采动影响下逆断层活化规律的数值模拟

闵飞虎，向必伟，刘 辉，朱晓峻

采动影响下逆断层活化规律的数值模拟

闵飞虎1,2，向必伟1,2，刘 辉1,2，朱晓峻1,2

(1. 安徽大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230601；2. 安徽省矿山生态修复工程实验室，安徽 合肥 230601)

煤矿开采过程中断层活化时有发生，是矿井灾害防治研究的热点问题。为了揭示不同断层倾角条件下煤层开采对断层活化的影响，以淮南新集二矿地质采矿条件为例，采用FLAC3D进行数值模拟，系统研究逆断层下煤层开采过程中断层的动态活化规律，阐明了断层活化位置与工作面推进距离、断层倾角之间的关系。研究表明，断层活化可分为累积期、形成期、破坏期3个发育阶段；当工作面回采至工作面推进距离的一半时，断层开始活化，至开采结束，断层滑移量最大；倾角越小的断层面越早开始活化，倾角越大的断层面滑移量越大。研究成果为断层发育区煤炭资源安全开采提供了理论依据和技术参考。

断层活化；逆断层；煤矿开采；数值模拟；矿井灾害；新集二矿

近年来大量工程实例表明，断层在煤矿开采过程中可能发生活化现象[1]，导致极其严重的矿井灾害，是采矿安全领域所关注的热点问题之一[2]。

煤矿开采过程中断层活化是地质构造条件与工程环境相互作用的结果[3]。前人研究表明，影响断层活化的主要因素有断层性质、断层产状、煤层覆岩、开采工艺等。针对各单一因素对断层活化的影响，前人开展了大量工作，蒋金泉等[4]探讨了厚煤层覆岩条件下断层活化的演化；李守国等[5]、代进等[6]、焦振华等[7]研究了断层产状、断层面力学性质等对断层活化的影响；此外还有大量学者从开采工艺角度总结了断层活化的规律[6,8-9]。理论研究方面，李振雷等[10]从岩石力学角度建立断层闭锁与解锁滑移的力学模型来探讨断层活化的临界应力条件。上述研究在很大程度上揭示了各单一因素对断层活化不同阶段的影响，对解释地质条件相对单一的矿区取得了较为理想的成果。然而，对一些地质条件复杂的矿区，断层活化受多种因素相互叠加影响，如果单从某个影响因素的角度来探讨断层的活化问题，难以表现实际情况。

相比数学分析，数值模拟能够实现更为复杂的计算，对研究不同影响因素相互作用具有明显的优势[11]。对于矿区在采动情况下的地质灾害研究，数值模拟逐渐成为主流研究方法之一，大量应用于工程实例分析[4,12-16]。本文通过FLAC3D数值模拟，以淮南新集二矿的矿区地质条件为基础，系统研究逆断层下盘工作面向断层推进过程中断层面活化滑移的动态发育规律，揭示工作面与断层距离对断层活化滑移的影响，建立断层带发育位置与断层倾角、工作面推进距离之间的关系模型。本次模拟结果为进一步深入研究煤矿开采中断层活化机制提供了理论依据和参考。

1 矿区地质背景

新集二矿位于淮南煤田的西南方向，井田内基岩均被新生界所覆盖，据钻孔揭露，发育有下元古界、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、新近系和第四系地层，其中二叠系山西组和上、下石盒子组为主要含煤地层。

新集二矿矿区地处华北板块东南部，受区域NWW–SSE向华北边缘的北淮阳构造系以及NNE向郯庐断裂构造系控制，矿区基本构造为近垂直的N–W向和NNE向两组构造。

新集二矿井田位于谢桥向斜南翼，属于淮南复向斜，在颖凤区阜凤推覆构造的中段，区域构造总体近东西走向。新集二矿井田内，外来推覆体沿着阜凤逆冲断层，在南北向主压应力作用下，由南向北逆冲推覆于原地含煤地层之上，形成了上叠式推覆构造，以阜凤逆冲断层为主体(图1)。

图1 新集二矿井田构造纲要示意图

2 模型设计

以新集二矿井田实际地层及逆断层产状特征为基础，根据新集二矿11-2煤层地质采矿条件，建立数值模型，如图2所示。设计开采深度为400 m，工作面推进距离1 000 m，宽度600 m，三维模型如图3所示，单元尺寸为5 m×5 m×5 m，共计1 439 400个剖分单元和1 498 436个节点，模型尺寸3 000 m× 2 000 m×535 m(长×宽×高)，为了避免边界应力效应对模拟结果产生影响，边界设置与研究区域足够远，走向两侧各留1 000 m，倾向两侧各留700 m。

