厚松散层覆盖下逆冲断层倾角变化与采动活化响应模拟研究

张梦丽，詹 润

（1. 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2. 安徽省煤田地质局勘查研究院，安徽 合肥 230088）

0 引言

断层是一种常见的地质构造，同时也是煤炭开采中常见的难题，相较于浅埋藏区、无断层矿井、厚覆岩层，有断层条件下的采煤活动更容易发生围岩破坏和沉陷变形，进而导致严重的人员伤亡、财产损失及环境破坏。

针对采动影响下的断层活化响应规律，前人开展了大量的数值模拟研究，并揭示了围岩应力变化与地表沉陷的规律。许磊等[1]、魏世明等[2]利用数值模拟软件模拟了煤矿开采下断层滑移随工作面推进的变化特征及断层面应力活化诱发冲击危险性的研究。胡青峰等[3]、郭玉芳等[4]、陈杰等[5]、张海洋等[6]重点对断层采动活化引起的地表沉陷开展了大量的数值模拟研究。韩科明等[7]、赵高博等[8]、杨伟峰等[9]、丁甲等[10]、孙浩然等[11]、陈昌宜[12]根据断层活化力学模型与覆岩破坏原理，模拟覆岩层的应力场、位移场及地表的移动变形规律。目前大量研究主要集中于采动影响下的断层活化应力、应变动态变化与地表沉陷过程响应模拟方面。姜耀东等[13]模拟了断层上下盘逐步回采的方式，发现在工作面回采过程中，断层带上的应力分布具有明显的时空特征，而相较于上盘开采，下盘开采对断层的活化影响更高。王瑞[14]通过现场实测等手段对煤层工作面覆岩运动进行研究，总结出采空区中间测点下沉值最大、下沉速度最快，且在整体形式上表现出对称的方式。王宗林等[15]采用数值计算与相似试验相结合的方法研究浅埋煤层开采覆岩下沉位移与应力分布特征，发现来压期间老顶瞬间垮落，下沉位移明显。刘义新[16]通过研究浅埋综放开采条件下地表沉陷规律，发现工作面推进过程中，地表移动变形总体上是连续渐变的，但在地表下沉过程中存在突变现象。

综合以上分析，针对断层采动活化响应规律，前人已开展了大量研究，但目前大多仅关注断层上盘、下盘采动引起的断层活化机制，针对厚松散层覆盖下的逆断层下盘逐步开采影响覆岩应力变化，特别是逆断层活化与覆岩沉陷变形关系的研究仍较为有限。因此，以淮南煤田口孜东矿F1逆断层条件下煤层开采为例，对厚松散层下采空区上覆岩层形变和沉陷规律进行研究，这对矿区开采沉陷预测及危险性评估具有重要的意义。

1 研究模型构建

1.1 地质概况

以淮南煤田口孜东矿F1断层为研究对象，该断层是矿井南部边界，为逆冲性质，走向NW、倾向SW，沿走向不同地区其倾角变化较大，一般为20°～70°，局部发育较为平缓。该断层下盘主要发育二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组三套煤系地层，煤系基岩面之上发育400～600 m厚松散层（图1）。矿井可采煤层10层，分为-762 m和-900 m两个水平，先生产水平为一水平，主采上石盒子组13-1煤层、11-2煤层与下石盒子组8煤层、5煤层，其中，13-1煤层为首采煤层，煤层（组）之间沿倾斜方向采用自上而下的开采顺序。目前在采的121304工作面位于F1断层下盘，工作面推进距离1020 m，平均煤厚5 m左右，倾角3°～8°，煤层内工作面和巷道采用走向长壁与倾斜长壁相结合的开采方式。近年来，随着煤矿不断向深部与构造复杂区勘探开发，沿F1断层下盘陆续开拓了多个开采工作面，而在采动影响下F1断层采动活化也带来一系列工程地质问题。因此，通过模拟预测F1断层采动活化规律，对下一步煤矿安全开采具有重要的现实意义。

图1 研究区F1断层地质剖面与地层综合柱状图Fig. 1 Geological profile of F1 fault and comprehensive histogram in the study area

1.2 模型构建

根据口孜东矿实际开采地质条件，设计数值模型长为3000 m、宽为2000 m、高为785 m（松散层高450 m，岩层高335 m），松散层单元尺寸为20 m×20 m×20 m（长×宽×高），岩层单元尺寸为20 m×20 m×5 m（长×宽×高），推进距离1000 m，煤层采厚5 m，共计1344 400个单元和1409 152个节点（图2）。F1断层带位置网格适当加密，设置宽度为10 m，开挖深度为535 m处的13-1煤层，工作面在X方向上1000 m处从左往右共推进1000 m，开挖10步，每步开挖100 m。为了尽量地消除边界效应对模拟结果的影响，Y方向上两侧各预留700 m、开采中间600 m，高为5 m。

