基于断层影响下的覆岩应力演化规律分析

李广波，宁建国，肖志民，顾清恒，李建政，王　俊

(山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590)



基于断层影响下的覆岩应力演化规律分析

李广波，宁建国，肖志民，顾清恒，李建政，王俊

(山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590)

[摘要]在断层影响下，覆岩的破断形式以及应力分布等都将发生变化。为分析断层对覆岩应力演化的影响，采用FLAC3D数值计算方法，以某矿的断层赋存特点为工程背景，模拟分析了下盘工作面向正断层推进过程中工作面超前支承压力与弹性应变能分布规律。研究结果表明：由于断层带的存在，阻隔了覆岩的应力传播。随着工作面逐渐接近断层，工作面超前支承压力与弹性应变能显著增高；断层处的应力与弹性应变能大量积聚，极易诱发冲击地压。该研究对相似地质条件下的煤层冲击地压的预测及防治起到指导作用。

[关键词]断层；冲击地压；超前支承压力；弹性应变能；数值模拟

[引用格式]李广波，宁建国，肖志民，等.基于断层影响下的覆岩应力演化规律分析[J].煤矿开采，2015，20(6)：15-18.

岩体中含有断层、节理等不连续结构面，其在外力作用下处于平衡状态。在煤层开采掘进的过程中，破坏了原有的平衡状态，导致覆岩运动、应力集中，进而诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等矿山动力灾害[1-2]。断层处存在很高的构造应力，当工作面向断层推进时，断层的构造应力与工作面超前支承压力叠加，形成高应力集中，当应力集中超过极限时，就可能引发断层附近的冲击地压。断层的存在严重影响了井下工作面的正常布置，可能导致断层活化[3-4]。国内外学者对断层失稳以及致灾机理开展了大量研究。潘一山[5]等将冲击地压的类型分为煤体压缩型、顶板断裂型和断层错动3种，并分别研究其发生机理，提出相应的治理措施。姜耀东[6]等通过再现断层活化和煤体失稳的过程，研究了采动影响下覆岩的运动规律。贾艳武[7]等建立了逆断层的数值模型，研究了不同断层倾角条件下的工作面超前支承压力与弹性能分布规律。以往的研究仅是对理论或震后造成的灾害进行分析，实际经验较多，但对于断层处发生冲击地压的应力与能量演化规律还不清楚。

本文将针对以上不足，在现有研究的基础上，对正断层下盘工作面向断层推进状态进行了数值模拟，研究断层影响下工作面超前支承压力与弹性能的演化规律。

1工作面概况

1310工作面位于3下煤层，煤层厚度约2.3~3.5m，赋存稳定，倾角3~4°。该区域煤层赋存较为稳定，结构简单,在开采范围内煤层平均厚度为3.2m；局部地段有伪顶，岩性为泥岩或泥质粉砂岩，厚约0~2m，最大约10m；受冲刷影响，局部地段煤层变薄甚至缺失[8]。该面走向长度730~750m，倾向长度为170m左右，埋深800m。该工作面穿过落差为6m，倾角为60°的正断层。

2模型的建立

在前人研究的基础上，结合某矿的地质赋存条件，建立了正断层与工作面的数值计算模型，模型尺寸为200m×300m×100m，如图1所示。计算采用摩尔-库伦准则。

图1　断层计算三维模型

边界条件为：模型Z方向上部为自由面，施加19.6MPa的均布荷载模拟上覆岩层的自重荷载，模拟埋深800m，Z方向底面限制垂直方向位移，X，Y方向限制水平移动。工作面布置在正断层下盘中，沿X轴负方向推进，分步开挖10m，20m，30m，40m，50m，60m，70m和80m逐步向断层推进，考察工作面在推进过程中对断层活化的影响规律。模型中岩层采用的力学参数见表1。

表1　模型中岩层属性参数取值

现今断层大多为非活动断裂，经过漫长的地质年代，由于松弛效应，储存在岩体内的构造应力随之减少。在数值模拟中未考虑断层附近残余构造应力的影响，数值模型围岩应力为静水应力状态，通过在模型中添加断层带，模拟断层活化对工作面前方以及断层处的支承压力、能量场变化规律，揭示正断层下盘开采对冲击地压的作用机制。