模型前后和左右施加水平方向约束；模型底部为固定支撑；模型顶部为自由面。断层面设置为无厚度接触面单元，可以分析一定受力条件下两个接触表面上产生的错动滑移、分离与闭合。接触面本构模型采用库伦剪切模型，符合浅层断裂构造性质。断层主要参数为：法向刚度1 GN/m、剪切刚度0.4 GN/m、内摩擦角22°，黏聚力0.4 MPa，抗拉强度0.001 MPa[17]，接触面倾角分别为30°、45°、60°、75°。

初始平衡后，从方向1 000 m处开始开采，每次开采长度为100 m，共进行10次开采(即图2中序号1—10)，到达断层位置(图2)。

计算中采用应变软化模型模拟煤(岩)体峰后强度逐步降低的性质，并采用Mohr-Coulomb准则作为煤(岩)体材料的屈服判据；根据现场地质调查和调研相关岩石力学试验结果[18]，考虑矿山岩体的尺寸效应，模型中各岩层计算参数如表１所示。

在断层带、开采煤层及其顶、底板设置监测点，记录煤层顶板垂直应力、断层面上应力及地表移动随开采过程的动态变化规律，模拟分析逆断层下盘工作面的采动应力分布规律和断层活化特性。

3 模型验证

在模拟开采过程中断层活化规律前，必须检验所建模型、力学参数、边界条件的合理性，利用新集二矿覆盖岩层顶板破坏监测数据对模型与力学参数进行检验。

新集二矿11-2煤层111101工作面推进距离710 m，长度160 m，平均煤厚3.5 m，倾角10°，煤层平均埋深333 m，可采储量49.2万t。在04勘探线以西，11-2煤层顶板主要为细砂岩、中砂岩、石英砂岩。井田中深部受多条断层以及伴生小断层切割的影响，裂隙发育。

根据新集二矿111101工作面风巷内两孔的监测数据及02勘探线资料，11-2煤层开采后覆岩破坏裂高(导水裂隙带高度)采厚比为10.83︰1，具体监测结果见表2。

图2 逆断层数值模型及其边界条件

图3 三维数值模型

表1 岩体力学参数

建立尺寸3 000 m×2 000 m×535 m(长×宽×高)、逆断层倾角为60°、工作面(位于断层下盘)尺寸为长度160 m、推进距离700 m、煤层采厚3.5 m的数值模型进行模拟实验，利用模拟实验修正岩层力学参数，分析塑性破坏区域(图4)。根据模拟结果，受采动影响的岩层力学参数修正系数如表2所示：顶板破坏带模拟结果见表3。对比裂高实测值与数值模拟结果，裂高采厚比吻合较好，误差为2.83%，模型较可靠，可用于后续模拟。

图4 工作面推进160 m塑性破坏区域

表2 岩层力学参数的修正系数

表3 覆岩裂高监测数据与所建模型模拟结果

4 模拟计算

以验证模型的尺寸和工作面大小为基准，将采厚变为5 m，建立模拟模型，模拟断层倾角取30°、45°、60°、75°。工作面逐步向断层开采的过程中，每步开采100 m，重点考察工作面顶板支撑应力、断层面上应力、断层面上滑移量等参数的演化。模拟结果表明，当模拟断层倾角在60°、工作面开采600 m时，断层面上产生滑移，断层活化现象最为显著。据此，取断层倾角60°、工作面开采600 m时引发的断层活化现象为代表，论述工作面推进过程中顶板支撑应力演化规律、断层面上应力分布特征和断层位移可能性。同时，论述不同产状条件下各参量演化差异，进而分析断层活化规律。

4.1 工作面推进过程中顶板支撑应力演化规律

模拟计算结果揭示，在工作面向逆断层逐渐推进过程中，采空区覆岩应力变化逐渐传递到断层及上盘覆岩，地表沉陷的形成和发育逐渐加剧(图5b)。图5a揭示了逆断层下工作面推进至距断层不同位置，工作面顶板支撑应力分布规律：

a.工作面顶板垂直应力在断层处被中断，工作面两帮出现垂直应力集中区域，在工作面推进至500 m之前，两帮支撑应力逐渐增大，工作面两帮顶板垂直应力呈现对称关系。

b.逆断层对工作面顶板支撑应力影响较为显著，随着工作面继续推进，到达断层影响区域，切眼处垂直应力逐渐增加，停采线处顶板垂直应力逐渐减小，这是由于逆断层上盘覆岩呈砌体梁支撑作用，垂直应力传递到断层面及逆断层上盘覆岩，而顶板的垂直应力逐渐减小。