图2 工作面开挖方案与三维数值计算模型Fig. 2 Excavation scheme of working face and three-dimensional numerical calculation model

模型采用摩尔-库伦破坏准则，模型底部及四周边界约束边界位移和速度，顶部为自由边界，模型在自重条件下达到应力平衡。断层带设置接触面单元，用于记录断层带受煤层开采影响发生的应力、滑移变化。模型断层倾角分别设计20°、30°、40°、50°、60°、70°，采用10°的倾角间隔，并加入45°和75°特殊角；模型中同时设置了无断层模型，用于与含断层模型进行比较分析。为更好地模拟矿区的实际地质条件，模型中选取的各岩层及松散层参数见表1。

表1 各关键岩层的岩石力学参数Table 1 Rock mechanical parameters of key rock layer

为更好地记录岩层形变与断层滑移相互影响的动态变化过程，在模型X方向均匀布置60个监测点以监测地表沉陷及水平移动值。在距F1断层底部垂直距离A（260 m）、B（150 m）、C（40 m）处断层上布置3个监测点以监测开采过程中断层带上的应力及滑移状况（图3）。

图3 各监测点分布图Fig. 3 Distribution of monitoring points

2 逆断层断层倾角变化对岩层垂向变形规律影响

2.1 不同倾角逆断层下岩层垂向变形过程

在煤层逐步开挖过程中，煤层上覆岩层及断层都会发生应力的改变，地表则出现垂向沉陷变形现象。以50°断层倾角为例，模拟开采完成后覆岩垂向变形。图4为50°断层倾角下地表沉陷云图。由图4可知，煤层开挖过程中，覆岩垂向变形主要集中在采空区中间区域，并由下往上逐步扩散，大致呈中心对称的趋势。图5为不同倾角断层下的岩层下沉曲线，其中图5（a）为无断层及各倾角逆断层条件下地表随开采进行过程下沉的动态曲线图。根据动态曲线分布特征，垂向变形基本呈对称规律，垂向变形形状呈U型；由于断层的存在，覆岩最大下沉点集中在采空区中部向左偏移50 m左右距离，说明断层的存在会对覆岩沉陷变形有一定的妨碍作用。图5（b）展示了各断层倾角下最大下沉值。由图5（b）可知，无断层情况下地表下沉最大值比有断层条件下更小，断层从20°倾角上升到75°倾角时，垂向下沉值也随之增大，可见断层倾角越大，覆岩最大下沉值也越大。值得注意的是，总体上看各曲线形态差异很小，主要是由于岩层上部巨厚松散层的存在，缓解了各倾角断层对下沉差异的影响。

图4 50°断层倾角下地表沉陷云图Fig. 4 Cloud map of surface subsidence at 50 ° fault inclination

图5 不同倾角断层下的岩层下沉曲线Fig. 5 Rock stratum subsidence curves under faults with different dip angles

2.2 不同断层倾角下岩层垂向变形程度

岩层倾斜变形斜率与曲率可反映覆岩垂向变形程度。利用建立模型，根据式（1）模拟无断层和20°、40°、50°、60°、75°断层倾角下煤层开采1000 m时倾斜变形曲线，如图6所示。由拟合曲线可知，倾斜变形在靠近断层的一侧表现为不同的数值，在远离断层的一侧倾斜变形基本无变化；在离初采点左侧500 m处倾斜变形值开始增大，随之开采1000 m处倾斜变形达到正极值（10.901～11.098 mm/m），然后开始下降；开采至500 m处倾斜变形值为0，该点岩层趋于水平，随后开始为负值；开采至900 m处达到负极值（-9.060～-14.431 mm/m），然后逐渐增大至0（图6（a））。

图6 各断层倾角下倾斜变形曲线Fig. 6 Inclination deformation curves under each fault dip angle

式中：im-n为m、n两点间的平均倾斜变形；lm-n为地表m、n两点间水平距离；Wm、Wn分别为地表m、n点的下沉值。

根据式（2）模拟不同倾角逆断层下的煤层开采1000 m时的曲率变化。由图6（a）可知，曲率变形在远离断层一侧无明显差异，在靠近断层一侧各曲线变化比较明显。在离初采点左侧500 m处曲率变形值开始增大，至离初采点左侧1000 m处曲率变形值达到正极值（0.038～0.041 mm/m）；随后开始减小，在开采250 m处达到第一个负极值点后曲率开始增大，至开采500 m处开始减小，在开采750 m处达到第二个负极值点（-0.064～-0.040 mm/m）；随之开始增大，至终采点处达到第二个正极值点，随后开始减小为0（图6（b））。

