采掘工程对断层面滑移失稳影响的模拟研究

郭 锐

(汾西矿业集团公司 安监局,山西 介休 032000)

断层是断裂岩层有明显相对位移的一种重要地质构造，在有断层影响的地质条件下，采掘工程破坏了断层围岩系统原有的应力平衡状态，从而使断层发生滑移，直至稳定，达到新的平衡状态，即断层活化。在断层滑移过程中，围岩系统释放大量的能量，引发震级较高的矿震，这也是断层冲击地压的特点。以河南跃进煤矿为研究对象，采用UDEC数值模拟软件，分析采掘工程对断层滑移的影响，为煤矿的安全生产提供理论指导。

1 数值计算模型建立

由于断层的滑移失稳，断层及围岩系统释放所积聚的弹性能，其中一部分能量在岩体裂缝动力扩展中消耗，另一部分则转化为动能，使得断层两盘突然卸载而发生剧烈的震动，这是断层影响冲击地压发生的一个方面。另一方面，断层的存在影响了周围应力场的分布形式，导致工作面顶板局部应力集中，而积聚的大量弹性能的释放，则导致巷道顶板及围岩的破坏。因此，在研究跃进煤矿F16断层对冲击地压发生的影响时，首先对断层的滑移失稳进行研究，而采掘工程对于F16断层滑移失稳影响则是主要研究内容。

采用的数值模型软件为Itasca公司的UDEC4.0软件，是针对非连续介质模型的二维离散元数值计算程序，主要模拟静载或动载条件下非连续介质的力学行为特征。

1) 建立模型。

根据跃进煤矿实际地质情况建立模型。模型及边界条件：将模型左右边界、底部边界固定，使边界横向位移与竖向位移都为“0”，模型上边界施加17.5 MPa的垂直应力，重力加速度设置为9.8 m/s2。模型范围：300 m×100 m，断层倾角45°。煤层顶板至模型上边界58 m，至模型下边界42 m，见图1。

图1 计算模型示意图

2) 岩层属性。

模型中各煤岩层的物理力学参数见表1。

2 开采对断层滑移数值模拟分析

2.1 开采对断层面应力的影响分析

1) F16断层下盘煤层开采对断层面应力的影响。

表1 煤岩力学参数表

根据所建立模型，可以通过数值模拟方法计算得到，当位于F16断层下盘附近的工作面向断层推进时，工作面距离断层不同位置所对应的断层面应力状态，见表2。利用计算所得数据，绘制出在回采工作面的扰动下，F16断层面上剪应力与正应力比值的时空关系曲线，见图2。断层结构是否发生滑落失稳，取决于断层剪应力和正应力的比值。

表2 断层面应力状态统计表

图2 下盘开采对断层面应力状态影响的示意图

从表2及图2可以看出，当工作面与F16断层之间具有较远距离时，例如80 m、60 m时，F16断层面表现出缓慢的应力变化，正应力的上升速度较为缓慢，应力值约为30 MPa，而剪应力则在0.1～0.7 MPa变化。当工作面分别距离F16断层40 m、30 m、20 m时，剪应力上升变快，而正应力上升依旧缓慢，导致两者的比值急剧增加。因此，在F16断层附近区域进行采掘活动时，会引起断层面剪应力上升速度大于断层面正应力的上升速度，容易导致断层滑移失稳现象的发生。

2) F16断层上盘煤层开采对断层面应力的影响。

利用相同模型，模拟工作面由F16断层上盘向断层推进，得到工作面与F16断层不同距离时断层面的应力状态统计与断层剪应力与正应力比值的时空关系变化曲线，见表3，图3。

表3 断层面应力状态统计表

图3 上盘开采对断层面应力状态影响的示意图

由表3及图3分析可知，在F16断层附近的工作面自断层上盘向断层推进时，剪应力变化趋势为先减小后增大，而正应力变化趋势为逐渐增大。当工作面距离断层大于30 m时，断层面剪切应力与正应力比值缓慢减小，说明此时的断层面处于一个稳定的状态。然而当工作面自断层上盘继续向断层推进时，剪应力上升趋势明显加快，正应力变化微弱，断层剪应力与正应力的比值随剪应力的变化而变大，此时，断层容易发生滑移失稳。从数据上可以看出，无论工作面是在断层的下盘或者上盘，回采工作面向断层面推进都会对断层面应力状态产生一定的影响。

