不同断层落差采动应力及活化规律优化研究

李美燕，朱飞龙

（山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266510）

如今的社会经济发展中，煤炭仍旧占据着非常重要的地位，随着开采程度的不断深入，矿井地质条件也越来越复杂。当前中国大部分煤矿地区，许多矿井已经进入地质构造复杂的采区开采。在井下地质构造中，断层是最常见的构造。断层的存在切割了煤岩层整体连续性，使断层区域原岩应力发生改变，受采动影响，断层易发生活化，诱发矿井动力灾害。因此，煤矿断层落差的应力变化成为学者们研究的重点[1-4]。断层落差不同，工作面推进过程中采动应力分布以及断层滑移规律均有差异，因此不同断层落差采动应力及活化规律研究，能够为断层影响区域工作面回采冲击地压防治工作提供理论依据[5-8]。贾延坤等[9-10]研究了断层面倾角与应力之间的变化规律。刘威等[11-12]通过研究断层的延伸长度和落差的关系，揭示了断层的平面规律。不同厚度煤层下的不同断层落差的应力变化也是不同的[13]。数值分析方法是一种解决复杂矿山问题的有效手段，通过建立不同落差倾角的计算模型，研究工作面沿断层推进时不同落差采动应力及活化规律，为类似地质条件下开采提供研究基础[14-15]。在上述研究的基础上，考虑了在高低位岩层和上下盘面等因素下对不同落差采动应力的综合交叉影响，然后分析了其对岩层活化变化程度的影响，最终得出更加精准的安全指数。

1 工程背景与数值模拟方法

1.1 工程背景

兴隆庄煤矿位于兖州向斜北翼，七采区3煤层深度500 m左右，平均厚度8 m左右，工作面长度180 m左右。区内地质构造较为复杂，其中落差大于5 m 的正断层 21 条。DF9、DF10、DF16、断层基本平行于工作面煤壁，落差分别为5、8、9 m，工作面推进时通过这3条断层。

1.2 数值计算模型

以兴隆庄七采区7302工作面地质条件为背景，运用FLAC3D数值软件建立了计算模型，研究工作面向正断层推进的采动应力演化规律、采场弹性能分布特征、断层活化规律。模型尺寸为531 m(长)×260 m(宽)×140 m（高），模拟煤层埋深 500 m，断层倾角为 60°，落差分别 4、8、12 m，煤层厚度 8 m。模型顶部施加9 MPa的均布载荷，模拟上方自重荷载；水平方向施加梯形分布载荷为垂直方向的0.5倍；前后y边界限制y方向位移，底部面限制z方向位移，其余面位移设为自由；断层带用1 m的软弱带来模拟。在模拟计算过程中，采用摩尔-库伦强度准则。岩体物理参数见表1。

表1 模型岩层及力学参数

断层活化监测点布置如图1，在距煤层8 m和50 m断层带中点处，分别设置监测点，作为断层活化的标志点，记录采动过程中参量的动态变化特征，A、B作为断层下盘测点，A′、B′作为断层上盘测点。

2 工作面采动应力演化特征

2.1 不同落差下盘工作面采动应力演化特征

图1 断层活化监测点布置示意图

下盘开采不同落差垂直应力分布如图2。由图2可知，断层带区域应力集中程度不高，且随着落差的增加垂直应力变化较小；顶底板应力集中程度，随落差增加而逐渐增大。

图2 下盘开采不同落差垂直应力分布

下盘开采不同落差垂直应力分布如图3。由图3（a）可见，工作面距断层50 m时，工作面前方支承压力处于高应力状态，支承压力分布形态与落差变化无关；落差为4 m时，峰值为28.6 MPa，应力集中系数为2.29；落差为8 m时，峰值为30.13 MPa，应力集中系数为2.41；落差为12 m时，工作面前方峰值最大，为30.46 MPa，应力集中系数达到2.44。从图3（b）拟合曲线可知，下盘工作面前方支承压力峰值变化趋势为：随着断层落差的增大而逐渐增加。回归得出工作面前方支承压力峰值σz与断层落差x成二次多项式：

图3 下盘工作面不同落差支承压力分布

2.2 不同落差上盘工作面采动应力演化特征

上盘开采不同落差垂直应力分布如图4。由图4可知，随着断层落差的增加，断层带垂直应力水平变化不大，且应力集中程度不高；顶底板应力集中程度随落差增大而减小，与下盘开采相比表现出相反的规律。

