傾角對斷層活化應(yīng)力演化規(guī)律的計(jì)算機(jī)模擬研究

鐘志群

(內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程系，四川 內(nèi)江 641100)

傾角對斷層活化應(yīng)力演化規(guī)律的計(jì)算機(jī)模擬研究

鐘志群

(內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程系，四川 內(nèi)江 641100)

以某煤礦F2正斷層的地質(zhì)資料為依據(jù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件FLAC3D5.0對正斷層在兩盤工作面開采過程中斷層帶的應(yīng)力變化、孔隙壓力演化規(guī)律及圍巖的孔隙壓力進(jìn)行研究，揭示了斷層傾角對正斷層的影響。研究結(jié)果表明：正斷層在工作面開采之初斷層帶正應(yīng)力變化不大，工作面開采至距斷層35m位置時(shí)，斷層帶正應(yīng)力快速增加，斷層傾角越大，斷層帶正應(yīng)力越大；不同斷層傾角下，隨工作面推進(jìn)，斷層帶孔隙壓力先緩慢增加，而后工作面距斷層35m時(shí)，斷層帶孔隙壓力迅速增加，工作面距斷層相同距離時(shí)，傾角越大，斷層帶孔隙壓力越大；正斷層圍巖的孔隙壓力與斷層傾角成正比，傾角越大，孔隙壓力也越大。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中需針對斷層的性質(zhì)，考慮斷層傾角的影響，有根據(jù)地對斷層保護(hù)煤柱進(jìn)行留設(shè)，在保證安全的前提下，提高經(jīng)濟(jì)效益。

斷層傾角；正斷層；應(yīng)力；計(jì)算機(jī)模擬；孔隙壓力

StudyofSimulationofInclineAngletoFaultReactivitionandStressDistribution

煤炭作為重要的化石能源，在我國一次能源消費(fèi)中所占比例始終居高不下，隨著淺部煤炭資源的日趨減少，我國的煤礦逐步轉(zhuǎn)向深部開采，深部開采面臨的環(huán)境較為復(fù)雜，容易發(fā)生各種各樣的事故，其中煤礦突水事故近年來始終頻發(fā)[1-5]。造成煤礦突水的因素有很多，但資料顯示，斷層是造成突水事故頻發(fā)的主要原因之一[6]。工作面的開采容易引起斷層附近的應(yīng)力場發(fā)生改變，加之與采動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力發(fā)生疊加，從而誘發(fā)斷層發(fā)生活化，引發(fā)突水事故[7-11]。影響斷層活化造成突水的原因較多，斷層傾角是主要的原因之一[12-16]，本文通過模擬不同斷層傾角下工作面開采對正斷層活化的影響，對正斷層的活化特性及機(jī)理進(jìn)行研究，找出斷層傾角對正斷層的影響，從而有針對性地為正斷層保護(hù)煤柱的留設(shè)提供依據(jù)。

1 工程地質(zhì)條件分析

本次模擬的某煤礦位于淮北煤田，主要研究的斷層為F2正斷層，其貫穿1031，1033工作面，在礦區(qū)內(nèi)走向長度為2000m，傾角60～70°，落差0～60m，各工作面布置如圖1所示。

圖1 1031，1033工作機(jī)機(jī)、風(fēng)兩巷實(shí)揭F2斷層工程平面

2 構(gòu)建模型

本次計(jì)算根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置模型，模型的X軸、Y軸分別為工作面的回采方向、傾斜方向，模型的Z軸為豎直方向，正斷層模型尺寸為250m×30m×144m，將斷層帶內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理(圖2)，并布置測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖2 正斷層模型網(wǎng)格劃分

圖3 模型應(yīng)力及孔壓監(jiān)測點(diǎn)布置

本文計(jì)算選取摩爾-庫倫準(zhǔn)則對巖體的破壞進(jìn)行判斷。

式中，σ1，σ3分別為最大、最小主應(yīng)力；φ為摩擦角；c為黏聚力。

依據(jù)正斷層的實(shí)際地質(zhì)資料同時(shí)考慮巖石的尺度效應(yīng)，本次模擬計(jì)算的主要巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 主要巖層的物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算方案

對F2正斷層斷層傾角分別為40°，50°，60°，70°時(shí)，兩盤工作面依次開采對斷層活化的影響進(jìn)行研究。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 斷層傾角不同對斷層帶應(yīng)力的影響

