厚松散層覆蓋下逆沖斷層傾角變化與采動活化響應模擬研究

張夢麗，詹 潤

（1. 中國礦業(yè)大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2. 安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院，安徽 合肥 230088）

0 引言

斷層是一種常見的地質(zhì)構(gòu)造，同時也是煤炭開采中常見的難題，相較于淺埋藏區(qū)、無斷層礦井、厚覆巖層，有斷層條件下的采煤活動更容易發(fā)生圍巖破壞和沉陷變形，進而導致嚴重的人員傷亡、財產(chǎn)損失及環(huán)境破壞。

針對采動影響下的斷層活化響應規(guī)律，前人開展了大量的數(shù)值模擬研究，并揭示了圍巖應力變化與地表沉陷的規(guī)律。許磊等[1]、魏世明等[2]利用數(shù)值模擬軟件模擬了煤礦開采下斷層滑移隨工作面推進的變化特征及斷層面應力活化誘發(fā)沖擊危險性的研究。胡青峰等[3]、郭玉芳等[4]、陳杰等[5]、張海洋等[6]重點對斷層采動活化引起的地表沉陷開展了大量的數(shù)值模擬研究。韓科明等[7]、趙高博等[8]、楊偉峰等[9]、丁甲等[10]、孫浩然等[11]、陳昌宜[12]根據(jù)斷層活化力學模型與覆巖破壞原理，模擬覆巖層的應力場、位移場及地表的移動變形規(guī)律。目前大量研究主要集中于采動影響下的斷層活化應力、應變動態(tài)變化與地表沉陷過程響應模擬方面。姜耀東等[13]模擬了斷層上下盤逐步回采的方式，發(fā)現(xiàn)在工作面回采過程中，斷層帶上的應力分布具有明顯的時空特征，而相較于上盤開采，下盤開采對斷層的活化影響更高。王瑞[14]通過現(xiàn)場實測等手段對煤層工作面覆巖運動進行研究，總結(jié)出采空區(qū)中間測點下沉值最大、下沉速度最快，且在整體形式上表現(xiàn)出對稱的方式。王宗林等[15]采用數(shù)值計算與相似試驗相結(jié)合的方法研究淺埋煤層開采覆巖下沉位移與應力分布特征，發(fā)現(xiàn)來壓期間老頂瞬間垮落，下沉位移明顯。劉義新[16]通過研究淺埋綜放開采條件下地表沉陷規(guī)律，發(fā)現(xiàn)工作面推進過程中，地表移動變形總體上是連續(xù)漸變的，但在地表下沉過程中存在突變現(xiàn)象。

綜合以上分析，針對斷層采動活化響應規(guī)律，前人已開展了大量研究，但目前大多僅關(guān)注斷層上盤、下盤采動引起的斷層活化機制，針對厚松散層覆蓋下的逆斷層下盤逐步開采影響覆巖應力變化，特別是逆斷層活化與覆巖沉陷變形關(guān)系的研究仍較為有限。因此，以淮南煤田口孜東礦F1逆斷層條件下煤層開采為例，對厚松散層下采空區(qū)上覆巖層形變和沉陷規(guī)律進行研究，這對礦區(qū)開采沉陷預測及危險性評估具有重要的意義。

1 研究模型構(gòu)建

1.1 地質(zhì)概況

以淮南煤田口孜東礦F1斷層為研究對象，該斷層是礦井南部邊界，為逆沖性質(zhì)，走向NW、傾向SW，沿走向不同地區(qū)其傾角變化較大，一般為20°～70°，局部發(fā)育較為平緩。該斷層下盤主要發(fā)育二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組三套煤系地層，煤系基巖面之上發(fā)育400～600 m厚松散層（圖1）。礦井可采煤層10層，分為-762 m和-900 m兩個水平，先生產(chǎn)水平為一水平，主采上石盒子組13-1煤層、11-2煤層與下石盒子組8煤層、5煤層，其中，13-1煤層為首采煤層，煤層（組）之間沿傾斜方向采用自上而下的開采順序。目前在采的121304工作面位于F1斷層下盤，工作面推進距離1020 m，平均煤厚5 m左右，傾角3°～8°，煤層內(nèi)工作面和巷道采用走向長壁與傾斜長壁相結(jié)合的開采方式。近年來，隨著煤礦不斷向深部與構(gòu)造復雜區(qū)勘探開發(fā)，沿F1斷層下盤陸續(xù)開拓了多個開采工作面，而在采動影響下F1斷層采動活化也帶來一系列工程地質(zhì)問題。因此，通過模擬預測F1斷層采動活化規(guī)律，對下一步煤礦安全開采具有重要的現(xiàn)實意義。

