倾角对断层活化应力演化规律的计算机模拟研究

钟志群

(内江职业技术学院 电气电子工程系，四川 内江 641100)

倾角对断层活化应力演化规律的计算机模拟研究

钟志群

(内江职业技术学院 电气电子工程系，四川 内江 641100)

以某煤矿F2正断层的地质资料为依据，运用计算机数值模拟软件FLAC3D5.0对正断层在两盘工作面开采过程中断层带的应力变化、孔隙压力演化规律及围岩的孔隙压力进行研究，揭示了断层倾角对正断层的影响。研究结果表明：正断层在工作面开采之初断层带正应力变化不大，工作面开采至距断层35m位置时，断层带正应力快速增加，断层倾角越大，断层带正应力越大；不同断层倾角下，随工作面推进，断层带孔隙压力先缓慢增加，而后工作面距断层35m时，断层带孔隙压力迅速增加，工作面距断层相同距离时，倾角越大，断层带孔隙压力越大；正断层围岩的孔隙压力与断层倾角成正比，倾角越大，孔隙压力也越大。因此，在实际生产中需针对断层的性质，考虑断层倾角的影响，有根据地对断层保护煤柱进行留设，在保证安全的前提下，提高经济效益。

断层倾角；正断层；应力；计算机模拟；孔隙压力

StudyofSimulationofInclineAngletoFaultReactivitionandStressDistribution

煤炭作为重要的化石能源，在我国一次能源消费中所占比例始终居高不下，随着浅部煤炭资源的日趋减少，我国的煤矿逐步转向深部开采，深部开采面临的环境较为复杂，容易发生各种各样的事故，其中煤矿突水事故近年来始终频发[1-5]。造成煤矿突水的因素有很多，但资料显示，断层是造成突水事故频发的主要原因之一[6]。工作面的开采容易引起断层附近的应力场发生改变，加之与采动产生的应力发生叠加，从而诱发断层发生活化，引发突水事故[7-11]。影响断层活化造成突水的原因较多，断层倾角是主要的原因之一[12-16]，本文通过模拟不同断层倾角下工作面开采对正断层活化的影响，对正断层的活化特性及机理进行研究，找出断层倾角对正断层的影响，从而有针对性地为正断层保护煤柱的留设提供依据。

1 工程地质条件分析

本次模拟的某煤矿位于淮北煤田，主要研究的断层为F2正断层，其贯穿1031，1033工作面，在矿区内走向长度为2000m，倾角60～70°，落差0～60m，各工作面布置如图1所示。

图1 1031，1033工作机机、风两巷实揭F2断层工程平面

2 构建模型

本次计算根据实际情况设置模型，模型的X轴、Y轴分别为工作面的回采方向、倾斜方向，模型的Z轴为竖直方向，正断层模型尺寸为250m×30m×144m，将断层带内的网格进行加密处理(图2)，并布置测点，测点布置如图3所示。

图2 正断层模型网格划分

图3 模型应力及孔压监测点布置

本文计算选取摩尔-库伦准则对岩体的破坏进行判断。

式中，σ1，σ3分别为最大、最小主应力；φ为摩擦角；c为黏聚力。

依据正断层的实际地质资料同时考虑岩石的尺度效应，本次模拟计算的主要岩层的物理力学参数见表1。

表1 主要岩层的物理力学参数

3 计算方案

对F2正断层断层倾角分别为40°，50°，60°，70°时，两盘工作面依次开采对断层活化的影响进行研究。

4 计算结果分析

4.1 断层倾角不同对断层带应力的影响

图4、图5为不同断层倾角下，两盘煤层依次开采时，正断层的应力分布图。从图4中可以看出，工作面在开采之初断层带正应力变化较小，应力增加较为缓慢，增加幅度较小，倾角40°，1033工作面推进40m、倾角50°，工作面推进50m，倾角60°，工作面推进60m、倾角70°，工作面推进70m，即工作面均距断层35m位置时，断层带正应力呈现快速增加趋势，说明此时断层具备了活化迹象，而后随工作面推进，断层带正应力继续增加，因此建议工作面煤柱留设35m。由图5可知，随工作面推进，断层带正应力呈现先缓慢增加后迅速增加的趋势，工作面距断层相同距离时，倾角越大，断层带正应力越大。

图4 不同倾角下下盘1033工作面开采时断层的应力

图5 不同倾角下上盘1034工作面开采时断层的应力

4.2 断层倾角不同对断层带孔隙压力的影响

图6、图7给出了断层倾角分别为40°，50°，60°，70°时，1033，1034两工作面开采时断层带的孔隙压力图。由图6可知，倾角40°，1033工作面推进40m，倾角50°，工作面推进50m，倾角60°，工作面推进60m，倾角70°，工作面推进70m，即1033工作面均距断层35m位置时，断层带孔隙压力呈现快速增加趋势，而后随工作面推进，断层带孔隙压力不断增大。由图7可知，不同断层倾角下，随工作面推进，断层带孔隙压力先缓慢增加，而后工作面距断层35m时，断层带孔隙压力迅速增加，工作面距断层相同距离时，倾角越大，断层带孔隙压力越大，相较于图6，1034工作面开采结束后断层带孔隙压力大于1033工作面开采结束后断层带的孔隙压力。

