空覆岩“三场”演化规律,为了确保三采区3305 工作面开采不影响YF20 断层防水煤柱,3305工作面停采线位置应与YF20 断层面间的距离不小于120 m,与现场实际留设YF20 断层保护煤柱宽度125 m 相符合,说明数值模拟结果比较符合工程实践。

5 结论

利用FLAC3D建立三维数值模型,从覆岩破坏场、位移场和应力场三方面来研究3305 工作面开采与断层叠加对采空覆岩空间演化特征的影响。基于采空覆岩“三场”演化规律数值模拟结果,3305工作面停采线位置与YF20 断层面间的距离不小于120 m,与现场实际留设YF20 断层保护煤柱宽度相符合,实现了工作面断层防水煤柱安全评价。

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