式中：im-n、in-p分别为地表m-n和n-p点间的平均斜率；lm-n、ln-p分别为地表m-n和n-p点间的水平距离；km-n-p为地表m-n和n-p线段的平均曲率。

由以上模拟结果可知，在倾角50°～75°之间的逆断层位置，上覆岩层倾斜变形与曲率变化最大，也是最容易发生垂向变形下沉的区域。另外，在松散层覆岩发生沉降的同时，也常伴随着围岩水平移动变化，模拟显示在断层倾角50°条件下煤层开挖过程中，地表水平移动主要集中在采空区的左右两端，中间部位水平移动值最小（图7）。

图7 煤层逐步开挖过程中地表水平移动云图Fig. 7 Cloud map of surface horizontal movement during coal seam gradual excavation

3 断层倾角对断层滑移演化规律影响

3.1 切应力与法应力变化规律

根据FLAC3D模拟各倾角逆断层下盘开采结果，在煤层逐步开挖过程中，断层时刻都发生着应力的变化。图8（a）为模拟F1断层（倾角50°）切向应力的云图，可见断层带上以Y轴方向左右两侧切向应力大小呈对称分布，切向应力主要集中在断层的上部，为断层切向应力的主要变化部位，较断层下部易发生断层滑移现象；图8（b）为模拟F1断层法向应力的云图，可见断层带上以Y轴方向左右两侧法向应力大小呈对称分布，法向应力由下往上依次增大，并且主要集中在断层的上部区域，较F1断层带下部区域易产生滑移现象。

图8 倾角50°断层带切向和法向应力云图Fig. 8 Cloud map of tangential and normal stress of 50 ° fault zone

3.2 断层活化滑移过程

为研究断层滑移现象的产生，通过分析数值模型模拟F1断层带上A（260 m）、B（150 m）、C（40 m）三点随煤层逐步开采过程中切向应力和法向应力的比值变化进行判定，计算见式（3）。

式中：φ为断层带的内摩擦角；τ为断层带上的切向应力；Fn为断层带上的法向应力。

图9为各断层倾角下断层带上A、B、C三点切法比曲线图，根据式（3）中求得tanφ=0.31，只有当时，可使断层发生滑移失稳。由图9可知，随着煤层开采的进行，断层倾角越小，各点值变化幅度越大，断层越不稳定，越容易活化滑移；断层倾角越大，值变化幅度越小，断层越趋于稳定，越不容易活化。对比A、B、C三点数值变化曲线，当煤层开采0～300 m时，断层带各点切向应力与法向应力比值变化幅度不大；当煤层开采至300 m后切法比开始出现差异，A点的值变化普遍要先于B、C两点，说明在开采过程中，断层是先从上部位置开始活化滑移的。

图9 不同断层倾角下断层带切法比曲线Fig. 9 Shear ratio curves of fault zone under different fault dip angles

通过对比不同倾角下的切法比曲线（图9）还可以看出，厚松散层下F1逆断层随倾角变化情况下，其破坏过程可以分为初始平衡期、剪切滑移期、活化破坏期三个主要阶段。煤层开采早期切法比无明显变化，基本维持在0.2～0.4之间，随着工作面的不断推进，断层带切法比明显增大，此时断层发生剪切滑移的可能性变大。在工作面推进至断层附近时，断层带切法比开始减小，法向应力明显增大，此时断层带会发生活化滑移。目前沿口孜东矿F1布设的西翼回风大巷13-1煤层顶板发现有多处突水现象，并伴随有局部的冲击地压灾害发生，其可能由采动过程F1断层活化所导致。以上模拟结果对厚松散层覆盖区逆断层发育区煤矿安全开采和防治具有重要的参考价值。

4 结论

1）通过对口孜东矿不同倾角F1逆断层发育条件下的覆岩倾斜、曲率变形曲线的分析可知，断层会影响岩层应力的传达，使得初采点区域的地表斜坡会比断层一侧的地表斜坡更陡峭。通过对围岩水平变形曲线分析发现，断层会对地表水平移动变形产生阻碍作用，故终采点区域的水平变形值会小于初采点区域的水平变形值。

2）断层的滑移失稳很大程度上取决于断层带上切向应力与法向应力的大小，断层带上各位置的应力值大小不同，且随煤层开采的进行发生变化；对比A、B、C三点，更接近地表的断层区域会先发生滑移现象，且速度较大；根据值的变化，可知断层倾角越小，断层会更趋于活化；断层倾角越大，断层会更趋于稳定。

3）在工作面向逆断层逐步推进过程中，断层带上的切向应力和法向应力都时刻发生着变化，主要经历初始平衡期、剪切滑移期、活化破坏期三个阶段。当断层带上切向应力增势比法向应力大时，断层发生剪切滑移；当断层带上法向应力增势比切向应力大时，断层发生活化滑移。