2015, Vol. 38
b. 辽宁工程技术大学 矿山安全技术装备研究院，辽宁 阜新 123000;
c. 辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000
b. Research Institute for Technology & Equipment of Coal Mine Safety, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, Liaoning, P.R.China;
c. School of Mechanics and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, Liaoning, P.R.China
随着采深的逐年增加，中国大部分煤矿将进入深部开采，煤层赋存环境更加复杂，在开采过程中地质构造发育区域易发生冲击地压、煤与瓦斯突出等矿山动力灾害，尤其断层构造带更易发生[1-3]。例如，2003年，芦岭煤矿“5·13”瓦斯爆炸事故，冲击地压诱发引起，84人死亡；2005年，孙家湾煤矿“2·14”瓦斯爆炸事故，冲击地压诱发引起，214人死亡；2011年，义马千秋煤矿发生“11·3”冲击地压事故，75人被困，10人死亡。上述案例中，冲击地压事故都是由断层诱发而成，根据地质力学的观点[4]，逆断层构造带附近更易发生冲击地压等动力灾害，这是由于在水平方向的构造应力强烈挤压作用下，断层两盘围岩更易发生弯曲，易于积聚大量的弹性能。一旦断层两盘发生相对滑动将直接导致断层带围岩积聚的弹性能瞬间释放，造成重大矿山伤亡事故[5]。因此，国内外专家学者对断层滑移机制进行了大量研究，取得了一定的进展。但由于断层滑移机理较为复杂，尚没有形成统一认识，目前仍无法指导实践。实验室相似模拟实验能较好地模拟开采过程中断层滑动现象，但多次改变断层特征参数的重复性实验，将要消耗大量的人力物力。然而，数值模拟方法可以较为方便地对断层滑动进行力学分析，从而探讨多种参量对断层滑动的诱导作用，是一种十分有效的研究手段[6-10]。
笔者分析了断层滑移的影响参量，利用FLAC3D构建逆断层简化模型，通过数值模拟的手段，研究了在采掘过程中距断层不同距离、不同断层倾角及落差条件下，断层面正应力、剪应力、两盘滑移量及断层带弹性能的基本变化规律，从而揭示采动影响下逆断层特征参数对断层活化的作用规律。
1 断层滑动的主控因素根据地质力学的观点，断层附近往往会存在较为复杂的构造应力场，使得断层带的坚硬煤岩体易于积聚大量的弹性应变能。在煤层的开采活动中，断层受到采动的影响，使得断层的稳定状态受到破坏，导致断层发生活化，最终演变成断层失稳滑动，断层的突然滑移会诱发煤岩体积聚的弹性能瞬间释放，形成冲击地压、矿震等矿山动力灾害。
以往的研究表明[1-3, 9-16]，断层面正应力与剪应力的变化会是断层发生失稳滑动的主要影响因素。断层面正应力的减小或剪应力的增加都可能造成断层带两盘的相对滑动。
因此，断层面正应力与剪应力的变化规律、断层带附近的能量分布规律、断层两盘相对滑移量变化规律是判别断层发生失稳滑动的主要参量。
2 数值模型的构建义马跃进煤矿25 110工作面主要开采2-1煤层，采深800~1 200 m，煤层厚度7.4~13.8 m，煤层较脆，硬度较低(f=1)，煤层倾角12°，属于缓倾斜特厚煤层。煤层赋存稳定，整体上沿走向上巷变化不明显，下巷东部厚西部薄。煤层伪顶为0.2 m厚的砂质泥岩，直接顶为18 m厚的泥岩，局部裂隙与节理发育，易破碎；老顶为超过100 m的巨厚坚硬砾岩；直接底为4 m厚的深灰色泥岩。
以义马跃进煤矿25 110工作面为工程背景，根据不同断层倾角、落差及工作面与断层面不同距离的条件，建立了多个数值模型。模型的长、宽、高略有不同，但大致为长670 m，宽200 m，高152 m，单元个数约为21万，如图 1所示[16]。
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图 1 模型示意图 Figure 1 Diagram model |
该模型位移边界为：顶端自由端，底端边界固定，断层下盘限制x、y水平方向的移动，上盘限制x方向的移动。应力边界为：顶端施加相当于上覆岩层850 m自重载荷，根据义马矿区逆冲断层附近地应力资料，设定在上盘施加的水平y方向应力为自重应力的1.2倍。首先，选用摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则来判断煤岩体的破坏；在开挖阶段，煤体重新选用应变软化模型来反映破坏后随着变形发展，强度逐渐弱化的性质。参数如表 1所示[16]。
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表 1 煤岩体力学参数 Table 1 Mechanical parameters of stratum |
如图 2所示，上盘开采过程中，当工作面与断层相距20 m时，临近断层带的巷道一侧煤岩体弹性应变能高度集中；当工作面与断层逐渐远离时，临近断层带的巷道一侧弹性能集中程度逐渐减弱；在工作面与断层相距80 m时，断层带附近弹性能集中效应基本消失，临近断层带的巷道受断层影响很小。