圖1 研究區(qū)F1斷層地質(zhì)剖面與地層綜合柱狀圖Fig. 1 Geological profile of F1 fault and comprehensive histogram in the study area

1.2 模型構(gòu)建

根據(jù)口孜東礦實際開采地質(zhì)條件，設計數(shù)值模型長為3000 m、寬為2000 m、高為785 m（松散層高450 m，巖層高335 m），松散層單元尺寸為20 m×20 m×20 m（長×寬×高），巖層單元尺寸為20 m×20 m×5 m（長×寬×高），推進距離1000 m，煤層采厚5 m，共計1344 400個單元和1409 152個節(jié)點（圖2）。F1斷層帶位置網(wǎng)格適當加密，設置寬度為10 m，開挖深度為535 m處的13-1煤層，工作面在X方向上1000 m處從左往右共推進1000 m，開挖10步，每步開挖100 m。為了盡量地消除邊界效應對模擬結(jié)果的影響，Y方向上兩側(cè)各預留700 m、開采中間600 m，高為5 m。

圖2 工作面開挖方案與三維數(shù)值計算模型Fig. 2 Excavation scheme of working face and three-dimensional numerical calculation model

模型采用摩爾-庫倫破壞準則，模型底部及四周邊界約束邊界位移和速度，頂部為自由邊界，模型在自重條件下達到應力平衡。斷層帶設置接觸面單元，用于記錄斷層帶受煤層開采影響發(fā)生的應力、滑移變化。模型斷層傾角分別設計20°、30°、40°、50°、60°、70°，采用10°的傾角間隔，并加入45°和75°特殊角；模型中同時設置了無斷層模型，用于與含斷層模型進行比較分析。為更好地模擬礦區(qū)的實際地質(zhì)條件，模型中選取的各巖層及松散層參數(shù)見表1。

表1 各關(guān)鍵巖層的巖石力學參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameters of key rock layer

為更好地記錄巖層形變與斷層滑移相互影響的動態(tài)變化過程，在模型X方向均勻布置60個監(jiān)測點以監(jiān)測地表沉陷及水平移動值。在距F1斷層底部垂直距離A（260 m）、B（150 m）、C（40 m）處斷層上布置3個監(jiān)測點以監(jiān)測開采過程中斷層帶上的應力及滑移狀況（圖3）。

圖3 各監(jiān)測點分布圖Fig. 3 Distribution of monitoring points

2 逆斷層斷層傾角變化對巖層垂向變形規(guī)律影響

2.1 不同傾角逆斷層下巖層垂向變形過程

在煤層逐步開挖過程中，煤層上覆巖層及斷層都會發(fā)生應力的改變，地表則出現(xiàn)垂向沉陷變形現(xiàn)象。以50°斷層傾角為例，模擬開采完成后覆巖垂向變形。圖4為50°斷層傾角下地表沉陷云圖。由圖4可知，煤層開挖過程中，覆巖垂向變形主要集中在采空區(qū)中間區(qū)域，并由下往上逐步擴散，大致呈中心對稱的趨勢。圖5為不同傾角斷層下的巖層下沉曲線，其中圖5（a）為無斷層及各傾角逆斷層條件下地表隨開采進行過程下沉的動態(tài)曲線圖。根據(jù)動態(tài)曲線分布特征，垂向變形基本呈對稱規(guī)律，垂向變形形狀呈U型；由于斷層的存在，覆巖最大下沉點集中在采空區(qū)中部向左偏移50 m左右距離，說明斷層的存在會對覆巖沉陷變形有一定的妨礙作用。圖5（b）展示了各斷層傾角下最大下沉值。由圖5（b）可知，無斷層情況下地表下沉最大值比有斷層條件下更小，斷層從20°傾角上升到75°傾角時，垂向下沉值也隨之增大，可見斷層傾角越大，覆巖最大下沉值也越大。值得注意的是，總體上看各曲線形態(tài)差異很小，主要是由于巖層上部巨厚松散層的存在，緩解了各傾角斷層對下沉差異的影響。

