孔灵锐1 向 鹏1 张颍辉2 张月征1
（1．北京科技大学土木与环境工程学院，北京市海淀区，100083；
2．北京住总集团，北京市朝阳区．100022）
摘 要 采用理论分析和三维有限差分数值模拟等手段，结合3g临界加速度判据，对济宁二号井八里铺断层以东、F56断层以西孤岛工作面开采过程中顶板、煤柱和断层的活动规律进行分析。研究结果表明在工作面推进至约50 m、370 m及480 m时易发生顶板型冲
击；工作面推进至10~130 m阶段
断层保护煤柱前方和推进至230～310 m阶段采煤面前方煤岩易发生煤柱冲击；在工作面推进至10～100 m、150 m及180 m区域时，断层附近易发生断层冲击。
关键词 近断层开采孤岛工作面 冲击地压 数值模拟 冲击类型 时空特征
中图分类号 TD324
断层附近动力灾害的产生，一方面与区域地质条件有关，另一方面还与开采扰动强度有关。在邻近断层开采过程中，由于断层附近岩体属性的复杂性和不连续性，开采扰动会对断层、顶板乃至断层保护煤柱的稳定性造成很大影响，可能诱发3种类型冲击地压即构造型冲击地压、顶板型冲击地压和煤柱型冲击地压。本文以济宁二号煤矿八里铺断层与断层之间孤岛块段邻近断层开采为背景，通过FLAC3D数值模拟软件建立了相应的分析模型，
分别在断层、煤柱和关键层等部位设置多处监测点，监测各点在开采过程中的应力、位移、速率、加速度和体变率等变化规律，根据计算结果结合3g加速度临界判据等概念，获得了邻近断层孤岛工作面开采过程中可能产生的冲击模式及其时空分布规律。
1 工作面概况
八里铺断层以东3下煤层孤岛块段北起F24断层，东南与13下01、13下02、13下03、13 下 04工作面采空区和断层相毗邻，西至八里铺断层煤柱线。矿井内构造发育，主要断裂构造呈近南北向分布，除边界断层（济宁断层和孙氏店断层）外，八里铺断层为本井田内部规模最大的断层，八里铺断层呈NNW走向，位于井田的中部。该断层延展长，贯穿井田南北，落差大且变化大，断层落差由50 m变化到270 m，该断层对矿井开拓、开采影响极大。该块段3下煤层厚3. 40～5.51 m，平均煤层厚度为4. 45 m。工作面顶板为厚而坚硬的砂岩，平均厚度约18.3 m，顶板砂岩的普氏硬度系数为10～13。当工作面接近断层带时，顶板沿断层面发生破断、下沉非常剧烈，这是工作面接近断层时容易产生冲击地压的主要原因。
2模型概况
根据矿井采掘工程平面图和剖面图建立三维数值模型，模型东西、南北走向均2500 m，深度由地表至地表以下900 m。模型四周限制水平方向移动，模型底面限制垂直方向移动，共有198647个单元。
在模拟开采过程中．对断层、煤柱和关键层的应力、位移、速率、加速度及体变率等变化进行监测记录，以便根据计算结果分析可能发生何种形式的冲击及其发生的时间和位置。监测点布置如图1所示。
采用济宁二号煤矿八里铺断层以西11-5钻孔资料，根据现场地质调查、煤岩力学试验研究结果和相关资料对比，岩体力学参数见表1，表中岩石名称从上往下反映了该区域岩性层状分布。
在模拟开采过程中，对断层、煤柱和关键层的应力、位移、速率、加速度及体变率等的变化进行监测记录，以便根据计算结果分析可能发生何种形式冲击及其发生时间和位置。
顶板型冲击地压是由于煤层顶板厚岩层突然破断引发的，而断层带附近的冲击地压主要是由于顶板发生破断而形成的。断层破坏了顶板的连续性，加速了顶板的下沉速率，从而导致顶板型冲击地 压。当工作面推进至某处，顶板下沉速率出现峰值的位置即为破断位置，监测工作面推进过程中顶板的下沉速率，即可得到开采过程中顶板发生破断的时空关系；根据顶板每次的破断长度和峰值速率可以对各次的顶板破断产生的冲击能量级别进行横向对比，结合上述顶板破断的时空关系，进而可得出顶板发生冲击的强度与工作面开采进度之间的关系，从而明确顶板型冲击的时间、空间和强度分布规律。
根据数值模拟监测结果，各监测点在工作面推进过程中的顶板垂直位移速率峰值分布曲线如图2所示。
从图2可以看出，在工作面推进的过程中，顶板各点的垂直位移速率峰值不断发生波动变化，分别在工作面推进到10 m、30 m、70 m、190 m、270 m、360 m、410 m、470 m和500 m处，速率峰值出现最大值拐点，最大值达到1. 29 m/s，这说明开采到这些位置时顶板更容易发生破断，由此可推测出顶板破断的时间。
但是，单方面分析顶板各点最大速率的分布是不够的，必须找到顶板某点的垂直速率峰值出现时间与采煤工作面的推进进度的关系，即要找出顶板某点的位置与该点出现速率峰值时采煤工作面的位置之间的距离，这样才能更深入地了解：
(1)顶板某点何时破断，即开采作业面推进至何处时发生破断；
(2)破断时与作业面的距离有多远，是否能够对作业面产生冲击威胁；
(3)通过分析顶板各点垂直位移速率峰值出现的时间，可以判断在某一步开采时，作业面后方有哪些点同步出现速率峰值，那么这些点所在的顶板就会同步破断，这样就可以计算出顶板在某一步开采时破断的长度，进而通过破断长度和破断点与作业面的距离综合判断冲击危险性。