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图 2 上盘开采距断层不同距离的能量分布 Figure 2 Energy distribution of different distances from the hanging wall |
由图 3可知，工作面下盘开采且工作面距断层20 m时，断层一侧已采区域弹性应变能集中程度与上盘开采相比，明显增高。当工作面与断层相距80 m时，临近断层带的煤岩体弹性应变能集中程度仍然很高，但靠近断层带的一侧巷道受断层影响仍旧很小。可见，断层带附近的弹性能集中程度随着工作面与断层距离的不断变远而逐渐降低，但下降较慢且仍保持较高的水平。
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图 3 下盘开采距断层不同距离的能量分布 Figure 3 Energy distribution of different distances from the footwall |
由图 4可知，在上盘开采中，当断层倾角为30°且与断层相距40 m时，断层带附近区域煤岩体的弹性应变能未出现集中现象；当断层倾角为45°，断层带附近区域的弹性能开始显现轻微的集中现象；当断层倾角达到75°，断层带附近区域的弹性应变能出现了高度集中现象，但对临近断层一侧的巷道影响仍然有限。
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图 4 上盘开采不同断层倾角能量分布特征 Figure 4 Distribution characteristics of elastic energy of different fault dips for the hanging wall mining |
由图 5可知，下盘开采过程中，当断层倾角为30°时，断层带附近区域的弹性应变能集中程度与上盘开采相比，显著上升；当断层倾角为45°时，断层带附近区域弹性能呈现出高度的集中现象；断层带区域的弹性能集中程度随着断层倾角的不断增加而增强，断层倾角对下盘开采的影响与上盘开采相比，影响程度更大。
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图 5 下盘开采不同断层倾角能量分布特征 Figure 5 Distribution characteristics of elastic energy of different fault dips for the footwall mining |
由图 6可知，当在上盘开采时，断层带附近煤岩体弹性应变能的集中程度随着断层落差的增大而显著增高。由图 7可知，当在下盘开采时，断层带附近煤岩体弹性应变能的集中程度与上盘开采的规律相一致，但影响程度比上盘开采显著。
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图 6 上盘开采不同断层落差能量分布特征 Figure 6 Distribution characteristics of elastic energy of different fault throws for the hanging wall mining |
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图 7 下盘开采不同断层落差能量分布特征 Figure 7 Distribution characteristics of elastic energy of different fault throws for the footwall mining |
当工作面已回采了90 m时，在回采区域与未开采区域所对应的断层面上共布置6个监测点，且每隔40 m设置1个观测点，断层面上的观测点均位于煤层上方的顶板处。
4.1 距断层不同距离的断层滑移特征如图 8(a)所示，上盘开采时，断层面正应力的整体趋势为：随着工作面与断层距离的不断减小而逐渐增加，已采的区域与未采区域相比，断层面的正应力增加幅度更大。随着回采工作面逐渐远离切眼位置，断层面正应力呈现出线性减小的趋势。当工作面距断层40 m时，断层面的正应力最大。
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图 8 工作面距断层不同距离的断层面正、剪应力变化特征 Figure 8 Variation characteristics of normal stress and shear stress of different distances face from the fault |
如图 8(b)所示，在未采区域(工作面与切眼距离大于90 m处)，断层面的剪应力总体趋势为：随着工作面与断层距离的增加而增大；在已采区域，当工作面与断层相距20 m时，断层面剪应力最大。
如图 8(c)所示，下盘开采过程中，在已采区域内，当工作面与断层相距20 m时，断层面正应力最小；在未采区域内，当工作面与断层相距20 m时，断层面正应力最大。
如图 8(d)所示，在已采区域内，工作面与断层相距20 m时，断层面剪应力最小；其他距离时，采空区域剪应力保持较高水平。在未采区域内，断层面剪应力随工作面与断层距离的增大而减小。