圖4 50°斷層傾角下地表沉陷云圖Fig. 4 Cloud map of surface subsidence at 50 ° fault inclination

圖5 不同傾角斷層下的巖層下沉曲線Fig. 5 Rock stratum subsidence curves under faults with different dip angles

2.2 不同斷層傾角下巖層垂向變形程度

巖層傾斜變形斜率與曲率可反映覆巖垂向變形程度。利用建立模型，根據(jù)式（1）模擬無斷層和20°、40°、50°、60°、75°斷層傾角下煤層開采1000 m時傾斜變形曲線，如圖6所示。由擬合曲線可知，傾斜變形在靠近斷層的一側(cè)表現(xiàn)為不同的數(shù)值，在遠離斷層的一側(cè)傾斜變形基本無變化；在離初采點左側(cè)500 m處傾斜變形值開始增大，隨之開采1000 m處傾斜變形達到正極值（10.901～11.098 mm/m），然后開始下降；開采至500 m處傾斜變形值為0，該點巖層趨于水平，隨后開始為負值；開采至900 m處達到負極值（-9.060～-14.431 mm/m），然后逐漸增大至0（圖6（a））。

圖6 各斷層傾角下傾斜變形曲線Fig. 6 Inclination deformation curves under each fault dip angle

式中：im-n為m、n兩點間的平均傾斜變形；lm-n為地表m、n兩點間水平距離；Wm、Wn分別為地表m、n點的下沉值。

根據(jù)式（2）模擬不同傾角逆斷層下的煤層開采1000 m時的曲率變化。由圖6（a）可知，曲率變形在遠離斷層一側(cè)無明顯差異，在靠近斷層一側(cè)各曲線變化比較明顯。在離初采點左側(cè)500 m處曲率變形值開始增大，至離初采點左側(cè)1000 m處曲率變形值達到正極值（0.038～0.041 mm/m）；隨后開始減小，在開采250 m處達到第一個負極值點后曲率開始增大，至開采500 m處開始減小，在開采750 m處達到第二個負極值點（-0.064～-0.040 mm/m）；隨之開始增大，至終采點處達到第二個正極值點，隨后開始減小為0（圖6（b））。

式中：im-n、in-p分別為地表m-n和n-p點間的平均斜率；lm-n、ln-p分別為地表m-n和n-p點間的水平距離；km-n-p為地表m-n和n-p線段的平均曲率。

由以上模擬結(jié)果可知，在傾角50°～75°之間的逆斷層位置，上覆巖層傾斜變形與曲率變化最大，也是最容易發(fā)生垂向變形下沉的區(qū)域。另外，在松散層覆巖發(fā)生沉降的同時，也常伴隨著圍巖水平移動變化，模擬顯示在斷層傾角50°條件下煤層開挖過程中，地表水平移動主要集中在采空區(qū)的左右兩端，中間部位水平移動值最小（圖7）。

圖7 煤層逐步開挖過程中地表水平移動云圖Fig. 7 Cloud map of surface horizontal movement during coal seam gradual excavation

3 斷層傾角對斷層滑移演化規(guī)律影響

3.1 切應力與法應力變化規(guī)律

根據(jù)FLAC3D模擬各傾角逆斷層下盤開采結(jié)果，在煤層逐步開挖過程中，斷層時刻都發(fā)生著應力的變化。圖8（a）為模擬F1斷層（傾角50°）切向應力的云圖，可見斷層帶上以Y軸方向左右兩側(cè)切向應力大小呈對稱分布，切向應力主要集中在斷層的上部，為斷層切向應力的主要變化部位，較斷層下部易發(fā)生斷層滑移現(xiàn)象；圖8（b）為模擬F1斷層法向應力的云圖，可見斷層帶上以Y軸方向左右兩側(cè)法向應力大小呈對稱分布，法向應力由下往上依次增大，并且主要集中在斷層的上部區(qū)域，較F1斷層帶下部區(qū)域易產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。

