井下地质构造受采动影响下的力学响应分析

范慧琪

(山西潞安集团 潞宁孟家窑煤业有限公司， 山西 忻州 036700)

0 引言

煤矿井下地质构造复杂，其中断层是矿产开采过程中常见的一种地质构造。断层破坏岩层的完整性和连续性，被视为影响矿产安全开采的重要因素之一[1-2]。在含有断层的井下条件中，采掘可能造成冲击地压、矿井突水、地表台阶式下沉等灾害[3]。文献[4]利用声发射监测与采场应力监测系统，研究了义马矿由于开采造成断层活化前后的采场顶底板矿压显现规律。文献[5]利用数值模拟，研究了断层倾角、煤柱留设宽度对断层滑移的影响。本文简述了断层力学模型，并利用离散元软件模拟了井下断层地质受工作面推采的影响。

1 断层力学模型

以断层走向所在面为剖面，取位于断层上盘且与断层下盘接触的微三角形单元为研究对象，建立如图1所示的力学模型。

对所选单元进行受力分析，有[6]：

(1)

图1 断层滑移力学模型

式中：Fx为单元沿x方向合力；Fy为单元沿y方向合力；ds为单元体与断层下盘的接触面积；φ为断层面岩体的内摩擦角，°；c为断层面内聚力，MPa，由于通常断层面岩体破碎，取c=0。

由于断层上下盘的限制，所选单元体只能沿断层面滑动，则有[7]：

(2)

从式(1)、式(2)看出，当Fx>0时，单元体有向上移动的趋势；当Fx<0时，单元体有向下移动的趋势。因ds非负，故断层滑移主要受断层倾角、断内摩擦角及内聚力影响。当断层物理力学参数已知时，则其所受竖直、水平应力影响。

2 断层构造数值模拟实例分析

2.1 断层面数值模型

以潞安某矿所处的断层构造为背景，建立离散元模型，模型使用摩尔库伦本构。模型的长×高=300 m×140 m，开采的煤层厚4 m，巷道位于煤层中。断层倾角60 °，落差5 m，断层带宽度4 m，建立的数值模拟模型见图2。模型中岩层物理力学参数见表1。

图2 数值模型

巷道左侧与断层之间留25 m煤柱，工作面从距巷道右帮105 m处向右推进，第一阶段推进70 m，第二阶段分3次共推进30 m，第三阶段推进5 m。

模拟中从断层在基岩露头开始，沿断层面每隔20 m高度方向上不止一个测点。令测点至断层露头竖直距离为L，L取值为0、20、40、60、80、100、120

表1 模拟中采用的材料物理力学参数

m。在巷道顶底板及两帮中点处布置测点。

2.2 断层面应力特征分析

根据监测所得断层面水平与竖直应力，可得断层面正应力和切应力，如表2所示。

表2 断层面水平应力与竖直应力数值表

图3是根据表2计算得到的断层面正应力、切应力值随测点至断层露头的竖直距离的变化趋势图。由图3看出，正应力和切应力均呈线性，但正应力的变化趋势比切应力的变化趋势明显。这是因为断层面上的正应力与切应力主要取决于岩体弹性模量，而断层带岩体弹性模量相差较小。

图3 断层面应力与至断层露头垂直距离的关系

2.3 断层面滑移结果分析

将监测数据代入式(1)、式(2)，可计算出各监测点上沿断层面方向的合力Fx如表3所示。

表3 各测点值

从表3看出，工作面推进结束后，至断层露头竖直距离小的测点处岩体有向下滑动趋势，竖直距离较大处的断层面岩体有向上滑动趋势。这是因为工作面在断层上盘，上盘岩体有向采空区偏移的趋势，同时断层下盘岩体对断层面岩体产生反力而导致断层面上部岩体受拉，下部岩体受压。

3 结论

本文简述了矿井下断层构造的力学模型，分析了其力学响应机制；利用离散元软件模拟了井下断层构造在采动影响下的力学响应，得出结论：

1) 断层面上正应力和切应力基本呈线性增长，且正应力增率明显。

2) 工作面推采完毕后，至断层露头竖直距离小的测点处岩体有向下滑动趋势，竖直距离较大处的断层面岩体有向上滑动趋势。