图5 倾角60°逆断层下盘逐步推进煤层顶板支撑压力和地表下沉分布

4.2 断层面上应力分布特征

逆断层下盘工作面开挖后，工作面推进至断层下盘不同位置时，断层面上切向应力和法向应力的动态变化过程(图6)具有以下特征：

a.随着工作面在逆断层下盘逐步推进，法向应力的变化趋势和切向应力基本一致，在工作面推进距断层200 m之前，断层面上的切向应力变化相对不大；在推进距断层200 m时，断层面上切向应力出现明显波动。工作面推进至断层时，断层面上的切向应力达到峰值点50.53 MPa，法向应力达到峰值点115.55 MPa，切向应力峰值点与煤层底板距离为30 m。在断层面上距煤层顶板75~100 m和115~ 140 m时，切向应力为0，法向应力也为0，此时断层两盘出现了分离现象。

b.工作面顶板与数值模型底部垂直距离为135 m，随着工作面在逆断层下盘逐步推进，断层面上切向应力与法向应力变化区域主要在工作面水平位置附近，切向应力与法向应力的峰值位于煤层顶板上方垂直距离30 m处，断层面上应力变化主要影响区域为煤层顶板垂直距离下方45 m到顶板上方140 m。

图6 断层倾角为60°时断层面上应力状态

4.3 断层位移可能性分析

模拟断层结构面上、下两盘的相对位移指示了开采过程中断层活化的可能性。根据摩擦定律，接触面的摩擦性质取决于切向应力与法向应力的比值。为考察断层两盘滑动的可能性，取断层带上切向应力与法向应力的比值作为考察指标[12]，绘制其在A3，B，C3监测点处(图2)随工作面推进的变化规律。其中A3点在煤层顶板上部垂直距离40 m的断层面上，B点在煤层顶板上部垂直距离5 m的断层面上，C3点在煤层顶板下部垂直距离40 m的断层面上。

逆断层倾角为60°时，下盘工作面在推进过程中，断层面上切向应力与法向应力的变化如图7a、图7b所示，切向应力与法向应力的比值如图7c所示，具有以下分布规律：

逆断层倾角为60°时，断层面上A3、B、C3点的切向应力和法向应力均逐渐增大。随着逆断层下盘工作面的逐步推进，A3处切向应力和法向应力呈现增大趋势；在工作面推进至距断层300 m之前，切向应力和法向应力比值均逐渐减小(图7c)，说明这个阶段法向应力的增大幅度要大于切向应力，以法向应力增大占主导作用。工作面推进至距断层300 m后，切向应力与法向应力比值迅速增大，最终达到0.508，此阶段切向应力的增大幅度大于法向应力，此时切向应力的增大占主导作用。

在工作面推进至距断层200 m前，B点切向应力和法向应力比值逐渐减小(图7c)，说明这个阶段法向应力的增大幅度要大于切向应力，以法向应力的增大占主导作用；工作面推进至距断层200 m后，切向应力与法向应力比值突然增大，峰值达到0.372，此阶段切向应力的增大幅度要大于法向应力(图7a—图7c)，此时切向应力的增大占主导作用；当工作面推进至断层时，切向应力呈减小趋势，法向应力断续增大，比值也减小，此阶段切向应力的减小占主导作用(图7a—图7c)。

在工作面推进至距断层300 m之前，C3点处切向应力和法向应力均呈减小趋势，切向应力和法向应力比值逐渐减小，说明这个阶段法向应力的增大幅度要大于切向应力，以法向应力的增大占主导作用(图7a—图7c)。工作面推进至距断层300 m后，切向应力与法向应力比值迅速增大，当推进至断层时，比值达到峰值0.438，此阶段切向应力的增大幅度要大于法向应力，以切向应力的增大占主导作用(图7a—图7c)。

通过断层面上A3、B、C3点切向应力和法向应力比值分析(图7c)，可以得知，在工作面上部断层面的A3点切向应力和法向应力比值高于B和C3点，断层滑移的可能性最大；在B点工作面开采的初始阶段较稳定，当工作面推进至距断层200 m时，B点处的切向应力和法向应力比值出现强烈的波动，可能已经出现滑移，应力进行了重新分配；C3点处切向应力和法向应力比值变化幅度最小。因此，A3点和B点断层处滑移可能性要明显高于煤层底板断层面上C3点。

4.4 产状对接触面活化的影响

为了保证在各倾角时工作面开采条件相同，在工作面终采线的上部B点改变断层倾角，分别得到断层倾角为60°条件下工作面推进过程中断层活化滑移发育信息(图7)，以及倾角为30°、45°、60°、75°这4种不同条件下工作面推进过程中顶板支撑应力演化规律(图8)。