圖8 傾角50°斷層帶切向和法向應力云圖Fig. 8 Cloud map of tangential and normal stress of 50 ° fault zone

3.2 斷層活化滑移過程

為研究斷層滑移現(xiàn)象的產(chǎn)生，通過分析數(shù)值模型模擬F1斷層帶上A（260 m）、B（150 m）、C（40 m）三點隨煤層逐步開采過程中切向應力和法向應力的比值變化進行判定，計算見式（3）。

式中：φ為斷層帶的內(nèi)摩擦角；τ為斷層帶上的切向應力；Fn為斷層帶上的法向應力。

圖9為各斷層傾角下斷層帶上A、B、C三點切法比曲線圖，根據(jù)式（3）中求得tanφ=0.31，只有當時，可使斷層發(fā)生滑移失穩(wěn)。由圖9可知，隨著煤層開采的進行，斷層傾角越小，各點值變化幅度越大，斷層越不穩(wěn)定，越容易活化滑移；斷層傾角越大，值變化幅度越小，斷層越趨于穩(wěn)定，越不容易活化。對比A、B、C三點數(shù)值變化曲線，當煤層開采0～300 m時，斷層帶各點切向應力與法向應力比值變化幅度不大；當煤層開采至300 m后切法比開始出現(xiàn)差異，A點的值變化普遍要先于B、C兩點，說明在開采過程中，斷層是先從上部位置開始活化滑移的。

圖9 不同斷層傾角下斷層帶切法比曲線Fig. 9 Shear ratio curves of fault zone under different fault dip angles

通過對比不同傾角下的切法比曲線（圖9）還可以看出，厚松散層下F1逆斷層隨傾角變化情況下，其破壞過程可以分為初始平衡期、剪切滑移期、活化破壞期三個主要階段。煤層開采早期切法比無明顯變化，基本維持在0.2～0.4之間，隨著工作面的不斷推進，斷層帶切法比明顯增大，此時斷層發(fā)生剪切滑移的可能性變大。在工作面推進至斷層附近時，斷層帶切法比開始減小，法向應力明顯增大，此時斷層帶會發(fā)生活化滑移。目前沿口孜東礦F1布設的西翼回風大巷13-1煤層頂板發(fā)現(xiàn)有多處突水現(xiàn)象，并伴隨有局部的沖擊地壓災害發(fā)生，其可能由采動過程F1斷層活化所導致。以上模擬結(jié)果對厚松散層覆蓋區(qū)逆斷層發(fā)育區(qū)煤礦安全開采和防治具有重要的參考價值。

4 結(jié)論

1）通過對口孜東礦不同傾角F1逆斷層發(fā)育條件下的覆巖傾斜、曲率變形曲線的分析可知，斷層會影響巖層應力的傳達，使得初采點區(qū)域的地表斜坡會比斷層一側(cè)的地表斜坡更陡峭。通過對圍巖水平變形曲線分析發(fā)現(xiàn)，斷層會對地表水平移動變形產(chǎn)生阻礙作用，故終采點區(qū)域的水平變形值會小于初采點區(qū)域的水平變形值。

2）斷層的滑移失穩(wěn)很大程度上取決于斷層帶上切向應力與法向應力的大小，斷層帶上各位置的應力值大小不同，且隨煤層開采的進行發(fā)生變化；對比A、B、C三點，更接近地表的斷層區(qū)域會先發(fā)生滑移現(xiàn)象，且速度較大；根據(jù)值的變化，可知斷層傾角越小，斷層會更趨于活化；斷層傾角越大，斷層會更趨于穩(wěn)定。

3）在工作面向逆斷層逐步推進過程中，斷層帶上的切向應力和法向應力都時刻發(fā)生著變化，主要經(jīng)歷初始平衡期、剪切滑移期、活化破壞期三個階段。當斷層帶上切向應力增勢比法向應力大時，斷層發(fā)生剪切滑移；當斷層帶上法向應力增勢比切向應力大時，斷層發(fā)生活化滑移。