2.2 开采对断层滑移的影响分析

1) F16断层下盘煤层开采对断层滑移的影响。

煤层开采是断层冲击地压发生的直接原因。当断层围岩系统处于稳定平衡状态时，远场微小扰动就会打破这种平衡状态，导致断层两盘发生相对移动，此时断层围岩系统就会处于非稳定状态，继而引发冲击地压。通过数值模拟，可以计算出由于采掘工程而引起的断层滑移的量值：在断层两盘的工作面老顶位置布置两个相邻点，即A点与B点，在对不同位置时工作面模型进行应力平衡之前，将A、B两点X、Y方向上的位移置零后，再对模型进行计算，应力平衡后提取两点X、Y方向上的位移，再利用公式(1)对A、B两点之间距离计算，计算出的值L即为断层的滑移量：

(1)

工作面向断层面方向推进，断层距离工作面不同位置时，监测点X、Y方向上的位移及断层滑移量，见表4，并获得推进后断层模型X、Y方向上的位移云图，可直接观察到断层面位移变化情况，见图4。

表4 断层滑移量统计表

图4 下盘煤层开采对断层滑移影响的示意图

根据断层的滑移量就可得到开采导致的断层滑移曲线(图4)。由图4可以看出，当位于F16断层下盘的工作面向断层推进，并距离断层80 m、60 m时，断层滑移量变化不大。随着工作面的推进，距离断层小于60 m时，断层滑移量逐步增加，且增加幅度变大。工作面距离断层20 m时的断层滑移量是60 m时的10倍。断层滑移量的变化表明，此时断层的围岩系统处于非稳定状态，很容易发生断层冲击地压。

2) F16断层上盘煤层开采对断层滑移的影响。

研究方法不变，分析工作面位于F16断层上盘时，断层滑移量在回采工作面影响下的变化情况。工作面推进不同位置时的滑移量统计见表5，再根据计算出的断层滑移量得到断层滑移曲线，见图5。

表5 断层滑移量统计表

工作面向断层面方向推进，断层距离工作面不同位置时，监测点X、Y方向上的位移及断层滑移量见表5，并获得推进后断层模型X、Y方向上的位移云图，可直接观察到断层面位移变化情况，见图5。

图5 上盘煤层开采对断层滑移量的影响

由图5可知，距离断层面相同，工作面在F16下盘开采较上盘开采对F16断层滑移量的影响更大。无论工作面位于F16断层上盘还是下盘，断层滑移量均在工作面与断层距离为20 m时达到最大值。当工作面位于F16断层上盘向断层推进时，断层最大滑移量达到25.73 mm，仅为工作面位于F16断层下盘时最大滑移量的52.5%。下盘开采较上盘开采更容易发生断层冲击地压。

3 结 论

1) 当跃进矿25采区工作面在下盘开采时，距离F16断层60～80 m位置期间，断层滑移量变化平稳，维持在4.5～5 mm，而距离断层20～60 m期间，断层滑移量变化较大。当工作面在上盘开采时，距离F16断层40～80 m位置期间，断层滑移量变化平稳，维持在4.6～4.8 mm，而距离F16断层20～40 m期间，断层滑移量变化较大。无论从下盘或上盘向断层开采，在距离F16断层20 m时，断层滑移量达到最大值。

2) 当该矿25采区工作面在下盘开采时，距F16断层60 m位置，断层面剪切应力与主应力比值上升幅度开始增加，说明工作面开采到此位置时，采掘工程对断层面的应力环境的影响变大。而工作面在上盘开采时，距F16断层30 m位置，剪切应力与正应力的比值才发生如此变化，说明下盘开采更容易改变断层面的应力状态。

3) 当该矿25采区工作面在F16断层上盘向断层开采时，与断层面相同距离，下盘开采较上盘开采对断层滑移量的影响更大。当工作面位于F16断层上盘开采时，断层最大滑移量达到25.73 mm，仅为下盘开采时最大滑移量的52.5%，下盘开采较上盘开采更容易发生断层冲击地压。

参 考 文 献

[1]王经明,董书宁,吕 玲，等.采矿对断层的扰动及水文地质效应[J].煤炭学报,1997,17(4):27-31.

[2]潘一山,王来贵,章梦涛，等.断层冲击地压发生的理论与试验研究[J].岩石力学与工程学报,1998,17(6):642-649.

[3]孟召平,彭苏萍,黎 洪.正断层附近煤的物理力学性质变化及其对矿压分布的影响[J].煤炭学报,2001,26(6):561-566.

[4]勾攀峰,胡有光.断层附近回采巷道顶板岩层运动特征研究[J].采矿与安全工程学报,2006,23(3):285-288.