不同开采条件下断层滑移危险性的研究

郝永军，王金涛，赵小龙，刘 冬,陈明远

(1.冀中能源峰峰集团有限公司,河北 邯郸 056107； 2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

1 概述

断层结构是一种特殊的地质构造，我国地质环境复杂，断层分布广泛[1]。这些断层在板块间的相互作用下产生，板块间的相互作用在断层结构内部积累了大量的变形能[2]。地下煤层开采遇到断层构造时，极易诱发断层滑移，促使断层内部的变形能释放，对施工人员和设备的安全造成严重的威胁。断层滑移过程中，伴随着储存在岩体中的变形能的释放，经常引发冲击地压事故[3-6]。

煤层回采过程中，附近的围岩在采动应力作用下会产生应力的重新分布。断层附近的围岩较为破碎，周围应力状态复杂，当采动应力作用于断层附近时，会使断层面上的应力状态发生改变，从而使断层结构产生错动，诱发冲击地压事故。因此研究采动应力与断层结构的相互作用对断层活化产生的机制十分重要。目前对采动应力作用下断层面上的应力演化规律还需要进一步研究。本文通过数值模拟研究了上下盘分别开采时围岩的应力演化规律，以及工作面推进过程中断层面上应力变化特征。

2 数值模型建立

本文利用FLAC3D软件，根据某矿实际工况，建立了数值模型,研究了工作面推进距离与断层滑移的之间的关系。该模型三维尺寸为400 m×320 m×120 m，模拟埋深600 m，竖直方向施加15 MPa的均布荷载，水平方向施加12 MPa的梯形均布荷载，底部边界固定。断层结构采用接触面模拟，切向刚度和法向刚度均为5 GPa，黏聚力为0.5 MPa，摩擦角15°。模型中断层为正断层，倾角为75°，落差为10 m。如图1所示，模型中，工作面长度为200 m，开挖步数设置为5 m，模型采用摩尔库仑破坏准则。煤岩体以及断层的物理力学参数根据现场收集的岩石试样通过室内试验测得，如表1所示。分别在断层带、煤层的顶底板布置测点，如图1所示，监测回采过程中，断层面上应力的变化情况。

表1 各岩层的物理力学参数

3 上盘开采时的应力演化规律

3.1 上盘开采时工作面围岩的应力演化规律

当回采工作面位于断层上盘时，选取工作面距离断层60 m,30 m和5 m时工作面与断层附近围岩的应力云图(见图2)。研究工作面与断层不同距离下围岩的应力的演化规律。

由图2可知，工作面前方出现竖向支承压力集中区，超前支承压力大小为39 MPa～46 MPa，是原岩应力的2倍～3倍。随着工作面的前移，超前支承压力峰值逐渐增加，工作面距离断层5 m时的竖向压力的峰值比距离60 m时的竖向峰值压力高18.9%，可知距离断层越近，竖向应力的集中程度越高。工作面后方的围岩由于煤体的开挖，出现竖直应力的卸压区。水平应力在前方出现有小幅度的增加，在工作面后方上部围岩出现了水平应力的卸压区。

3.2 上盘开采时断层面的应力演化规律

根据图3可知，工作面在断层上盘开采时，覆岩处断层面的正应力呈现出先减小后增大的趋势，在距离50 m处最小。煤层顶板处B的断层面正应力随着工作面的推进逐渐增大，切应力呈现先增大后减小的趋势，工作面距离断层80 m处切应力最大。相比于A，B位置，底板处C点的断层面正应力受采动影响较大，在距离断层小于70 m时迅速降低。C点的切应力随工作面的推进整体呈增长的趋势。以断层面上正应力和切应力的比值来判断断层滑移的危险性[7]，如图3(c)所示。工作面在断层下盘开采时，底板处断层面的滑移危险性最高，并且随着工作面的推进，一直增加。

4 下盘开采时的应力演化规律

4.1 下盘开采时工作面围岩的应力演化规律

工作面位于断层的下盘时，选取工作面距离断层60 m,30 m,5 m时围岩的应力云图(见图4)，研究工作面与断层不同距离下围岩的应力演化规律。由图4可知，工作面下盘开采时，在工作面前方8 m范围内出现竖直应力的集中区域，是原岩应力的2倍～3倍。同样在工作面后方5 m处的围岩开始出现竖直应力和水平应力的卸压区域。

4.2 下盘开采时断层面的应力演化规律

根据图5可知，工作面位于下盘开采时，不同位置处断层面上的正应力和切应力随着工作面的推进，具有不同的变化情况。覆岩A和底板C处的断层面的正应力受工作面推进距离变化的影响较小。煤层顶板的B处，在工作面距离断层60 m以上时，变化幅度不大。当距离小于60 m时，B处的正应力开始迅速减小。当工作面距离断层小于60 m时，覆岩、煤层顶板和底板处断层面上切应力受采动效应影响，覆岩和底板处的切应力随着距离的减小不断增大，煤层顶板处的切应力呈现先增大后减小的趋势，在工作面与断层距离30 m处达到最大值12.6 MPa，随后迅速降低。

如图5所示当工作面与断层的距离大于60 m时，断层处于安全状态。覆岩和底板处的断层滑移的危险性随着工作面的推进而逐渐增大，煤层顶板位置断层滑移的危险性在距离为30 m达到最高。

5 结论

1)工作面沿断层上下盘开采时，在工作面前方8 m范围内形成竖直应力集中区域。在工作面后方5 m以后形成竖直和水平应力的卸压区。工作面沿断层上盘开采时，底板处断层面的滑移危险性最高，并且随着工作面的推进，一直增加。底板处断层受工作面开采的影响范围是60 m左右。工作面沿断层下盘开采时，煤层顶板位置断层活化危险性较高。

2)工作面沿断层上下盘开采时，采动应力均会影响断层面的应力分布。沿上盘开采时，底板处的断层面的正应力随着工作面与断层距离的减小逐渐减小。而下盘开采时，煤层顶板的正应力随着工作面与断层距离的减小逐渐减小。断层面正应力的变化对断层滑移危险性的影响较大。

3)工作面沿下盘开采的危险性高于上盘，最危险的区域为煤层顶板位置，且工作面与断层距离30 m时，断层活化的危险性最高。研究发现采动应力引起的断层面的应力状态的突然变化是断层发生相对滑移的主要原因。