地堑状断层组影响下采动主应力偏转规律研究

张文忠

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司水文地质研究所， 陕西 西安 710054；2. 西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054)

断层是地壳中广泛发育的构造之一，常成群发育，组合方式多变。我国华北东部煤矿多以断层为其构造特征[1]，断层成群发育，常以地堑等形式出现。例如淮南矿区刘庄煤矿，井田内断层共计406条，较大断层常有分支，分支断层成群发育，与较大断层组合成地堑等形式[2]， 导致工作面回采受到严重的水害威胁。断层组的存在不仅威胁矿井日常生产安全[3-4]，且曾造成了多次透水事故，例如肥城煤田扬庄矿9101回风巷探巷迎头遇到2个断层组成的断层组，叠加落差26m，造成滞后透水4 409m3/h，矿井被淹[5]。兖州矿区东滩煤矿4308工作面顶板存在1个断层组，致使导水裂隙带导通侏罗系上统蒙阴组砂岩含水层，发生滞后透水[6]。

目前越来越多的科研人员注意到不同组合断层组对突水的影响，文献[7]建立了15个数值模型，通过对断层倾角为30°、45°、60°、90°、单条断层、两条断层情况进行对比分析，指出两条断层对底板的影响并不是简单的叠加关系。文献[8]将工作面底板岩层垂向应力划分为5个区，从理论方面分析了采动引起的矿山压力对断层面剪切应力和拉应力的影响规律，得出了断层面剪切应力和拉应力变化的影响因素。文献[9]研究了断层倾角对断层面上剪切应力、法向应力及断层活化的影响规律，分析了不同倾角的正断层在采动影响下底板的裂隙分布、渗流特征及底板涌水量变化特征。文献[10]提出采场断层活化是以断裂面性质由压性断裂转变为张性断裂或扭性断裂为标志。文献[11]指出断层的破坏形式与断层倾角有很大关系，随着断层倾角的增大，越容易活化。文献[12]发现 相同开采强度下，地垒构造形式下底板破坏幅度小，地堑构造形式下底板破坏幅度较大。文献[13]得出了过断层组起坡坡度和最短对接距离公式，确定了过断层组关键技术参数，提出了施工方案并优化了支护参数。此外，文献[14]研究了脆性断层的活化过程，指出断层“扰动阶段”为80～300m，“局部激活阶段”约为30～100m，“整体激活阶段”约为30m。文献[15]推导了计算底板峰值应力线与断层交叉点的距离计算公式，得出基于开采深度、煤层倾角、工作面倾角和煤层普氏系数的断层防水煤柱计算公式。文献[16]对大坪煤矿发生大型煤岩突出的破坏部位进行了分析，计算了断层附近岩体破裂前后的释放能量(1.075 7×109J)。

综上所述，以往相关研究很少涉及采场最大主应力偏转对地堑状断层组活化的影响规律研究，因此本文针对开采扰动下地堑状断层组最大主应力场的偏转进行研究，采用数值计算分析的方法分析不同位置的监测点最大主应力方向的变化对剪应力及剪应力增量的影响情况，进而分析最大主应力方向偏转对地堑状断层组活化的影响规律。

1 地堑状断层组采动主应力偏转规律

1.1 数值计算模型建立

以淮南矿区刘庄煤矿为例，该矿井田中部F19断层组，即F19与F19-7断层在井田中部形成“地堑”，其中F19断层为主断层，F19-7断层为其分支断层。根据该矿开采设计，地堑内设计有一采宽150m的工作面，本文通过数值仿真模拟手段研究该工作面开采时地堑状断层组的活化情况。

根据该矿地质条件，地堑内设计可采煤层为5煤层，5煤位于含煤段地层中下部，煤厚0～11.05m，平均厚度5.38m。F19断层倾角72°，落差160m，延伸长度大于6.4km；F19-7断层倾角55°，落差36m，延伸长度大于1.3km。F19断层次生裂隙带宽度最大为5.7m，平均为3.56m。F19-7断层次生裂隙带宽度根据现场压水试验测试结果，宽度为1.2m。

以刘庄煤矿F19断层组构成“地堑”为主要研究对象，采用FLAC3D建立三维数值计算模型如图1所示，分析地堑内工作面回采扰动下，F19断层及其分支断层F19-7附近应力场的变化规律，研究地堑状断层组的采动活化规律。三维数值计算模型参数设定如表1所示。

图1 地堑型断层组数值计算模型

表1 计算采用力学参数

根据模拟对象的尺寸，并考虑计算需要，使主要研究区域处于边界效应影响的范围外，以消除边界效应的影响，数值计算模型尺寸为：宽×厚×高=600m×500m×131m，工作面推进方向为X轴正方向，应变模式采用大应变变形模式，模型底部限制垂直位移，模型前后和侧面限制水平位移。整个模型由571 500个单元组成，包括599 168个节点。采用Mohr-Coulomb准则。

1.2 主应力偏转规律

模拟结果如图2所示，该图长剪头方向即为工作面围岩最大主应力方向，由图2可知，主应力向地堑状断层组的上盘方向发生偏转，由于主应力发生一定的偏转后，主应力方向指向趋向地堑状断层组的断层面，断层面上垂向应力相应增大，相当于增加了断层面的摩擦阻力，相当于在一定程度上降低了断层面发生剪切破坏的危险性。

图2 地堑结构内区域主应力场偏转

将图2进行局部放大，即可看到F19断层附近主应力方向偏转情况(见图3)和F19-7断层附近主应力方向偏转情况(见图4)。数值模型中，在工作面前方煤壁(F19断层附近)布置监测点A1、A2和A3；在工作面上方断层附近，布设监测点B1、B2和B3；在底板断层附近，布设监测点C1、C2和C3。