模拟结果揭示，倾角的变化与接触面滑移活化、垂直应力演化呈现以下规律：

a.随着倾角增大，接触面两盘最终相对滑移峰值总体上呈增大趋势(除30°外)，断层倾角为60°工作面推进至断层时，接触面上切向滑移量达到最大值0.429 9 m(图7d)；在工作面逐步向接触面推进过程中，不同倾角模拟逆断层下盘工作面推进距接触面400 m时，均已产生剪切滑移；随着开采继续推进，接触面的滑移量逐渐增大。

b.不同倾角接触面下盘工作面推进距接触面300 m时，切向应力和法向应力比值均迅速增大，除倾角为60°外，随着工作面继续向接触面推进，其比值都在一直增大中；倾角60°的逆断层在工作面推进至距断层100 m时，切向应力突然减小(图8a)，主要是因为接触面在监测点B处两盘出现相对位移，切向应力释放并重新调整的结果。

c.工作面向断层推进过程中，断层上盘垂直应力集中程度高于下盘(图8)；不同倾角逆断层下盘工作面采动应力分布有显著差异。随着工作面与断层距离的逐渐减小，不同倾角逆断层工作面顶板支撑应力呈现不同的规律。在断层倾角小于45°时，工作面终采线处，顶板支撑应力呈先减小后增大的趋势。在断层倾角大于45°时，工作面终采线处，顶板支撑应力呈减小趋势。

图8 逆断层下盘推进过程中垂直应力动态演化规律

4.5 开采过程中新集二矿安全性预测

新集二矿井田内，外来推覆体沿着阜凤逆冲断层，在南北向主压应力作用下，由南向北逆冲推覆于原地含煤地层之上，形成了上叠式推覆构造。以阜凤逆冲断层为主体，井田中深部受F10、F11、F20等断层以及伴生小断层切割的影响，倾角变化大，局部倒转(图1)。

根据断层倾角60°的模拟结果，结合新集二矿实际地质现状，动态开采过程中，随着顶板垂直应力和断层面上应力的演化可能会发育不同类型的矿井环境地质问题。工作面推进100~500 m过程中，采空区顶板垂直应力呈现对称分布的规律，断层处总体稳定；当工作面推进至600 m时，断层面上切向应力趋于9.24 MPa(图6a)，法向应力21.08 MPa (图6b)，此时断层呈现为张性，可能导致断层成为瓦斯、水涌入的通道。当工作面开采至700 m时，切向应力与法向应力比值达到0.483，为断层活化的临界值，此时断层可能开始活化、失稳，从而诱发冲击地压、冒顶、塌方、地下水涌入、煤与瓦斯突出等一系列矿井环境地质问题。

5 模拟断层活化规律

以断层倾角60°时为例，通过工作面推进过程中垂直应力(图5a，图9)，断层面上切向应力和法向应力(图6)以及断层滑移危险性分析(图7)，可以得知，尽管存在一些细节上的差异，逆断层活化发育总体上可分为累积期、形成期和破坏期3个阶段。

a.累积期

工作面开采初期，当工作面推进至500 m时，断层面上未发生采空区覆岩应力破坏传递，断层上应力变化较小，不足以造成断层两盘滑移，该阶段为断层活化发育的积累期。具体表现为：当工作面推进100~500 m时，工作面两盘垂直应力呈现对称，断层面上切向应力与法向应力变化幅度较小，切向应力与法向应力比值变化不明显，剪切滑移量为0，采空区覆岩的应力状态未传递到断层和上盘煤(岩)体(图9a—图9e)。

b.形成期

随着工作面推进，采空区应力变化传递至断层和上盘覆岩层，断层面上应力开始增加，两盘相互挤压，断层上、下两盘开始出现滑移现象，此过程为断层活化滑移的形成期。具体表现为：工作面推进600~800 m时，工作面两帮垂直应力开始呈不对称(图9f—图9h)，切眼垂直应力高于停采线处(图5a)。采动应力传递到断层上盘时，断层面上切向应力与法向应力变化较大(图6)，切向应力与法向应力比值增大，切向应力占主要作用，出现剪切滑移现象(图7d)，断层区域两盘产生整体滑移，剪切滑移量分别为0.025 8 m、0.117 6 m和0.250 2 m。

c.破坏期

随着工作面继续推进，逆断层上盘覆岩层与断层面的应力耦合影响增大，断层面上应力变化加剧，两盘相互挤压，出现滑移、分离和闭合现象，此过程为断层活化滑移的破坏期；破坏区域涉及覆岩和断层两盘煤(岩)体。具体表现为：当工作面推进900~1 000 m时，工作面两帮垂直应力明显呈不对称(图9i—图9j)，切眼垂直应力高于停采线处(图5a)；采动应力继续传递到断层上盘时，断层面上切向应力与法向应力变化加剧(图6)，切向应力与法向应力出现为0的情况，断层两盘出现分离和闭合现象，上覆岩层及右侧断层区域两盘产生整体滑移，剪切滑移量增加到0.429 9m (图7d)。