3工作面距断层不同距离的应力演化规律

3.1工作面前方应力分布规律

下盘工作面推进至断层80m,40m,10m时，围岩垂直应力分布如图2所示。断层的切割使覆岩呈V形分布，工作面与断层之间的垂直应力低于工作面侧向垂直应力。断层处于张裂及剪切状态，断层带附近垂直应力低，两侧应力存在明显的差异，说明断层的存在阻隔了覆岩的应力传播[9]。

图2　下盘工作面推进至正断层不同距离的垂直应力分布

在工作面前方布置测点。随工作面推进，分析工作面距断层不同位置时，断层对工作面超前支承压力峰值分布及应力集中系数的影响，见图3。

图3　工作面前方支承压力峰值分布曲线

随着工作面不断推进，距断层距离越近时，工作面前方支承压力峰值将不断增加，导致前方应力集中系数也随之增高；工作面推进至距断层80m时，其前方支承压力峰值为55.54MPa，应力集中系数为2.80；当工作面推进至距断层40m时，其前方支承压力峰值为65.72MPa，应力集中系数为3.19；当工作面距断层10m时，此时相当于在断层前方留设10m的小煤柱，作用在煤壁前方支承应力峰值为76.81MPa，应力集中系数为3.57。

通过拟合，可得工作面超前支承压力峰值随着工作面与断层距离x的变化关系，如式(1)所示。由此可知，随着工作面逐渐接近断层，煤壁与断层的煤柱将逐渐减少，致使煤柱内形成了很高的应力梯度，从而大大增加冲击地压的危险程度。

σ=83.346-0.789x+0.0128x2-8.59×10-5x3

(1)

式中， σ为工作面前方支承应力峰值，MPa；x为 工作面距断层距离，m。

3.2断层处应力分布规律

随着工作面距离断层越近采动对断层活化的影响越明显，当工作面距断层距离分别为50m，40m，30m，20m，10m时，断层附近垂直应力值依次分别为24.31MPa，26.22MPa，28.86MPa，34.48MPa，38.19MPa，如图4所示。

图4　断层处垂直应力分布曲线

从图4可知，采动对断层的影响随着回采工作面距断层越近将越显著，且工作面距离断层越近断层附近垂直应力值将呈几何式增加。当回采工作面距断层距离大于70m时，采动引起的断层附近垂直应力增加的幅度较为平缓，此时是断层缓慢变形阶段，应力的缓慢增加恰是弹性能逐渐积聚的过程[10]；回采工作面从距断层70m处逐渐向断层推进时，断层开始活化，垂直应力梯度随着工作面距离断层越近将急剧增大。当推进到10m处，断层处垂直应力达到极限，可能出现断层滑移。

通过曲线拟合，可得断层附近垂直应力随工作面与断层距离x的变化关系，如式(2)所示。

(2)

式中，σ为断层附近垂直应力值，MPa；x为工作面距断层距离，m。

4工作面距断层不同距离的弹性应变能演化规律

4.1工作面前方弹性应变能分布规律

回采工作面距断层不同距离时煤壁前方弹性应变能密度峰值变化如图5所示，从图中可知煤壁前方的弹性应变能密度峰值随着工作面距断层位置越近而增大，且应变能密度梯度不断增加。

图5　工作面前方弹性应变能密度峰值分布曲线

通过曲线拟合，可得工作面走向弹性应变能密度峰值随工作面与断层距离x的变化关系，如式(3)所示。由此可知，工作面距断层距离的缩小致使煤壁与断层之间的煤柱积聚大量的弹性能，从而使其附近成为冲击地压发生的重点区域。

E=569098.48-8836.61x+124.52x2-0.75x3

(3)

式中，E为弹性应变能密度，kJ/m3；x为回采工作面距断层的距离，m。

4.2断层处弹性应变能分布规律

工作面采动对断层活化的影响和断层活化对工作面应力及弹性能的影响是相互制约、相互依存的。回采工作面向断层推进致使断层应力及弹性应变能开始增加，断层逐渐活化，如图6所示。

通过曲线拟合，可得断层附近弹性应变能密度随回采工作面距断层距离x的关系式，如式(4)所示。工作面距断层70m处继续向断层推进将使断层附近的弹性应变能急剧增加，从而使发生冲击地压的可能性大大增加。

E=8.05×105x-0.66703

(4)

式中，E为弹性应变能密度，kJ/m3；x为回采工作面距断层的距离，m。

5冲击地压的防治

5.1加强冲击地压预测预报

预测预报是冲击地压防治工作的重要组成部分，采取的方法主要包括钻屑法、微震法、声发射法以及电磁辐射法[11]。针对具体的矿井地质情况，可以多种方法综合使用，准确预报冲击地压可能发生的时间、地点以及大小。