图4 上盘开采不同落差垂直应力分布

上盘工作面不同落差支承压力分布如图5。由图5（a）可知，工作面距断层50 m时，工作面前方支承压力处于高应力状态，支承压力分布形态同样与落差变化无关。当断层落差为4 m时，工作面支承压力峰值为33.2 MPa，应力集中系数为2.66；落差为8 m时，支承压力峰值为26.85 MPa，应力集中系数为2.15；落差为12 m时，支承压力峰值减小为26.12 MPa，应力集中系数为2.09。由图3（b）拟合曲线可见，上盘工作面前方支承压力峰值变化趋势为：随着断层落差的增大而逐渐减小。回归得出工作面前方支承压力峰值σz与断层落差x成二次多项式：

图5 上盘工作面不同落差支承压力分布

3 工作面开采时断层活化规律

3.1 不同落差下盘开采断层活化危险性分析

下盘开采不同落差剪切应力与法向应力比值如图6。由图6可见，下盘开采时，剪切应力与法向应力比值变化趋势随断层落差变化基本保持一致。由图6（a）可知，对于A点，当工作面距断层30 m时，剪切应力与法向应力比值最大，此时，断层易活化、失稳。当断层落差为8 m时，剪切应力与法向应力比值最大；当断层落差为4 m时，比值最小。由图6（b）可知，在B点处，剪切应力与法向应力比值的最大值随断层落差增大而增加；与落差8、12 m相比，落差4 m时，比值最大值远远大于落差8、12 m，且比值峰值发生的位置更接近断层带。

图6 下盘开采不同落差剪切应力与法向应力比值

3.2 不同落差上盘开采断层活化危险性分析

上盘开采不同落差剪切应力与法向应力比值如图7。由图7可见，上盘开采时，随工作面不断向断层推进，剪切应力与法向应力比值变化趋势随断层落差变化基本保持一致。对于A′点，剪切应力与法向应力比值最大值随断层落差增加而增大；当落差为4 m时，工作面距断层20 m，比值达到最大值0.095 5；当落差为8 m时，工作面距断层10 m，比值最大，为0.095 8；当落差为12 m时，工作面距断层10 m，比值达到最大值0.096 8。在B′点处，剪切应力与法向应力比值的最大值随断层落差增大而减小，且工作面距断层20 m时，比值达到最大。

4 不同断层落差开采顶板运动特征

不同落差顶板下沉规律如图8。

由图8（a）可知，当工作面在下盘开采时，断层落差为12 m时，煤巷顶板下沉量最大；落差为4 m时，下沉量最小。由拟合曲线可以看出，随着断层落差x的增大，顶板下沉量y逐渐增加。拟合方程为：

图7 上盘开采不同落差剪切应力与法向应力比值

图8 不同落差顶板下沉规律

由图8（b）可见，当工作面位于上盘开采时，断层落差4 m时，煤巷顶板下沉量最大；落差12 m时，下沉量最小。由拟合曲线可知，随着断层落差x的减小，顶板下沉量y逐渐增加。拟合方程为：

5 结论

1）下盘工作面开采断层带区域应力集中程度不高，且随着落差的增加垂直应力变化较小。顶底板应力集中程度，随落差增加而逐渐增大。工作面前方支承压力峰值变化趋势为：随着断层落差的增大而逐渐增加。上盘工作面开采，随着断层落差的增加，断层带垂直应力水平变化不大，且应力集中程度不高。顶底板应力集中程度随落差增大而减小，与下盘开采相比表现出相反的规律。工作面前方支承压力峰值变化趋势为：随着断层落差的增大而逐渐减小。

2）下盘工作面开采，对于低位岩层，当工作面距断层30 m时，剪切应力与法向应力比值最大，此时，断层易活化、失稳。当断层落差为8 m时，剪切应力与法向应力比值最大；当断层落差为4 m时，比值最小。对于高位岩层，剪切应力与法向应力比值的最大值随断层落差增大而增加。上盘工作面开采随工作面不断向断层推进，剪切应力与法向应力比值变化趋势随断层落差变化基本保持一致。

3）下盘工作面开采，随着断层落差的增大，顶板下沉量逐渐增加。上盘工作面开采，顶板下沉量变化规律与下盘开采表现出相同的规律。