图3 F19断层附近主应力方向发生偏转

图4 F19断层附近最大主应力方向偏转情况

表2 F19断层监测点最大主应力方向

由图4和表2可知，位于A1与A3点之间的A2点的最大主应力方向与垂向夹角为30°26′20″，相对于A1点偏转角度达到22°54′58″，相对于A1与A3点的平均值9°36′55″，偏转角度达到20°49′25″； 位于B1与B3点之间的B2点的最大主应力方向与垂向夹角为32°38′41″， 相对于B1点偏转角度达到29°20′10″， 相对于B1与B3点的平均值6°47′37″，偏转角度达到25°51′4″； C1点的最大主应力方向与垂向夹角为-10°20′1″， C3点的最大主应力方向与垂向夹角为10°3′1″， 位于C1与C3点之间的C2点的最大主应力方向与垂向夹角为26°18′53″，相对于C1点偏转角度达到36°38′54″，相对于C1与C3点的平均值0°8′30″，偏转角度达到26°27′23″。根据上述数据可知，位于断层面内的A2、B2、C2点与断层上盘、下盘监测点相比，最大主应力方向均发生了较大的偏转，偏转趋势为垂直断层面方向。

图5 F19-7断层附近主应力方向偏转情况

工作面前方煤壁(F19-7断层附近)处布置监测点为E1、E2和E3；在工作面上方断层附近，布设监测点为F1、F2和F3；在底板断层附近，布设监测点为G1、G2和G3。监测点最大主应力变化情况如图6所示，监测点最大主应力方向偏转角度如表3所示。

图6 F19-7断层附近最大主应力方向变化情况

由图6可知，位于E1与E3点之间的E2点的最大主应力方向与垂向夹角为21°10′37″，相对于E1点偏转角度达到13°22′22″，相对于E1与E3点的平均值10°21′55″，偏转角度达到10°48′42″。

表3 F19-7断层监测点最大主应力方向

由表3可知位于F1与F3点之间的F2点的最大主应力方向与垂向夹角为11°19′53″，相对于F1点偏转角度达到11°19′53″，相对于F1与F3点的平均值2°35′50″，偏转角度达到8°44′3″；位于G1与G3点之间的G2点的最大主应力方向与垂向夹角为15°39′32″，相对于G1点偏转角度达到38°41′32″，相对于G1与G3点的平均值-11°46′3″，偏转角度达到27°25′35″。

根据F19-7断层监测点数据可知，位于断层面内的E2、F2、G2点与断层上盘、下盘监测点相比，最大主应力方向均发生了较大的偏转，偏转趋势为垂直断层面方向。

对比地堑状断层组中F19断层和F19-7断层面内的最大主应力方向偏转情况发现，F19断层监测点的最大主应力偏转角度相对较大。

2 主应力偏转对断层活化的影响

地堑状断层组活化的过程较为复杂，其于断层组附近采动应力的关系密切，其活化失稳往往以压剪破坏为主，为了分析断层组受力状况，选取过断层面的单元体作为分析对象，以该单元体受到的主应力方向为轴，沿着断层面进行应力分解，可知断层面的法向正应力和平行于断层面的剪应力[17]

σ=σ1cos2β+σ3sin2β

(1)

(2)

式中：σ1和σ3为单元体承受的最大和最小主应力，β为最大主应力与断层面的夹角。

由式(2)此可知，当最大主应力方向与断层面方向交角为45°时，断层面所受的剪应力最大。由于工作面回采是一个动态过程，剪应力增量的大小是影响断层活化的一个关键因素，为了研究主应力方向偏转对断层组剪应力增量的影响规律，假设最大主应力与最小主应力之差为常数，对式(2)求导可得

τ′=cos2β(σ3-σ1)

(3)

基于此，可得出主应力方向偏转对断层面剪应力和剪应力增量的影响规律(见图7和图8)。

图7 最大主应力方向与断层面剪应力分布规律

图8 最大主应力方向与断层面剪应力增量分布

由图7可知，当β在45°～90°之间变动时，随着最大主应力方向与断层面方向交角增大，剪应力减量随着角度的增大而减少。

由式(3)可知，当β在0°～45°之间变动时，随着最大主应力方向与断层面方向交角变小，剪应力增量越来越大。因此，当工作面底板存在强含水层，最大主应力与断层面交角在45°左右时，断层所受的剪应力增大，最易发生断层活化突水。

当断层面与最大主应力近似垂直或平行时，断层所受剪应力减少，但随着主应力偏转，断层面剪应力增量增大。由此可知，位于地堑状F19断层组内的工作面回采时，断层面最大主应力方向偏转方向趋向垂直断层面方向，断层面所受剪应力和剪应力增量逐渐最小，因此发生采动突水的几率降低。

3 结论

(1)地堑状断层组内工作面回采时，工作面围岩内的主应力方向发生偏转，偏转方向趋向垂直断层面。

(2)根据主应力方向监测点数据，位于地堑状断层面内的监测点数据与断层组上盘、下盘监测点数据相比，断层面内的主应力方向偏转角度相对较大，断层面内监测点最大偏转角度达到27°25′35″。

(3)主应力方向与断层面交角在45°左右时，断层所受的剪应力增量最小，剪应力相对较大。刘庄矿位于地堑状F19断层组内的工作面回采时，断层面内的主应力偏转方向趋向垂直断层面方向，断层面所受剪应力和剪应力增量逐渐减少，从采动应力角度，可知地堑状F19断层组发生活化突水的几率相对较低。