頂板巖性組合結(jié)構(gòu)對逆斷層活化特征研究

金 鏢，左宇軍,2,3，林健云，孫文吉斌，陳 斌

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.喀斯特地區(qū)優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025；3.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025)

近年來，我國經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)發(fā)展對煤炭資源的依存度有所下降，但從我國的能源結(jié)構(gòu)和目前所處發(fā)展階段來看，煤炭資源依然是我國的主體能源[1]。隨著煤炭資源的逐年開采，淺部煤炭資源逐漸減少，國內(nèi)外礦山進(jìn)入深部資源開采狀態(tài)[2-3]。斷層是進(jìn)入深部開采普遍面臨的問題，在斷層附近進(jìn)行工作面回采時，斷層受到開采活動影響，當(dāng)回采工作面距離斷層距離越來越近時，受開采活動影響斷層活化的可能性越來越大，最終會導(dǎo)致滑移失穩(wěn)并引發(fā)沖擊地壓等災(zāi)害的發(fā)生，給煤炭資源的安全開采帶來巨大威脅。

許多學(xué)者對開采擾動下斷層活化規(guī)律做了大量研究，卜萬奎等[4-5]利用建立的力學(xué)模型，推導(dǎo)出斷層帶法向應(yīng)力與切向應(yīng)力計算公式；史應(yīng)恩等[6]利用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的手段，研究了在工作面回采過程中，斷層帶的應(yīng)力演化規(guī)律與活化特征；謝建敏等[7]利用數(shù)值軟件，研究了斷層傾角、內(nèi)摩擦角對斷層周邊巖體應(yīng)力分布的影響；師本強(qiáng)等[8]依據(jù)摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，推導(dǎo)出了在單向壓力下斷層活化的判據(jù)及斷層活化的臨界傾角、臨界開采深度；高琳[9]采用理論計算、數(shù)值模擬與相似材料模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，研究了工作面向斷層方向推進(jìn)過程中，正斷層活化規(guī)律及采動應(yīng)力演化特征;姜耀東等[10]利用數(shù)值軟件模擬了工作面向斷層推進(jìn)時，斷層面上應(yīng)力的演化規(guī)律；包冉等[11]利用FLAC3D軟件，研究了斷層落差對逆斷層活化規(guī)律的影響；李志華等[12]利用3DEC數(shù)值模擬軟件，研究了采動對斷層面應(yīng)力狀態(tài)、斷層滑移量、以及工作面前方超前支承壓力的影響：張群[13]利用RFPA2D軟件模擬了工作面過斷層回采的過程，研究了斷層活化與滑移的孕育、發(fā)生、發(fā)展的過程中斷層帶應(yīng)力的演化規(guī)律；孟召平等[14]通過現(xiàn)場礦壓觀測系統(tǒng)與數(shù)值模擬相結(jié)合，研究了不同巖性的頂板在回采過程中，工作面的礦壓分布特點(diǎn)；林健云等[15]利用FLAC3D軟件，建立8種不同頂板巖性組合的數(shù)值模型，研究了在回采過程中，不同巖性組合頂板的應(yīng)力與位移的變化規(guī)律。還有學(xué)者對不同巖性組合頂?shù)装逶诓蓜佑绊懴碌淖冃渭捌茐囊?guī)律進(jìn)行了研究[16-18]。但目前在考慮斷層頂板在不同巖性組合下，受開采擾動影響，斷層帶應(yīng)力分布、位移分布規(guī)律的研究成果較少。本文利用FLAC3D軟件建立了4種不同頂板巖性組合計算模型，探討了在不同巖性組合下逆斷層頂板應(yīng)力分布、位移的變化規(guī)律，以及斷層帶應(yīng)力演化特征，對分析斷層區(qū)域覆巖為軟硬互層巖體，頂板圍巖穩(wěn)定性控制及采取合理措施減低斷層活化程度有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 工程概況