圖4、圖5為不同斷層傾角下，兩盤煤層依次開采時(shí)，正斷層的應(yīng)力分布圖。從圖4中可以看出，工作面在開采之初斷層帶正應(yīng)力變化較小，應(yīng)力增加較為緩慢，增加幅度較小，傾角40°，1033工作面推進(jìn)40m、傾角50°，工作面推進(jìn)50m，傾角60°，工作面推進(jìn)60m、傾角70°，工作面推進(jìn)70m，即工作面均距斷層35m位置時(shí)，斷層帶正應(yīng)力呈現(xiàn)快速增加趨勢，說明此時(shí)斷層具備了活化跡象，而后隨工作面推進(jìn)，斷層帶正應(yīng)力繼續(xù)增加，因此建議工作面煤柱留設(shè)35m。由圖5可知，隨工作面推進(jìn)，斷層帶正應(yīng)力呈現(xiàn)先緩慢增加后迅速增加的趨勢，工作面距斷層相同距離時(shí)，傾角越大，斷層帶正應(yīng)力越大。

圖4 不同傾角下下盤1033工作面開采時(shí)斷層的應(yīng)力

圖5 不同傾角下上盤1034工作面開采時(shí)斷層的應(yīng)力

4.2 斷層傾角不同對斷層帶孔隙壓力的影響

圖6、圖7給出了斷層傾角分別為40°，50°，60°，70°時(shí)，1033，1034兩工作面開采時(shí)斷層帶的孔隙壓力圖。由圖6可知，傾角40°，1033工作面推進(jìn)40m，傾角50°，工作面推進(jìn)50m，傾角60°，工作面推進(jìn)60m，傾角70°，工作面推進(jìn)70m，即1033工作面均距斷層35m位置時(shí)，斷層帶孔隙壓力呈現(xiàn)快速增加趨勢，而后隨工作面推進(jìn)，斷層帶孔隙壓力不斷增大。由圖7可知，不同斷層傾角下，隨工作面推進(jìn)，斷層帶孔隙壓力先緩慢增加，而后工作面距斷層35m時(shí)，斷層帶孔隙壓力迅速增加，工作面距斷層相同距離時(shí)，傾角越大，斷層帶孔隙壓力越大，相較于圖6，1034工作面開采結(jié)束后斷層帶孔隙壓力大于1033工作面開采結(jié)束后斷層帶的孔隙壓力。

圖6 不同傾角下下盤1033工作面開采時(shí)斷層帶孔隙壓力

圖7 不同傾角下上盤1034工作面開采時(shí)斷層帶孔隙壓力

圖8 不同傾角下下盤1033工作面圍巖孔隙壓力

4.3 斷層傾角不同對正斷層圍巖孔隙壓力的影響

圖8、圖9分別給出了不同斷層傾角下1033，1034兩工作面開采時(shí)圍巖的孔隙壓力圖。由圖8可知，斷層傾角為40°，50°，60°，70°時(shí)，1033工作面距斷層20m時(shí)，其孔隙壓力分別為3.82，4.5，4.783，4.8MPa，斷層傾角越大，孔隙壓力越大，說明斷層傾角與孔隙壓力的大小成正相關(guān)關(guān)系。由圖9可知，斷層傾角為40°，50°，60°，70°時(shí)，1034工作面距斷層20m時(shí)，其孔隙壓力分別為4.159，4.28，4.32，4.747MPa，傾角越大，工作面煤柱的孔隙壓力越大，說明正斷層圍巖的孔隙壓力與斷層傾角的大小成正比，斷層傾角較大時(shí)，底板承壓水更容易通過毛細(xì)作用沿?cái)鄬恿严哆M(jìn)入斷層帶，更容易發(fā)生活化突水[17-18]。

5 工程實(shí)踐

5.1 現(xiàn)場布置方案

為進(jìn)一步驗(yàn)證模擬結(jié)論，驗(yàn)證煤柱留設(shè)35m的合理性，在1033工作面回風(fēng)巷中布置鉆孔應(yīng)力計(jì)對工作面開采過程中F2斷層保護(hù)煤柱的應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測，為F2斷層保護(hù)煤柱尺寸的留設(shè)提供依據(jù)。

在1033工作面回風(fēng)巷F21測點(diǎn)附近沿工作面推進(jìn)方向布置2個(gè)測站，第1測站布設(shè)4個(gè)鉆孔，第2測站布設(shè)6個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔內(nèi)安設(shè)1個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)。鉆孔垂直巷幫施工，鉆孔的深度均為5m，兩測站內(nèi)鉆孔間距均為4m，鉆孔距底板高度均為1.2m。鉆孔應(yīng)力計(jì)布設(shè)具體位置如圖10，11所示。

