不同开挖引起断层活化的数值模拟对比分析

田昊丰 李 铁

(1.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室；2．北京科技大学土木与环境工程学院)

不同开挖引起断层活化的数值模拟对比分析

田昊丰1,2李 铁1,2

(1.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室；2．北京科技大学土木与环境工程学院)

强度较低的断层面，周围采动活动易于诱导其断层活化，引发冲击地压。经验表明，在不同采动方案下，引起断层活化的程度存在差异。利用UDEC数值模拟软件，分别模拟工作面从逆断层的上盘和下盘逼近断层回采过程，对比研究断层面最大剪切应力和对应法向应力的演化规律以及断层面上、下盘相对运动规律。结果显示：在工作面回采过程中，工作面距断层水平距离越近，越易于诱导断层活化；工作面在逆断层上盘逼近时，断层相对稳定，活化程度较低；工作面在逆断层下盘推进时，断层活化程度较大，诱发冲击地压的危险性很大。研究表明巷道在逆断层上盘开挖比在下盘更安全、稳定。

断层活化 冲击地压 数值模拟 回采

地下采动对断层活化的影响是普遍存在的，而断层又是诱发冲击地压的重要构造形式。由断层活化引起的冲击地压往往具有破坏性强、发生突然且猛烈等特点，对人员和财产造成巨大危害[1-2]。

对于受断层影响引发的冲击地压问题，学者们对断层滑移稳定性、采动诱发断层失稳、断层变形过程和应力场的演化规律以及冲击地压的发生机理等方面做了大量研究[3-9]，对开采扰动和扰动影响下断层活化过程提供了坚实的理论支撑，但对于在实际工程领域如何优化巷道设置，最大限度地减少近断层采动下地质灾害的发生缺乏定量研究[9-10]。鉴于此，通过分别模拟工作面在逆断层上盘和下盘向断层面推进的过程，对比分析不同采动条件下断层最大剪切应力和对应法向应力的演化规律以及断层面最大滑移量的变化规律，以选择对断层面及其周围扰动最小的巷道开挖方案。

义马煤田千秋煤矿为冲击地压煤层，单一煤层开采，不具备开采保护层区域卸压解危条件，煤层巷道掘进和回采过程常发生冲击地压，对采矿安全构成重大威胁。其中断层是影响煤矿开采的重要地质因素，对采区布置和煤矿开采及采场支护起决定性作用。断层区段是采掘过程冲击地压的高危部位，以往的经验表明，若因巷道设置不当，可能导致开挖过程引起断层活化并产生冲击地压，发生事故。

郑玉友等[12]指出，开采深度在500 m以下时，冲击危险性较小，开采深度500～700 m时，冲击地压发生的危险程度随开采深度的增加会逐渐上升，当开采深度大于700 m后，冲击危险性显著增加。千秋井田南至F16逆断层，倾角约20°，埋深850～900 m，断层区段储煤量丰富，属于深部冲击地压高危区段，故急需开展巷道在深部岩体不同开挖情况下引起断层活化的数值分析，优化巷道布置，以防治断层活化产生的冲击地压。

1 计算模型

为研究正断层开采断层面应力和断层上下盘滑移量的变化，建立模型见图1。利用UDEC4.0离散元数值模拟软件分别模拟工作面从倾角20°的逆断层上盘和下盘逼近断层采动诱发的断层活化。根据现场岩石试样力学试验结果和数值试验参数折减规律，采用岩体力学计算参数见表1。模型模拟范围长500 m，高200 m，上部为自由面，顶部加766 m覆岩自重等效均布荷载，底面限制垂直位移，两侧限制水平位移，模拟巷道的开采深度为883.3 m，上覆煤岩体的平均密度为2 580 kg/m3，逆断层沿巷道走向侧压力系数kxx=0.7，沿垂直于模型方向侧压力系数kzz=2。模型左右两端各留50 m保护煤柱，工作面由距离断层水平200 m推进到50 m。

图1 工作面上、下盘开挖示意

表1 岩体力学参数

根据现场调研和数值模拟实现的可能性，在不违背实际条件下，对模型做如下基本假设：①逆断层为倾角20°的弱节理面，完全弹性材料且无填充层，巷道沿垂直断层走向，分别在断层上盘和下盘开挖；②断层周围岩体为均匀各相同性材料；③采用Mohr-Coulomb准则作为煤岩体材料的屈服判据；④边界应力为区域应力，作用方向垂直于边界；⑤断层仅受现代应力场影响，忽略古构造应力场的作用。

