破碎带宽度对断层活化及煤柱留设的影响研究*

李鹏飞，刘启蒙，陈秀艳，叶　梅，张丹丹

(安徽理工大学，地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

0　引言

含断层煤层开采时，由于采动引起断层及围岩出现特殊的采动效应，进而可能引起断层活化，产生突水威胁[1-2]。近年来，在我国较大矿井突水实例中，采动断层活化引起的突水事故所占比例越来越大[3]，目前预防断层活化导水的主要方法是留设断层防水煤柱，但是合理留设防水煤柱宽度一直是影响煤矿安全生产和经济效益并存的主要问题之一[4-6]。

通过收集和阅读大量文献，目前对于影响断层防水煤柱留设的主要因素有断层裂隙带宽度、弹性核宽度、屈服带宽度、断层倾角、矿压影响区、有效隔水区和断层影响区，但很少综合考虑断层破碎带宽度对断层防水煤柱留设的影响[7-13]。笔者认为不同宽度的断层破碎带也是影响合理留设断层防水煤柱的主要因素之一，为了进一步论证，对断层活化进行力学分析，进而运用数值模拟软件，模拟不同宽度断层破碎带情况下，断层带法向应力与剪切应力分布规律，并根据采场塑性区的分布情况，对断层破碎带对留设防水煤柱的影响做进一步说明。

1　断层活化应力分析

断层活化实质上是断层上、下盘在采场支撑压力作用下，沿断层面产生一定的相对剪切滑动，使得断层2盘派生节理被扩展，且改变了上、下盘之间的胶结状态，从而大大增强断层破碎带的渗透性。断层的活化可能会使得原先不导水性质的断层转化为导水性的断层，形成导水通道，进而增加断层突水几率[14-15]。因此，对断层活化的机理进行分析，进而从理论方面指导断层防水煤柱的合理留设。

假设断层的上、下盘为均质弹性体，上、下盘之间通过断层面接触，受到垂直方向最大主压力及水平方向的最小压应力，上、下盘沿断层面出现剪切运动即视为断层活化，以此建立断层活化力学模型，见图1。

图1　 断层活化力学模型Fig.1　Mechanical model of fault activation

断层面所受剪切应力τ为：

τ=σ1sinα-σ2cosα

(1)

式中：σ1为垂直方向的最大主压力；α为断层倾角；σ2为水平方向的最小压应力。

断层面上所受的正压应力σn为:

σn=σ1cosα+σ2sinα

(2)

根据摩尔库伦破坏准则，断层上、下盘岩层最大抗剪强度τmax为:

τmax=C+σntanφ

(3)

式中：C为断层带内岩石的黏结系数；φ为断层带内岩石的内摩擦角。

据高延法[16]等研究认为，断层出现活化的条件是断层面所受剪切应力τ大于等于上、下盘岩层最大抗剪强度τmax:

τ≥τmax

(4)

将式(3)代入式(4)，整理得:

C≤τ-σntanφ=Cmax

(5)

式中：Cmax为黏结系数临界值。

式(5)表明断层发生活化的必要条件是断层带内岩石之间的黏结系数小于等于黏结系数临界值Cmax，临界值由断层带所受法向应力与剪切应力、岩石内摩擦角综合确定，在煤层开采过程中，断层带法向应力与剪切应力随着工作面与断层距离的变化而不断改变，因此，黏结系数Cmax并不是一个固定值。当断层破碎带宽度不同时，Cmax也会产生相应的变化。因此，本文以某矿近断层煤层开采为对象，利用FLAC3D数值模拟软件分析不同破碎带宽度对断层活化的影响特征，进而研究防止断层活化的煤柱的合理留设。

2　数值模拟分析

2.1　模拟对象

F31断层是某矿井田内最为发育的正断层之一，出露在13-1煤层露头位置，走向北西75°，缓波状，倾向北，倾角61～83°，落差0～48 m，长1.7 km，切13-1～1煤至-800 m水平。次级正断层发育，上、下盘有F31-1～F31-9小断层达13条之多，F31断层由大量钻孔、巷道和地震测线控制严密，钻孔见F31断层破碎带宽25～9 m。