礦井位于焦作煤田的東部，井田屬第四系、據(jù)鉆孔揭露，該地區(qū)主要地層有奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、石炭系中統(tǒng)本溪組、二疊系下統(tǒng)山西組。 其中二疊系下統(tǒng)山西組內(nèi)二1煤層為主要可采煤層，煤厚4.73～6.77 m，平均6.16 m。礦區(qū)內(nèi)11011工作面(圖1)揭露F170斷層，走向NE，傾向SE，斷層傾角60°～75°，斷層落差8 m，煤層埋深600 m，煤層平均厚度6 m，煤層直接頂泥巖，煤層底板砂質(zhì)泥巖，11011回采工作面柱狀圖見圖2。

2 數(shù)值計算模型

圖1 11011工作面采掘工程平面圖

圖2 11011工作面柱狀圖

圖3 三維數(shù)值計算模型

圖4 斷層活化監(jiān)測點(diǎn)布置圖

本文根據(jù)河南某礦地質(zhì)采礦條件為基礎(chǔ)，建立了4種煤層頂板不同巖性組合下逆斷層與工作面空間關(guān)系的FLAC3D三維數(shù)值計算模型選中粒砂巖為硬巖，泥巖為軟巖，斷層模型如圖3所示，模型尺寸長×寬×高=300 m×170 m×140 m，包含了87 200個單元，94 710個節(jié)點(diǎn)。邊界條件：模型前后、左右為水平位移約束，底部為垂直位移約束，上部600 m巖層采用10 MPa的均布載荷替代，水平方向施加12 MPa水平應(yīng)力，選擇Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。工作面從左邊界30 m處向右推進(jìn)，每次開挖10 m。在煤層頂板上方10 m和30 m斷層帶處設(shè)置A監(jiān)測點(diǎn)和B監(jiān)測點(diǎn)(圖4),以便模擬分析在不同巖性組合下逆斷層采動應(yīng)力演化與斷層活化特征，模型巖層力學(xué)參數(shù)來自礦井資料見表1。

表1 模型巖層力學(xué)參數(shù)

3 逆斷層工作面采動應(yīng)力演化特征

在不同巖性組合下，工作面距逆斷層的距離為70 m、40 m、10 m時，圍巖垂直應(yīng)力分布如圖5所示。

由圖5可知，斷層帶內(nèi)的垂直應(yīng)力明顯低于原巖應(yīng)力，這是由于斷層的切割對圍巖應(yīng)力的傳播起到了阻隔作用，破壞了圍巖應(yīng)力的連續(xù)性傳播。當(dāng)逆斷層下盤工作面推進(jìn)到70 m時，煤層前方出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，在巖性組合為軟硬硬軟時，圍巖垂直應(yīng)力為14.6～17.7 MPa，巖性組合硬軟軟硬時垂直應(yīng)力為14.4～21.6 MPa，巖性組合軟軟硬硬時垂直應(yīng)力為15.1～20.6 MPa，巖性組合硬硬軟軟時垂直應(yīng)力為13.9～18.7 MPa。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)到40 m時，由于工作面與斷層距離的減少，采動應(yīng)力逐漸增大，頂板垂直應(yīng)力與煤層支承壓力的集中程度得到了進(jìn)一步的提高，在巖性組合為軟硬硬軟時，圍巖垂直應(yīng)力為18.7～27.3 MPa,巖性組合為硬軟軟硬時垂直應(yīng)力為17.1～39.6 MPa，巖性組合為軟軟硬硬時垂直應(yīng)力為20.2～39.5 MPa，巖性組合為硬硬軟軟時圍巖垂直應(yīng)力為16.8～28.3 MPa；煤層頂板斷層開始出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，隨著采動應(yīng)力的增加，斷層帶內(nèi)集聚大量的彈性應(yīng)變能，斷層破碎帶處應(yīng)力進(jìn)一步增加，斷層逐步開始活化。隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，當(dāng)距斷層10 m時，煤層工作面垂直應(yīng)力因斷層滑移運(yùn)動而得到釋放。在巖性組合為軟硬硬軟時，圍巖垂直應(yīng)力為17.6～25.4 MPa，硬軟軟硬時垂直應(yīng)力為17.1～33.1 MPa，上軟下硬時垂直應(yīng)力為25.3～31.4 MPa，硬硬軟軟時垂直應(yīng)力為19.3～24.4 MPa。不同巖性組合條件下，頂板圍巖垂直應(yīng)力大小關(guān)系為：硬硬軟軟<軟硬硬軟<硬軟軟硬<軟軟硬硬。