2 逆断层上盘开采断层活化规律

2.1 逆断层上盘开采时断层应力演化特征

逆断层上盘开采过程中断层面应力的变化规律见图2。随工作面的不断推进，断层面上最大剪切应力和法向应力呈先稳定后增大的趋势：当工作面距断层水平距离90 m时，最大剪切应力和法向应力显著增加；当工作面距断层水平距离50 m时，最大剪切应力值为44.4 MPa，法向应力值为73.2 MPa，而剪切应力和法向应力的比值则呈现先小后增大的趋势；当工作面距断层面水平距离大于130 m时，剪切应力和法向应力的比值逐渐减小，说明此时法向应力的变化占主导，其比值由最初的0.45下降到0.34；当工作面距断层面水平距离小于130 m时，比值开始呈增大趋势；在距断层水平距离70 m时达到最大比值0.66，说明此时断层最容易滑动，出现断层活化的可能性最大。

图2 逆断层上盘开采时应力变化

2.2 逆断层上盘开采时断层滑移的危险性分析

图3表明，逆断层上盘开挖过程会导致断层面上下盘的错动，但相对滑移量很小。由上述研究可知，在工作面距断层水平距离70 m时最容易诱发断层活化，而此时断层面最大滑移量也仅为0.067 m，当工作面距断层水平距离50 m时，断层面滑移量达到最大值0.1 m。表明在逆断层上盘开挖对断层面的影响最小，断层面上下盘滑移量相对稳定，断层活化程度较低，不会诱发冲击地压。

图3 逆断层上、下盘开采断层滑移量对比

3 逆断层下盘开采断层活化规律

3.1 逆断层下盘开采时断层应力演化特征

逆断层下盘开采过程中断层面应力变化规律见图4。随着工作面不断逼近断层，断层面上的最大剪切应力和法向应力也呈先稳定后增大的趋势：在工作面距断层水平距离160 m时，最大剪切应力值和法向应力开始显著增加；当工作面距断层水平距离50 m时，最大剪切应力值为76.1 MPa，其法向应力值为165.5 MPa，剪切应力和法向应力的比值则呈现先减小后增大的趋势；当工作面距断层面水平距离大于160 m时，法向应力的变化占主导，其比值由最初的0.25下降到0.22；在工作面距断层水平距离130 m时达到最大比值0.56，表明此时断层最容易滑动，出现断层活化的可能性最大。

图4 逆断层下盘开采时应力变化

3.2 逆断层下盘开采时断层滑移的危险性分析

为进一步分析在工作面距断层不同距离时断层面最大滑移量的变化情况，并于逆断层上盘开采情况做对比，得到逆断层下盘开采时断层滑移曲线，如图3。工作面距断层水平距离大于130 m时，断层面滑移量控制在0.1 m以内，且变形速度相对稳定，而当工作面继续逼近断层时，断层面滑移量开始显著增大，这与图4得到结果相符。当距断层水平距离50 m时，断层面的最大滑移量达到0.83 m。表明在逆断层下盘开挖巷道诱导断层活化程度较大，容易引发冲击地压。

4 结 论

(1)随着工作面距断层水平距离的减小，断层面滑移量逐渐增大，表明工作面距断层越近，越易于诱导断层活化的发生。

(2)工作面在上盘推进到距断层水平距离70 m时，剪切应力和法向应力的比值虽然达到峰值，但断层面滑移量较小，仅为0.067 m，表明断层活化程度较低，不会导致冲击地压的发生。

(3)工作面在下盘推进到距断层水平距离 130 m 时，剪切应力和法向应力的比值达到峰值0.57，且断层面滑移量开始显著增加，表明此时断层活化的危险性很高，引发冲击地压的可能性很大。

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Numerical Simulation Comparison Analysis on the Fault Activation Pattern Induced by Tunnel Excavation

Tian Haofeng1,2Li Tie1,2

(1.State Key Laboratory of High-efficiency Mining and Safety of Metal Mines(Ministry of Education);2.School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing)

Mining activities is easy to induce activation of faults and impact pressure in the strength of lower fault plane. Relevant experience show that,different mining schemes cause varying degrees of fault activation. The UDEC (Unitized Digital Electronic Calculation) numerical simulated sofware is adopted to conduct simulation on the working face close to the reverse fault at the hanging wall and the foot wall respectively so as to conduct comparison analysis the evolution rule of the maximum shear stress and corresponding normal stress of fault surface and the relative motion rule of the hanging wall and foot wall.The result showed that,the closer the distance from fault level, the more easy to induce fault activation. When the working face is on the hanging wall of the reverse fault, the fault is relatively stable and inactive. When the working face is on the foot wall of the reverse fault, the fault would be especially active,which will induce the rock-burst more easily.The above research results also indicated that excavation on the hanging wall is more safe and stable than on the foot wall.

Fault activation, Rock-burst, Numerical simulation, Stoping

2014-07-04)

田昊丰(1991—)，男，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。