不同斷層落差采動(dòng)應(yīng)力及活化規(guī)律優(yōu)化研究

李美燕，朱飛龍

（山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266510）

如今的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，煤炭仍舊占據(jù)著非常重要的地位，隨著開采程度的不斷深入，礦井地質(zhì)條件也越來(lái)越復(fù)雜。當(dāng)前中國(guó)大部分煤礦地區(qū)，許多礦井已經(jīng)進(jìn)入地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的采區(qū)開采。在井下地質(zhì)構(gòu)造中，斷層是最常見的構(gòu)造。斷層的存在切割了煤巖層整體連續(xù)性，使斷層區(qū)域原巖應(yīng)力發(fā)生改變，受采動(dòng)影響，斷層易發(fā)生活化，誘發(fā)礦井動(dòng)力災(zāi)害。因此，煤礦斷層落差的應(yīng)力變化成為學(xué)者們研究的重點(diǎn)[1-4]。斷層落差不同，工作面推進(jìn)過(guò)程中采動(dòng)應(yīng)力分布以及斷層滑移規(guī)律均有差異，因此不同斷層落差采動(dòng)應(yīng)力及活化規(guī)律研究，能夠?yàn)閿鄬佑绊憛^(qū)域工作面回采沖擊地壓防治工作提供理論依據(jù)[5-8]。賈延坤等[9-10]研究了斷層面傾角與應(yīng)力之間的變化規(guī)律。劉威等[11-12]通過(guò)研究斷層的延伸長(zhǎng)度和落差的關(guān)系，揭示了斷層的平面規(guī)律。不同厚度煤層下的不同斷層落差的應(yīng)力變化也是不同的[13]。數(shù)值分析方法是一種解決復(fù)雜礦山問題的有效手段，通過(guò)建立不同落差傾角的計(jì)算模型，研究工作面沿?cái)鄬油七M(jìn)時(shí)不同落差采動(dòng)應(yīng)力及活化規(guī)律，為類似地質(zhì)條件下開采提供研究基礎(chǔ)[14-15]。在上述研究的基礎(chǔ)上，考慮了在高低位巖層和上下盤面等因素下對(duì)不同落差采動(dòng)應(yīng)力的綜合交叉影響，然后分析了其對(duì)巖層活化變化程度的影響，最終得出更加精準(zhǔn)的安全指數(shù)。

1 工程背景與數(shù)值模擬方法

1.1 工程背景

興隆莊煤礦位于兗州向斜北翼，七采區(qū)3煤層深度500 m左右，平均厚度8 m左右，工作面長(zhǎng)度180 m左右。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，其中落差大于5 m 的正斷層 21 條。DF9、DF10、DF16、斷層基本平行于工作面煤壁，落差分別為5、8、9 m，工作面推進(jìn)時(shí)通過(guò)這3條斷層。

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

以興隆莊七采區(qū)7302工作面地質(zhì)條件為背景，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值軟件建立了計(jì)算模型，研究工作面向正斷層推進(jìn)的采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律、采場(chǎng)彈性能分布特征、斷層活化規(guī)律。模型尺寸為531 m(長(zhǎng))×260 m(寬)×140 m（高），模擬煤層埋深 500 m，斷層傾角為 60°，落差分別 4、8、12 m，煤層厚度 8 m。模型頂部施加9 MPa的均布載荷，模擬上方自重荷載；水平方向施加梯形分布載荷為垂直方向的0.5倍；前后y邊界限制y方向位移，底部面限制z方向位移，其余面位移設(shè)為自由；斷層帶用1 m的軟弱帶來(lái)模擬。在模擬計(jì)算過(guò)程中，采用摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。巖體物理參數(shù)見表1。

表1 模型巖層及力學(xué)參數(shù)

斷層活化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1，在距煤層8 m和50 m斷層帶中點(diǎn)處，分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，作為斷層活化的標(biāo)志點(diǎn)，記錄采動(dòng)過(guò)程中參量的動(dòng)態(tài)變化特征，A、B作為斷層下盤測(cè)點(diǎn)，A′、B′作為斷層上盤測(cè)點(diǎn)。

2 工作面采動(dòng)應(yīng)力演化特征

2.1 不同落差下盤工作面采動(dòng)應(yīng)力演化特征

圖1 斷層活化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

下盤開采不同落差垂直應(yīng)力分布如圖2。由圖2可知，斷層帶區(qū)域應(yīng)力集中程度不高，且隨著落差的增加垂直應(yīng)力變化較??；頂?shù)装鍛?yīng)力集中程度，隨落差增加而逐漸增大。

圖2 下盤開采不同落差垂直應(yīng)力分布

下盤開采不同落差垂直應(yīng)力分布如圖3。由圖3（a）可見，工作面距斷層50 m時(shí)，工作面前方支承壓力處于高應(yīng)力狀態(tài)，支承壓力分布形態(tài)與落差變化無(wú)關(guān)；落差為4 m時(shí)，峰值為28.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.29；落差為8 m時(shí)，峰值為30.13 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.41；落差為12 m時(shí)，工作面前方峰值最大，為30.46 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.44。從圖3（b）擬合曲線可知，下盤工作面前方支承壓力峰值變化趨勢(shì)為：隨著斷層落差的增大而逐漸增加?；貧w得出工作面前方支承壓力峰值σz與斷層落差x成二次多項(xiàng)式：