4 逆斷層工作面頂板運(yùn)動特征

不同巖性組合下工作面與逆斷層的距離為70 m、40 m、10 m時，圍巖垂直位移分布如圖6所示。

隨著煤層的回采，工作面頂板受采動應(yīng)力的影響，逐漸出現(xiàn)裂隙而下沉。斷層的存在破壞了巖層原有的連續(xù)性，使巖層的強(qiáng)度減弱，在工作面不斷靠近斷層時，不同巖性組合下頂板的運(yùn)移會呈現(xiàn)不同的規(guī)律。由圖6可知，在工作面距斷層70 m時，開采擾動對頂板影響很小，在巖性組合為軟硬硬軟時，頂板最大下沉量為111.1 mm，巖性組合為硬軟軟硬時38.8 mm，巖性組合為硬硬軟軟時126.6 mm，巖性組合為軟軟硬硬時34.3 mm。當(dāng)工作面距斷層40 m時，頂板受采動應(yīng)力影響變大，頂板下沉量增大，巖性組合為軟硬硬軟時，頂板最大下沉量為315.9 mm，巖性組合為硬軟軟硬時300.9 mm，巖性組合為硬硬軟軟時404.8 mm，巖性組合為軟軟硬硬時212.7 mm。當(dāng)工作面距斷層10 m時，受開采擾動的影響，頂板下沉量急劇增大，巖性組合為軟硬硬軟時，頂板最大下沉量為1 167.2 mm，巖性組合為硬軟軟硬時1 007.2 mm，巖性組合為硬硬軟軟時2 465.9 mm，巖性組合為軟軟硬硬時878.9 mm。在不同巖性組合頂板條件下，頂板垂直位移大小關(guān)系為：軟硬硬軟<軟軟硬硬<硬軟軟硬<硬硬軟軟。

圖5 工作面與斷層間距為70 m、40 m、10 m時垂直應(yīng)力分布云圖

圖6 工作面與斷層間距為70 m、40 m、10 m時垂直位移分布云圖

圖7 工作面開采時A監(jiān)測點(diǎn)斷層應(yīng)力狀態(tài)

5 逆斷層開采時斷層活化規(guī)律

5.1 斷層帶應(yīng)力演化特征

圖7為工作面向斷層推進(jìn)時，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件記錄斷層帶上A監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線圖。由7圖可知，斷層帶上A監(jiān)測點(diǎn)法向應(yīng)力與剪切應(yīng)力有不同的變化規(guī)律。在距斷層30～70 m時，隨著工作面的推進(jìn)，斷層帶法向應(yīng)力緩慢變化，當(dāng)距斷層10～30 m時，斷層帶法向應(yīng)力明顯增大，在距斷層10 m達(dá)到了峰值，在巖性組合為軟硬硬軟時15.8 MPa、硬軟軟硬時9.8 MPa、軟軟硬硬時12.4 MPa、硬硬軟軟時14.3 MPa。而斷層帶監(jiān)測點(diǎn)A處切向應(yīng)力與法向應(yīng)力有明顯不同的變化規(guī)律，當(dāng)工作面距斷層距離為40～70 m時，隨著工作面的不斷推進(jìn)，斷層帶應(yīng)力逐漸開始變化，A監(jiān)測點(diǎn)的切向應(yīng)力在工作面距斷層20～40 m內(nèi)時，在巖性組合為軟硬硬軟和硬硬軟軟時，斷層帶切向應(yīng)力出現(xiàn)降低的趨勢，在20 m處達(dá)到了最小值1.2 MPa，而在巖性組合為硬軟軟硬與軟軟硬硬時，斷層帶切向應(yīng)力不斷增加。當(dāng)工作面距斷層10～20 m時，A監(jiān)測點(diǎn)切向應(yīng)力迅速增大，斷層活化程度劇烈，巖性組合為軟硬硬軟與硬硬軟軟時，A監(jiān)測點(diǎn)的切向應(yīng)力最大值為9.6 MPa、硬軟軟硬時4.5 MPa、軟軟硬硬時7.3 MPa。根據(jù)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在不同巖性組合下逆斷層受采動應(yīng)力影響而引發(fā)斷層活化的可能性大小關(guān)系為：軟軟硬硬<硬軟軟硬<軟硬硬軟<硬硬軟軟。通過圖7(a)與圖7(b)對比發(fā)現(xiàn)，在工作面向斷層方向推進(jìn)時，斷層受采動應(yīng)力影響，斷層帶A監(jiān)測點(diǎn)的切應(yīng)力與法向應(yīng)力表現(xiàn)出不同的應(yīng)力變化規(guī)律。