圖10 鉆孔應(yīng)力計(jì)布置平面示意

圖11 巷道鉆孔應(yīng)力計(jì)布置剖面示意

5.2 監(jiān)測結(jié)果分析

從圖12中可以看出，工作面距F21測點(diǎn)分別為42.8，39，35.2，31.4m時(shí)，即工作面距A2，A3，A4，A5測點(diǎn)28m左右時(shí)，超前支承壓力開始顯現(xiàn)，工作面距F21測點(diǎn)分別為26，21.8，18.2，14m時(shí)，即工作面距各測點(diǎn)9m左右時(shí)，超前支承壓力達(dá)到峰值，而后隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，超前支承壓力開始回落，并逐步趨向原巖應(yīng)力。

圖12 第1測站應(yīng)力-距離曲線

圖13 第2測站應(yīng)力-距離曲線

根據(jù)第1測站結(jié)果，初步判定超前支承壓力影響范圍為32m左右，而后工作面繼續(xù)開采，當(dāng)工作面推過B5測點(diǎn)后，即斷層保護(hù)煤柱留設(shè)32m時(shí)工作面停采。從圖13中可以看出，工作面距F21測點(diǎn)分別為20.8，16.2，12.4，8，4.1，1.4m時(shí)，即工作面距B2，B3，B4，B5，B6，B7測點(diǎn)32m左右時(shí)，超前支承壓力開始顯現(xiàn)，工作面距F21測點(diǎn)分別為-2.4，-6，-10.2，-14.1，-18，-22.2m時(shí)，即工作面距各測點(diǎn)9m左右時(shí)，超前支承壓力達(dá)到峰值，而后隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，超前支承壓力開始回落，并逐步趨向原巖應(yīng)力。第2測站與第1測站所得結(jié)果基本一致，可判定超前支承壓力的影響范圍為32m。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，第1測站中超前支承壓力峰值為3.6MPa左右，而第2測站中B7測點(diǎn)超前支承壓力峰值為4.8MPa，較第1測站有明顯的增加，這是因?yàn)閿鄬訋Ь哂小捌琳稀钡淖饔?，?測站中的各測點(diǎn)距斷層帶更近，因而在采動(dòng)影響下，其超前支承壓力峰值更大，除此之外，第2測站中距斷層越近的測點(diǎn)其超前支承壓力峰值越大，這也是由于斷層帶的“屏障”作用阻隔了應(yīng)力傳播所致。

由于現(xiàn)場監(jiān)測得出工作面回采超前支承壓力的影響范圍為32m，因此，在保證安全的前提下，驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)模擬中煤柱留設(shè)35m的合理性。

6 結(jié) 論

(1)數(shù)值模擬中正斷層在工作面開采初期，斷層帶正應(yīng)力變化不大，工作面開采至距斷層35m時(shí)，斷層帶正應(yīng)力呈現(xiàn)快速增加的趨勢；斷層傾角越大，斷層帶正應(yīng)力越大，在工作面采動(dòng)作用下斷層更容易發(fā)生活化。

(2)不同斷層傾角下，隨工作面推進(jìn)，斷層帶孔隙壓力先緩慢增加，而后工作面距斷層35m時(shí)，斷層帶孔隙壓力迅速增加，工作面距斷層相同距離時(shí)，傾角越大，斷層帶孔隙壓力越大；相同傾角下，距斷層相同距離時(shí)，上盤1034工作面圍巖的孔隙壓力大于下盤1033工作面。

(3)正斷層圍巖的孔隙壓力與斷層傾角成正比，傾角越大，孔隙壓力也越大。因此，在工作面開采時(shí)，需對正斷層的應(yīng)力演化規(guī)律及圍巖的孔隙壓力的變化規(guī)律有所了解，實(shí)際生產(chǎn)中做好斷層保護(hù)煤柱的留設(shè)工作。

(4)通過對兩盤工作面依次回采過程中超前支承壓力進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，得出超前支承壓力的影響范圍為32m，驗(yàn)證了煤柱留設(shè)35m的合理性。

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[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

TD311

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1006-6225(2017)05-0081-05

2017-06-07

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.021

鐘志群(1977-)，女，四川內(nèi)江人，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)安全。

鐘志群.傾角對斷層活化應(yīng)力演化規(guī)律的計(jì)算機(jī)模擬研究[J].煤礦開采，2017，22(5)：81-85.