图6 不同倾角下下盘1033工作面开采时断层带孔隙压力

图7 不同倾角下上盘1034工作面开采时断层带孔隙压力

图8 不同倾角下下盘1033工作面围岩孔隙压力

4.3 断层倾角不同对正断层围岩孔隙压力的影响

图8、图9分别给出了不同断层倾角下1033，1034两工作面开采时围岩的孔隙压力图。由图8可知，断层倾角为40°，50°，60°，70°时，1033工作面距断层20m时，其孔隙压力分别为3.82，4.5，4.783，4.8MPa，断层倾角越大，孔隙压力越大，说明断层倾角与孔隙压力的大小成正相关关系。由图9可知，断层倾角为40°，50°，60°，70°时，1034工作面距断层20m时，其孔隙压力分别为4.159，4.28，4.32，4.747MPa，倾角越大，工作面煤柱的孔隙压力越大，说明正断层围岩的孔隙压力与断层倾角的大小成正比，断层倾角较大时，底板承压水更容易通过毛细作用沿断层裂隙进入断层带，更容易发生活化突水[17-18]。

5 工程实践

5.1 现场布置方案

为进一步验证模拟结论，验证煤柱留设35m的合理性，在1033工作面回风巷中布置钻孔应力计对工作面开采过程中F2断层保护煤柱的应力变化进行监测，为F2断层保护煤柱尺寸的留设提供依据。

在1033工作面回风巷F21测点附近沿工作面推进方向布置2个测站，第1测站布设4个钻孔，第2测站布设6个钻孔，每个钻孔内安设1个钻孔应力计。钻孔垂直巷帮施工，钻孔的深度均为5m，两测站内钻孔间距均为4m，钻孔距底板高度均为1.2m。钻孔应力计布设具体位置如图10，11所示。

图10 钻孔应力计布置平面示意

图11 巷道钻孔应力计布置剖面示意

5.2 监测结果分析

从图12中可以看出，工作面距F21测点分别为42.8，39，35.2，31.4m时，即工作面距A2，A3，A4，A5测点28m左右时，超前支承压力开始显现，工作面距F21测点分别为26，21.8，18.2，14m时，即工作面距各测点9m左右时，超前支承压力达到峰值，而后随工作面继续推进，超前支承压力开始回落，并逐步趋向原岩应力。

图12 第1测站应力-距离曲线

图13 第2测站应力-距离曲线

根据第1测站结果，初步判定超前支承压力影响范围为32m左右，而后工作面继续开采，当工作面推过B5测点后，即断层保护煤柱留设32m时工作面停采。从图13中可以看出，工作面距F21测点分别为20.8，16.2，12.4，8，4.1，1.4m时，即工作面距B2，B3，B4，B5，B6，B7测点32m左右时，超前支承压力开始显现，工作面距F21测点分别为-2.4，-6，-10.2，-14.1，-18，-22.2m时，即工作面距各测点9m左右时，超前支承压力达到峰值，而后随工作面继续推进，超前支承压力开始回落，并逐步趋向原岩应力。第2测站与第1测站所得结果基本一致，可判定超前支承压力的影响范围为32m。同时可以发现，第1测站中超前支承压力峰值为3.6MPa左右，而第2测站中B7测点超前支承压力峰值为4.8MPa，较第1测站有明显的增加，这是因为断层带具有“屏障”的作用，第2测站中的各测点距断层带更近，因而在采动影响下，其超前支承压力峰值更大，除此之外，第2测站中距断层越近的测点其超前支承压力峰值越大，这也是由于断层带的“屏障”作用阻隔了应力传播所致。

由于现场监测得出工作面回采超前支承压力的影响范围为32m，因此，在保证安全的前提下，验证了计算机模拟中煤柱留设35m的合理性。

6 结 论

(1)数值模拟中正断层在工作面开采初期，断层带正应力变化不大，工作面开采至距断层35m时，断层带正应力呈现快速增加的趋势；断层倾角越大，断层带正应力越大，在工作面采动作用下断层更容易发生活化。

(2)不同断层倾角下，随工作面推进，断层带孔隙压力先缓慢增加，而后工作面距断层35m时，断层带孔隙压力迅速增加，工作面距断层相同距离时，倾角越大，断层带孔隙压力越大；相同倾角下，距断层相同距离时，上盘1034工作面围岩的孔隙压力大于下盘1033工作面。

(3)正断层围岩的孔隙压力与断层倾角成正比，倾角越大，孔隙压力也越大。因此，在工作面开采时，需对正断层的应力演化规律及围岩的孔隙压力的变化规律有所了解，实际生产中做好断层保护煤柱的留设工作。

(4)通过对两盘工作面依次回采过程中超前支承压力进行现场监测，得出超前支承压力的影响范围为32m，验证了煤柱留设35m的合理性。

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[责任编辑：潘俊锋]

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1006-6225(2017)05-0081-05

2017-06-07

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.021

钟志群(1977-)，女，四川内江人，讲师，研究方向为计算机应用及网络安全。

钟志群.倾角对断层活化应力演化规律的计算机模拟研究[J].煤矿开采，2017，22(5)：81-85.