5.2优化开采方案

合理的开采方案可以避免应力集中和叠加。在布置工作面时，应尽量避开断层，可以留保护煤柱以确保断层不会活化[12]。可以开采解放层，释放煤体中积聚的弹性能，消除应力集中区。

5.3卸压开采

加强对于冲击地压发生特征的观察，提前做好预防措施，对断层周边煤体和断层进行注水软化，钻孔卸压等。

6结论

(1)断层两侧应力存在明显的差异，说明断层的存在显著阻隔了覆岩的应力传播。

(2)下盘工作面向正断层推进时，由于断层的存在，在工作面与断层之间，采动应力逐渐增加，工作面前方垂直应力集中十分突出；进入小煤柱状态，采动应力显著增加，冲击危险性较大，是冲击地压、煤与瓦斯突出、巷道破坏的重点区域，应加强监测与防治，提高巷道支护强度。

(3)以上研究只涉及到下盘工作面向正断层推进，当上盘工作面向正断层推进时，断层两侧采动应力演化规律可能不同，应科学划分冲击危险区与危险程度。

[参考文献]

[1]齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术 [M].北京: 中国矿业大学出版社,2008.

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[3]李志华，窦林名，牟宗龙，等.断层对顶板型冲击矿压的影响[J].采矿与安全工程学报，2008，25(2)：154-158，163.

[4]陈法兵，毛德兵.工作面回采与断层活化的相互影响分析[J].煤矿开采，2012，17(1)：15-20，11.

[5]潘一山,土来贵,章梦涛.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.

[6]姜耀东,王涛,陈涛，等.“两硬”条件正断层影响下的冲击地压发生规律研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(S2):3712-3718.

[7]贾艳武,付巍.深部逆断层倾角对煤岩冲击失稳作用的数值模拟[J].煤矿安全,2015，46(3):171-174.

[8]冯超臣，黄文峰.郭屯煤矿主采煤层导水裂隙带探测研究[J].煤矿现代化，2015(1)：38-40.

[9]蒋金泉,武泉林,曲华.硬厚岩层下逆断层采动应力演化与断层活化特征[J].煤炭学报,2015(02):267-277.

[10]王涛.断层活化诱发煤岩冲击失稳的机理研究[D].北京：中国矿业大学(北京)，2012.

[11]谭云亮，宁建国，顾士坦，等.矿山压力与岩层控制[M].北京:煤炭工业出版社,2011.

[12]毛德兵,陈法兵.采动影响下断层活化规律及其诱发冲击地压的防治[J].煤矿开采,2013,18(1):73-76，65.

[责任编辑：于健浩]

Analysis of Stress Evolution Law of Overburden Strata Based on the Influence of Fault

LI Guang-bo，NING Jian-guo，XIAO Zhi-min，GU Qing-heng，LI Jian-zheng，WANG Jun

(College of Mining and Safety Engineering,Shandong Univrsity of Science and technology, Qingdao 266590, China )

Abstract：Under the influence of fault，forms and the stress distribution of the overburden rock will change.To analyze the effect of fault on the stress evolution law of coal face with FLAC3Dnumerical calculation method，the fault occurrence characteristics of a mine as engineering background，the simulation analysis of the footwall face normal fault efforts to promote the advance abutment pressure and the elastic strain energy in the process of distribution.The results show that the fault block of strata stress significantly. As working face close to the fault，advance abutment pressure and the elastic strain energy increased significantly;vertical stress and elastic strain energy accumulation near the fault，easy to induce impact ground pressure.The study of similar geological conditions of the prediction and prevention of percussive ground pressure of coal seam play a guiding role.

Key words：fault; rock burst; lead abutment pressure; elastic energy; numerical simulation

[作者简介]李广波(1989-)，男，山东烟台人，在读硕士研究生，从事采矿及矿山压力与岩层控制研究。

通讯作者：宁建国(1975-)，男，山东宁阳人，副教授，博士。

[基金项目]国家自然科学基金项目(51274133)；高等学校博士学科点专项科研基金(20123718110013)；山东省自然科学基金重点项目(ZR2012EEZ002)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.004

[收稿日期]2015-5-11

[中图分类号]TD322

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)06-0015-04