井田内3煤由于被F31断层切割，开采主要受煤层底板灰岩水及因采动影响导致断层活化导突水威胁，以近F31断层3煤开采过程为对象，研究不同破碎带宽度下防水煤柱的留设问题。

2.2　参数与边界条件的选取

数值模型走向长度为800 m，倾向长度200 m，模型高100 m，鉴于实际煤层顶底板岩性的复杂性，为便于模拟，将物理力学性质相似的岩层概化为同一岩层组，具体参数如表1所示。

表1　岩体物理力学参数

模拟3煤开采深度500 m，以模型顶部至地表的岩体自重施加12.5 MPa的垂向应力，水平方向上，由于泊松效应产生的侧向应力不足以达到实测水平地应力，因此必须额外施加15.4 MPa的水平构造应力才能近似模拟煤岩体所处地应力环境。模型底部边界采用全约束边界条件，即走向、倾向、垂直方向位移均为0；左右边界、前后边界采用约束边界条件，即走向方向、倾向方向水平位移为0；垂直方向为自由边界，不赋予约束条件。

2.3　断层及断层破碎带的建立

模拟断层倾角为75°，通过在断层上、下盘与破碎带接触区域设置结构面的方式对F31断层进行仿真模拟，模拟工作面位于断层上盘，逆断层倾向方向推进。由于断层破碎带内岩石物理力学性质与上、下盘岩石之间具有明显差距，因此在模型中设置独立的断层破碎带分组，在不改变模型走向总长度的基础上，通过改变该分组走向方向上的宽度，分别设置5 m,10 m,15 m,20 m的断层破碎带，分析在不同的断层破碎带宽度条件下，断层所受应力、位移的变化特征及煤层顶底板塑性破坏区与断层的接触情况。所建模型如图2所示。

图2　数值模型Fig.2　Numerical model

2.4　断层应力演化规律

图3为不同破碎带宽度下，工作面推进过程中断层带的法向应力变化规律对比。根据图中曲线的变化特征，断层带上法向应力整体呈下降趋势；当工作面距断层140～200 m时，不同破碎带宽度下的法向应力变化趋势较为一致，基本保持原岩应力状态，表明与断层距离较远，煤层的采动效应尚不足以影响断层带，因此，不同宽度的断层破碎带所受法向应力基本相同；随着工作面不断向断层接近，断层带法向应力逐渐下降，但变化幅度均较小，且趋于平缓，表明采动影响下的断层带应力状态发生一定的变化。工作面距断层20～140 m时，采动效应逐渐影响断层带受力情况，法向应力开始逐渐降低，且不同宽度下的法向应力具有不同的变化趋势，随着断层破碎带宽度的增加，法向应力下降幅度也随之变大。当工作面距断层20 m以内时，断层带法向应力由缓慢下降转变为急剧下降趋势，降幅极大，表明随着断层带附近煤层的不断采出，应力逐渐被释放，且破碎带宽度越大，法向应力的降幅也就越大。

图3　断层法向应力变化Fig.3　Normal stress variation of fault

图4为不同破碎带宽度下，工作面推进过程中断层带的剪切应力变化规律对比。与法向应力的变化规律不同，断层带剪切应力总体表现出先减小后增大的趋势，且剪切应力在距断层120 m处才开始逐渐减小，晚于法向应力出现变化时的140 m，表明工作面采动效应首先影响的是断层带所受的法向应力，而剪切应力受影响的时间具有一定的滞后性。工作面距断层60～80 m时，剪切应力不再减小，反而呈逐渐增加的趋势，出现应力集中现象，且破碎带宽度越大，应力集中系数越大。当工作面推进至距断层60 m以内时，剪切应力开始迅速增加，并在推进至断层处时，达到峰值，破碎带宽度越大，峰值越大。

图4　断层剪切应力变化Fig.4　Shear stress variation of fault

根据前文对断层活化的应力分析，断层活化的必要条件是断层带内岩石的黏结系数小于等于黏结系数临界值Cmax，而影响临界值的主要因素为断层带所受法向应力与剪切应力的大小，因此，为了研究不同破碎带宽度下断层出现活化的可能性，以工作面至断层距离的大小为依据，分析断层带所受法向应力与剪切应力的比值的变化规律，见图5。