如圖8(a)所示，當(dāng)工作面距斷層50～70 m時，斷層帶應(yīng)力變化很小，斷層未發(fā)生活化，當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至20～50 m范圍時，頂板巖性組合為硬硬軟軟、軟硬硬軟與巖性組合為硬軟軟硬、軟軟硬硬的應(yīng)力變化趨勢截然不同。在頂板巖性為硬硬軟軟、軟硬硬軟時，斷層帶B監(jiān)測點(diǎn)法向應(yīng)力增加速度加快，在工作面向斷層推進(jìn)時，斷層不斷受采動應(yīng)力的影響，斷層活化程度也逐漸增大，在工作面距斷層20 m，頂板巖性組合為硬硬軟軟、軟硬硬軟的法向應(yīng)力達(dá)到了最大值13.7 MPa，此時斷層活化程度最大，在距斷層10～20 m，斷層受采動影響而發(fā)生滑動，采動應(yīng)力得到了釋放，B監(jiān)測點(diǎn)法向應(yīng)力減少到9 MPa。在巖性組合為硬軟軟硬、軟軟硬硬時，工作面距斷層10～50 m范圍內(nèi)，隨著工作面的不斷推進(jìn)，B監(jiān)測點(diǎn)法向應(yīng)力一直呈上升趨勢，在距斷層10 m時，法向應(yīng)力達(dá)到了最大值11.8 MPa。由圖6(b)可知，斷層帶法向應(yīng)力與切向應(yīng)力變化規(guī)律不同，在巖性組合為硬硬軟軟、硬軟軟硬、軟硬硬軟時，斷層帶B監(jiān)測點(diǎn)的法向應(yīng)力整體呈增大趨勢，而在巖性組合為軟軟硬硬時，斷層帶B監(jiān)測點(diǎn)的法向應(yīng)力先減小后增大。當(dāng)工作面距斷層50～70 m時，斷層帶切向應(yīng)力變化緩慢，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，在距斷層10～50 m范圍時，頂板巖性組合為硬硬軟軟、軟硬硬軟斷層帶B監(jiān)測點(diǎn)的切向應(yīng)力開始快速增加，在距斷層10 m時，達(dá)到了最大值11.5 MPa，切向應(yīng)力力集中系數(shù)為3.8。而在巖性組合為硬軟軟硬時，工作面距斷層20～50 m，斷層帶B監(jiān)測點(diǎn)法向應(yīng)力緩慢增加，斷層活化程度逐漸增大，當(dāng)工作面距斷層10～20 m時，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，B監(jiān)測點(diǎn)的切向應(yīng)力急劇增加，在10 m時增加到最大值9.2 MPa，斷層活化程度劇烈。在巖性組合為軟軟硬硬時，當(dāng)工作面距斷層30～50 m，隨著煤層不斷回采，切向應(yīng)力急劇降低，在工作面距斷層30 m，B監(jiān)測點(diǎn)切向應(yīng)力降低到最小值0.5 MPa，在距斷層10～30 m范圍內(nèi)，隨著工作面與斷層距離的不斷減小，切向應(yīng)力開始迅速增加，在10 m時達(dá)到了最大值8.2 MPa，斷層活化危險性最大。

