临断层孤岛面冲击危险与断层滑移数值反演——以朝阳煤矿3108工作面为例

朱广安¹，窦林名^2,3，王红胜¹，刘海洋¹，董国伟¹

1. 西安科技大学能源学院2. 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室3. 中国矿业大学矿业工程学院

摘 要：复杂地质构造、开采布局等与冲击地压密切相关,尤其是当孤岛工作面沿平行于断层走向回采时,受断层煤柱与孤岛工作面影响叠加后形成的采场煤岩应力状态及覆岩结构将更为复杂,严重威胁冲击地压矿井的安全高效开采。为探究临近断层处孤岛工作面开采时断层滑移失稳致灾机理,利用FLAC^3D中的Fish语言进行2次开发,系统地提出一种孤岛工作面推进过程中采动诱发断层滑移失稳的数值模拟方法。以朝阳煤矿3108工作面为工程背景,建立断层赋存条件下的孤岛工作面开采的数值模型,分析了开采扰动下断层面应力场、位移场和速度场的动态演化特征,确定了断层滑移失稳的判定准则,总结了断层滑移失稳与冲击危险之间的关系,所得结果与现场实际强矿震分布具有较好的一致性。研究结果表明:当工作面远离断层时,断层面不产生滑移失稳,此时采动动载主要源于顶板破断;当工作面向断层推进时,认为当断层面出现剪应力降且剪切位移量大于0.05 m时断层产生滑移。断层滑移型动载可由地震矩、能量和滑移速率等物理参数表示,当动力计算时间为0.03 s时,断层面发生滑移,其地震矩和释放的能量达到峰值。一般当滑移速率峰值达到0.99 m/s以上时可认为断层滑移反作用于采场周围煤岩体的影响较大,断层滑移速率随时间变化先增大后减小,一般在动力计算0.4～0.5 s时,滑移速率达到峰值,当断层滑移结束后,滑移速率会降低至某一值。在整个孤岛工作面的回采进程中,断层滑移速率首先呈现阶梯式跃增趋势,后期表现为线性增长,即断层滑移最易出现在工作面初次来压和见方阶段,易于诱发强矿震和冲击地压。

关键词：孤岛工作面;断层滑移;数值模拟;采动动载;强矿震;