图5　断层法向应力与剪切应力比值Fig.5　Ratio of normal stress and shear stress

当工作面距离断层120 m以上时，由于采掘效应造成的扰动影响较小，不同破碎带宽度下的断层带法向应力与剪切应力波动幅度较小，比值基本不发生变化，断层出现活化的可能性较低；随着工作面的推进，断层带法向应力与剪切应力均逐渐减小，但二者比值却开始逐渐增加，且破碎带宽度越小，增幅越大，说明剪切应力的下降幅度小于法向应力，此时断层带黏结系数临界值Cmax逐渐减小，破碎带宽度越小，临界值越大，断层活化可能性越低；当工作面距离断层60 m以内时，由于此时断层带剪切应力的快速攀升，法向应力趋于平缓，Cmax出现一定程度的减小，上、下盘之间可能出现相对滑动，断层活化危险性大大增加，且破碎带越宽，剪切应力增幅越大，断层越容易活化。当工作面距离断层20 m以内时，此时由于煤层的彻底采出，法向应力大幅下降至最低点，且剪切应力持续增加，根据式(5)分析可知，断层面黏结系数临界值Cmax迅速减小，此时断层最易产生滑动，破碎带宽度越大，断层也就越容易活化。

3　断层防水煤柱的合理留设

由于破碎带内岩体的破碎性、低强度性，较断层上、下盘而言更容易产生应力集中和变形，因此，断层破碎带的存在，阻碍了因工作面推进而产生的附加应力的传递，导致断层带2盘应力集中程度增加，围岩更易破碎，加剧了断层上、下盘的剪切错动，使得断层活化可能性显著提高，且随着破碎带宽度的增加，应力传递的阻碍作用越明显，2盘应力更为集中，断层活化可能性也随之增高。

避免断层活化导致矿井突水的主要手段就是预留一定宽度的防水煤柱，目前防水煤柱的留设很少考虑到断层破碎带这一因素，根据前文分析，破碎带的宽度在一定程度上影响断层 活化，进而影响防水煤柱的合理留设。通过数值模拟过程，以工作面采掘效应导致的顶底板塑性破坏区与断层的接触情况为判断依据，确定不同破碎带宽度下，所需留设的防水煤柱宽度。图6为工作面留设相应防水煤柱后，采场的塑性破坏分布图。

图6　采场塑性破坏分布Fig.6　Plastic failure distribution of stope

图6(a)～6(d)为断层破碎带宽5 m,10 m,15 m,20 m时，分别留设22 m,24 m,27 m,30 m防水煤柱的采动塑性破坏图，图中明显可以看出，在留设相应的防水煤柱后，煤层采掘效应引起的塑性破坏刚好接触到断层带，且断层带内并未产生剪切破坏，说明此时断层产生活化的可能性较低，因此，各防水煤柱尺寸分别为不同破碎带宽度下，防止断层活化的临界宽度。图7为断层破碎带宽度与相应防水煤柱临界值的变化规律，可以看出，破碎带宽度越大，相应的防水煤柱临界值也就越大，且呈线性规律增长。

图7　煤柱留设临界值与断层破碎带宽度的关系Fig.7　The relationship between the critical value of coal pillar and width of the fracture zone

综合上述分析，可见断层破碎带的宽度也是断层活化的主要影响因素之一，破碎带宽度越大，断层出现活化的可能性也就越高，因此，在进行防水煤柱留设时，若要防止因断层活化导致的矿井突水，应考虑断层破碎带宽度的影响，破碎带宽度越大的断层，所需留设的防水煤柱也就越宽。

4　结论

1)通过对断层活化的力学分析，得出断层带内岩石黏结系数小于等于临界值Cmax是断层活化的必要条件，且临界值的主要影响因素是断层带所受的法向应力与剪切应力。

2)根据数值模拟结果，当工作面距断层60 m内时，由于黏结系数临界值Cmax的迅速减小，断层活化危险性显著提高，且不同破碎带宽度下，工作面采动效应对断层活化的影响程度不同，破碎带宽度越大，上、下盘越容易产生相对滑动，断层活化可能性越高。

3)通过分析不同破碎带宽度下，留设相应防水煤柱后采场塑性破坏图，得出防水煤柱临界值与破碎带宽度的变化规律，断层破碎带宽度越大，相应的煤柱临界值也越大，且呈线性增长趋势。

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