5.2 斷層滑移危險性分析

由圖9可知，剛開始開采階段，斷層滑移量變化緩慢。隨著工作面的不斷推進(jìn)，斷層兩盤相對下沉量增大，斷層活化程度增加。工作面距斷層20 m內(nèi)時，斷層兩盤滑移量急劇增加，斷層活化危險性增大。斷層帶A監(jiān)測點(diǎn)和B監(jiān)測點(diǎn)位移變化規(guī)律大致相同，而B監(jiān)測點(diǎn)下沉量更大，說明斷層上方高位處先發(fā)生活化失穩(wěn)。而在巖性組合為硬硬軟軟時，斷層在采動應(yīng)力影響下，更容易發(fā)生活化失穩(wěn)。

圖8 工作面開采時B監(jiān)測點(diǎn)斷層應(yīng)力狀態(tài)

圖9 斷層兩盤相對下沉量

6 工作面向斷層推進(jìn)期間微震事件特征

6.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與組建

為了掌握11011回采工作面在開采過程中斷層活化情況，在工作面前方運(yùn)輸順槽與回風(fēng)順槽每隔100 m布置一組微振檢波器(14-2000HZ)對斷層附近巖體進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，圖10為11011工作面，IMS微振監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖，圖11為IMS微震工作站內(nèi)部示意圖。

圖11 微震工作站內(nèi)部圖

圖12 三分量傳感器

6.2 工作面過斷層期間微震事件特征

圖13為11011工作面向斷層方向推進(jìn)過程中微震事件空間分布圖，圖中小球表示發(fā)生的微震事件。受開采擾動的影響，斷層區(qū)域巖體會出現(xiàn)微裂隙、隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，斷層受到的擾動隨之增加，斷層區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)大量微裂隙，裂隙擴(kuò)展劇烈并逐漸貫通，巖體內(nèi)集聚的大量應(yīng)變能開始釋放，IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測到工作面F170斷層活化失穩(wěn)誘發(fā)的震源空間位置。由圖13可知，開采工作面周邊區(qū)域是發(fā)生礦震事件的主要地帶，初始階段以小能量微震事件為主，隨著工作面的推進(jìn)，礦震震源的空間分布向著F170斷層移動，當(dāng)工作面距斷層50 m時，工作面區(qū)域的震源數(shù)量大量增加，斷層開始發(fā)生活化，當(dāng)工作面距斷層30 m時，斷層區(qū)域震源急劇增加，工作面前方斷層帶附近，大能量震源開始出現(xiàn)，此時斷層帶受開采擾動影響劇烈，斷層附近煤巖體發(fā)生大量微破裂，斷層開始滑動失穩(wěn)。對比可知，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場微震監(jiān)測到的斷層活化規(guī)律相吻合。

圖13 11011工作面推進(jìn)過程中微震事件分布圖

7 結(jié) 論

1) 在不同巖性組合條件下，當(dāng)工作面向斷層方向不斷推進(jìn)時，逆斷層頂板圍巖垂直應(yīng)力大小關(guān)系為：硬硬軟軟<軟硬硬軟<硬軟軟硬<軟軟硬硬。

2) 受開采擾動的影響，工作面越靠近斷層，斷層受到的擾動影響越劇烈，在距斷層10～20 m時，斷層活化危險性最高，而在巖性組合為硬硬軟軟時，斷層更易發(fā)生活化失穩(wěn)。

3) 當(dāng)工作面與斷層距離為10～20 m范圍時，煤層上方30 m，斷層帶B監(jiān)測點(diǎn)活化程度比A監(jiān)測點(diǎn)更高，說明斷層帶上方高位處B監(jiān)測點(diǎn)先發(fā)生活化。

4) 隨著工作面的推進(jìn)，斷層受開采擾動的影響也越大，斷層附近區(qū)域巖體微裂隙越多，斷層附近區(qū)域微震事件越多，斷層活化越劇烈，在工作面接近斷層時，應(yīng)做好安全防護(hù)措施預(yù)防災(zāi)害事故發(fā)生。