如图 9(a)所示，上盘开采过程中，断层上、下两盘滑移量随着工作面与断层距离的增大而减小，且在已采区域与未采区域相比，断层滑移量的增加幅度更大。如图 9(b)所示，下盘开采时，断层滑移量与上盘开采的变化规律相似，但滑移量增加幅度比上盘大，尤其工作面与断层相距20 m时(在已回采区域内)，断层滑移量突然快速增加，易导致断层的失稳滑动。
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图 9 工作面距断层不同距离的断层面滑移量变化特征 Figure 9 Slippage variation characteristics of different distances of face from the fault |
如图 10(a)所示，上盘开采，随工作面持续向前推进，无论断层倾角多大，断层面正应力呈现出下降趋势。在已采区域，断层面正应力在断层倾角为30°与45°时，下降幅度较快，且断层面正应力在倾角为30°的最小；在未采区域，断层面正应力随倾角增加而增大。如图 10(b)所示，在已采区域，断层面剪应力变化规律并不显著；在未采区域，断层面剪应力随断层倾角的增大而减小。
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图 10 不同断层倾角的断层面正、剪应力变化特征 Figure 10 Normal stress and shear stress variation characteristics of different fault dips |
如图 10(c)所示，下盘开采时，断层面正应力随断层倾角增加而增大，尤其在已采区域，增大较为显著；未采区域，增大幅度较小。如图 10(d)所示，断层面剪应力总体趋势与正应力变化规律相似。总体来看，下盘开采，剪应力增长幅度比上盘大。
如图 11(a)所示，上盘开采时，断层滑移量随断层倾角的增加而增大，断层滑移量在已采区域与未采区域相比，增加幅度较大。从图 11(b)可知，下盘开采时，在已采区域内，断层滑移量随断层倾角的增加而突然迅速减小，断层滑移量的突然大幅度变化，断层容易发生失稳滑动。
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图 11 不同断层倾角的滑移量变化特征 Figure 11 Slippage variation characteristics of different fault dips |
从图 12(a)可知，上盘开采时，已采区域的断层面正应力较高，未采的区域相对较低，但断层面正应力的变化趋势整体呈现出随断层落差的增大而增高。如图 12(b)所示，在已采区域，断层面剪应力总体趋势为随断层落差的增大而增高；在未采区域，落差为20 m时，断层面剪应力最大，落差为10 m的剪应力最小。
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图 12 不同断层落差的断层面正、剪应力变化特征 Figure 12 Normal stress and shear stress variation characteristics of different fault throws |
如图 12(c)、(d)所示，在下盘开采时，断层面正应力随落差的增加而减小，剪应力随落差的增大而增大，两者在已采区域变化幅度较大，未采区域变化幅度较小。下盘开采时，正应力较上盘开采减小，剪应力较上盘开采增大。此种情况，易于断层滑动。
从图 13(a)可知，上盘开采时，断层两盘滑移量总体趋势为：随断层落差增大而减小，其中，当断层落差为30 m时，其滑移量最小。如图 13(b)所示，下盘开采时，在已采区域内，断层滑移量随落差的增加而增大，增大的幅度较上盘显著。
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图 13 不同断层落差的断层面滑移量变化特征 Figure 13 Slippage variation characteristics of different fault throws |
1) 断层上盘开采时，临近断层带的弹性应变能集中程度随与断层距离的增大而减弱；随着断层倾角及落差的增大而增强。下盘开采与上盘趋势类似，但随着工作面远离断层，能量下降较慢且仍保持较高水平；随断层倾角及落差的不断增大，断层带能量较上盘显著增加。可见，下盘开采对断层带的影响比上盘大。
2) 在断层上盘与下盘开采时，工作面距断层不同距离、不同断层倾角及不同落差条件下，断层面正应力与剪应力变化规律明显不同且较为复杂。总体来说，剪应力在下盘开采时较上盘显著增加，但正应力变化较小。因此，下盘开采更易于断层的活化。
3) 上盘或下盘开采，随工作面与断层距离的增加，断层滑移量不断减小；上盘开采时，随着断层倾角的增大，断层滑移量不断增加；下盘开采，随断层倾角的增大，断层滑移量不断减小，但随落差的增大而增加；总体而言，断层滑移量的变化幅度较上盘开采大。
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