不同倾角逆断层活化细节有所差异，总体上断层活化的发育可分为累积期、形成期和破坏期3个阶段，根据图7d、图8所示，倾角越小的断层工作面，顶板垂直应力越早传递到逆断层上盘覆岩层，断层活化发育的累积期缩短，形成期和破坏期时间延长。

图9 倾角60°逆断层下盘逐步开采垂直应力分布云图

6 结论

a. 逆断层下盘工作面采空后，工作面端头外侧形成强支撑区，随着工作面与断层距离的逐渐减小，不同倾角逆断层工作面顶板支撑应力呈现不同的规律。倾角越小的断层工作面顶板垂直应力越早传递到逆断层上盘覆岩层，在断层倾角小于45°时，工作面终采线处，顶板支撑应力呈现先减小后增大的趋势；在断层倾角大于45°时，工作面终采线处，顶板支撑应力呈现减小趋势。

b. 在采动影响下，不同倾角逆断层面切向应力和法向应力比值作为考察断层稳定性的指标，切向应力是影响逆断层稳定的主要决定因素。下盘工作面与断层距离为500 m时，断层开始活化；下盘工作面与逆断层距离为300 m时，切向应力和法向应力的比值出现明显增大的现象，断层两盘滑移危险性加剧。

c.基于FLAC3D数值模拟及断层滑移动态发育规律，将断层的活化滑移分为积累期、形成期、破坏期3个发育阶段；倾角越小的断层工作面顶板垂直应力越早传递到逆断层上盘覆岩层，断层活化发育的累积期缩短，形成期和破坏期时间延长。受到断层影响，开采引起断层两盘局部出现分离、闭合现象，容易产生断层活化，引起冲击地压、煤与瓦斯突出等环境地质灾害。

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[18] 周大伟. 煤矿开采沉陷中岩土体的协同机理及预测[D]. 徐州：中国矿业大学，2014.

Numerical simulation on mechanism of thrust fault reactivation during mining

MIN Feihu1,2, XIANG Biwei1,2, LIU Hui1,2, ZHU Xiaojun1,2

(1. School of Resources and Environmental Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China;2. Anhui Province Engineering Laboratory of Mine Ecological Remediation,Hefei 230601, China)

It is a hot issue in mine disaster research about the activation of faults during the process of coal mining and excavation. In order to reveal the influence of coal mining on fault activation under different fault dip conditions, Xinji No.2 mine in Huainan coalfield was taken as an example, and numerical simulation with FLAC3Dwas used to systematically study the dynamic activation law of thrust faults during mining beside the faults, and to clarify the relationship among fault activation position and fault dip angle and excavated distance of working face.The results show that the fault activation is divided into three stages: Accumulation period, formation period and dynamic development period. As the working surface advances, the fault begins to activate when it is pushed to half the length of the working face, and the fault slip is the largest at the end of mining. As the fault dip angle increases, the smaller the dip angle, the earlier the fault layer begins to activate. The larger the dip angle, the larger the slip surface will be. It provides a theoretical basis and technical reference for the safe exploitation of coal resources in fault development areas.

fault reactivation; thrust fault; coal mining; numerical simulation; mine disaster; Xinji No.2 mine

P542

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.022

1001-1986(2019)04-0144-09

2019-02-28

国家自然科学基金项目(41472194)；安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2018A0003)

National Natural Science Foundation of China(41472194)；Key Project of Natural Science Research in Colleges and Universities of Anhui Province(KJ2018A0003)

闵飞虎，1990年生，男，安徽淮北人，硕士研究生，从事矿山地质环境研究. E-mail：feihumin@126.com

向必伟，1976年生，男，湖北汉川人，博士，副教授，硕士生导师，从事环境地球化学研究. E-mail：xbw1977@163.com

闵飞虎，向必伟，刘辉，等. 采动影响下逆断层活化规律的数值模拟[J]. 煤田地质与勘探，2019，47(4)：144–152.

MIN Feihu，XIANG Biwei，LIU Hui，et al. Numerical simulation on mechanism of thrust fault reactivation during mining[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：144–152.

(责任编辑 周建军)