圖3 下盤工作面不同落差支承壓力分布

2.2 不同落差上盤工作面采動(dòng)應(yīng)力演化特征

上盤開采不同落差垂直應(yīng)力分布如圖4。由圖4可知，隨著斷層落差的增加，斷層帶垂直應(yīng)力水平變化不大，且應(yīng)力集中程度不高；頂?shù)装鍛?yīng)力集中程度隨落差增大而減小，與下盤開采相比表現(xiàn)出相反的規(guī)律。

圖4 上盤開采不同落差垂直應(yīng)力分布

上盤工作面不同落差支承壓力分布如圖5。由圖5（a）可知，工作面距斷層50 m時(shí)，工作面前方支承壓力處于高應(yīng)力狀態(tài)，支承壓力分布形態(tài)同樣與落差變化無(wú)關(guān)。當(dāng)斷層落差為4 m時(shí)，工作面支承壓力峰值為33.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.66；落差為8 m時(shí)，支承壓力峰值為26.85 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.15；落差為12 m時(shí)，支承壓力峰值減小為26.12 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.09。由圖3（b）擬合曲線可見，上盤工作面前方支承壓力峰值變化趨勢(shì)為：隨著斷層落差的增大而逐漸減小。回歸得出工作面前方支承壓力峰值σz與斷層落差x成二次多項(xiàng)式：

圖5 上盤工作面不同落差支承壓力分布

3 工作面開采時(shí)斷層活化規(guī)律

3.1 不同落差下盤開采斷層活化危險(xiǎn)性分析

下盤開采不同落差剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值如圖6。由圖6可見，下盤開采時(shí)，剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值變化趨勢(shì)隨斷層落差變化基本保持一致。由圖6（a）可知，對(duì)于A點(diǎn)，當(dāng)工作面距斷層30 m時(shí)，剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值最大，此時(shí)，斷層易活化、失穩(wěn)。當(dāng)斷層落差為8 m時(shí)，剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值最大；當(dāng)斷層落差為4 m時(shí)，比值最小。由圖6（b）可知，在B點(diǎn)處，剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值的最大值隨斷層落差增大而增加；與落差8、12 m相比，落差4 m時(shí)，比值最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于落差8、12 m，且比值峰值發(fā)生的位置更接近斷層帶。

圖6 下盤開采不同落差剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值

3.2 不同落差上盤開采斷層活化危險(xiǎn)性分析

上盤開采不同落差剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值如圖7。由圖7可見，上盤開采時(shí)，隨工作面不斷向斷層推進(jìn)，剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值變化趨勢(shì)隨斷層落差變化基本保持一致。對(duì)于A′點(diǎn)，剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值最大值隨斷層落差增加而增大；當(dāng)落差為4 m時(shí)，工作面距斷層20 m，比值達(dá)到最大值0.095 5；當(dāng)落差為8 m時(shí)，工作面距斷層10 m，比值最大，為0.095 8；當(dāng)落差為12 m時(shí)，工作面距斷層10 m，比值達(dá)到最大值0.096 8。在B′點(diǎn)處，剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值的最大值隨斷層落差增大而減小，且工作面距斷層20 m時(shí)，比值達(dá)到最大。

4 不同斷層落差開采頂板運(yùn)動(dòng)特征

不同落差頂板下沉規(guī)律如圖8。

由圖8（a）可知，當(dāng)工作面在下盤開采時(shí)，斷層落差為12 m時(shí)，煤巷頂板下沉量最大；落差為4 m時(shí)，下沉量最小。由擬合曲線可以看出，隨著斷層落差x的增大，頂板下沉量y逐漸增加。擬合方程為：

圖7 上盤開采不同落差剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值

圖8 不同落差頂板下沉規(guī)律

由圖8（b）可見，當(dāng)工作面位于上盤開采時(shí)，斷層落差4 m時(shí)，煤巷頂板下沉量最大；落差12 m時(shí)，下沉量最小。由擬合曲線可知，隨著斷層落差x的減小，頂板下沉量y逐漸增加。擬合方程為：

5 結(jié)論

1）下盤工作面開采斷層帶區(qū)域應(yīng)力集中程度不高，且隨著落差的增加垂直應(yīng)力變化較小。頂?shù)装鍛?yīng)力集中程度，隨落差增加而逐漸增大。工作面前方支承壓力峰值變化趨勢(shì)為：隨著斷層落差的增大而逐漸增加。上盤工作面開采，隨著斷層落差的增加，斷層帶垂直應(yīng)力水平變化不大，且應(yīng)力集中程度不高。頂?shù)装鍛?yīng)力集中程度隨落差增大而減小，與下盤開采相比表現(xiàn)出相反的規(guī)律。工作面前方支承壓力峰值變化趨勢(shì)為：隨著斷層落差的增大而逐漸減小。

2）下盤工作面開采，對(duì)于低位巖層，當(dāng)工作面距斷層30 m時(shí)，剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值最大，此時(shí)，斷層易活化、失穩(wěn)。當(dāng)斷層落差為8 m時(shí)，剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值最大；當(dāng)斷層落差為4 m時(shí)，比值最小。對(duì)于高位巖層，剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值的最大值隨斷層落差增大而增加。上盤工作面開采隨工作面不斷向斷層推進(jìn)，剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力比值變化趨勢(shì)隨斷層落差變化基本保持一致。

3）下盤工作面開采，隨著斷層落差的增大，頂板下沉量逐漸增加。上盤工作面開采，頂板下沉量變化規(guī)律與下盤開采表現(xiàn)出相同的規(guī)律。