工作面推进过程中，顶板的破断能否造成冲击灾害和两个因素有关：一是顶板破断处距离采煤工作面的距离，二是破断顶板的总长度。顶板破断处距离采煤工作面越近，顶板破断的距离越长，越容易造成冲击地压。基于以上思路，以“开采进度——顶板破断范围”进度表的形式来描述孤岛工作面开采过程中顶板的破断过程，限于文章篇幅，不作详述。工作面向前推进过程中，顶板发生破断与工作面进度之间的时间和空间关系如图3。工作面推进至A处时，工作面后方顶板的垂直位移峰值速率为Vmax，顶板破断处与采煤面之间的距离L，顶板每次破断的长度L1。
通过综合分析顶板垂直位移速率的模拟监测结果，可以得出顶板破断的时间和长度以及破断处距离采煤面的距离，见表2。
顶板发生破断时，其内部所积聚的能量瞬间释放，转化为破断顶板的动能，在顶板垮落撞击底板的瞬间，动能立刻转化为冲击能，从而对工作面造成冲击灾害。顶板破断发生冲击地压所需的能量可由破断顶板瞬间产生的动能来衡量。根据顶板峰值速率Vmax、顶板破断的长度L1就可以计算出破断顶板的瞬间释放的动能，从而得到衡量冲击大小的能量指标U d：
根据此公式，计算出每次顶板破断时产生的动能，如图4所示。
从图4显示，当工作面推进至50 m、370 m和480 m处时，工作面后方顶板发生破断处距采煤面的距离较近，分别为20 m、20 m和10 m，而且产生的冲击能量较大，其动能均达到了6．0×107J以上，尤其是开采至50 m时，由于老顶初次来压，加上初次老顶破断长度较大，致使其顶板破断后动能达到9.0×107J。采矿诱发的冲击地压，释放出来的能量一般在10-5～109J。所以此时顶板破断产生的冲击能量容易形成较大的顶板型冲击地压。
4 煤柱型冲击地压分析
根据王金安等在邻近断层开采动力危险区划分研究中提出的加速度3g临界判据的概念，位于邻近断层区域的关键点，在加速度3g（3倍的重力加速度）左右的情况下，可产生明显的冲击地压，因而可取3g作为数值计算中动力区划的判据，即3g以上为冲击地压明显区域，3g以下为冲击地压非明显区域。为了分析断层保护煤柱的冲击危险性，在孤岛工作面两侧的保护煤柱中布置多个监测点m1～m19（见图1），监测在开采过程中各点的水平速率、加速度和体变率的变化，监测结果如表3所示。
由表3可以看出，监测点m19水平加速度超过了3g，监测点m17和m18的水平加速度均远远超过了3g，最大水平加速度达到了20g以上，表明在监测点m17、m18和m19附近属于冲击地压明显区域。
通过m17、m18和m19监测点的加速度变化可以分析出该区域煤柱在回采至何处时冲击危险性较大，当工作面回采至10～60 m范围内时，断层保护煤柱m18监测点活动较为剧烈；同样可知当工作面回采前20 m时，m19监测点活动较为剧烈，但是m19监测点所在的区域为开切眼以外的区域，加上加速度值较小，故对开采影响很小；当工作面回采至80～130 m范围时，断层保护煤柱m17监测点活动较为剧烈。综合以上分析，当工作面回采至10～130 m区域时，断层保护煤柱较为狭窄的100 m范围内活动较为剧烈，该区域位于回采工作面推进的前150 m范围内，属于发生煤柱冲击地压的明显区域。m18保护煤柱监测点x方向加速度监测曲线见图5。
5 断层型冲击地压分析
断层监测点最大水平和垂直加速度统计见表4，根据3g动力区划判据，八里铺断层各监测点的加速度均远小于3g，故在整个开采过程中八里铺断层较稳定，属于冲击地压非明显区域；而断层在d15至d18监测点区域加速度均超过3g，监测点d16的水平加速度最大达到了9g，监测点d17水平加速度最大达到了12g，监测点d18的水平加速度也达到了3g，表明在监测点d15至d18附近属于冲击地压明显区域，发生断层型冲击地压的危险性较大。
图6为断层监测点d16、d18的z方向加速度在推进过程中的变化曲线。可以看出当工作面回采至20～30 m、40～50 m、60～70 m和100～110m时，d16监测点附近区域断层活动较为剧烈，工作面回采至20～30 m和60～70 m时，d18监测点附近区域断层活动较为剧烈。
监测结果表明，当工作面回采至上述阶段时，对断层的扰动较大，更容易引起断层滑移，导致发生冲击地压的危险性较大。尤其是在工作面回采至20~30 m时，d16、d17和d18监测点附近区域断层的活动均比较剧烈，说明此时对断层的扰动最大。因此，在上述回采阶段，要适当减慢推进速度，尽可能地降低对断层的扰动，避免断层错动失稳造成冲击地压。
根据以上分析．在不同的开采阶段，对应着不同的冲击类型及危险区域，具体结果见表5。
6 结论
针对济宁二号煤矿邻近断层孤岛工作面开采，通过数值模拟分析和理论分析，获得采动过程中易发生的顶板型冲击、煤柱型冲击和断层型冲击各自对应的冲击危险区域及其相应的开采时段：
(1)当工作面推进至50 m、370 m和480 m处时采煤作业面附近易发生顶板冲击灾害。
(2)当工作面回采至10～130 m，230～310 m区域时，断层保护煤柱处易发生冲击。
(3)当工作面推进至10～100 m，150 m.180 m区域时，对断层扰动剧烈，易发生断层冲击。
