地质断层倾角对活化及突水开采安全的影响分析

2022-04-02陈玉娇

山西冶金 2022年1期

陈玉娇

（晋能控股煤业集团云冈矿，山西大同 037017）

我国地下煤炭资源丰富，在煤层的地下开采过程中易受到多种动力灾害的影响，对煤矿的安全生产产生较大的威胁。断层作为不同于完整岩体的特殊介质，广泛存在于煤矿地质中，断层的存在使得矿井对动力灾害更加敏感，容易引发断层的活化及突水等安全事故。断层是影响煤层开采的重要的地质因素，对于矿井的布置及开采工艺都具有重要影响[1]。在矿井巷道掘进过程中，当掘进到断层的影响带时，容易造成较大的围岩变形，使得巷道的支护更加复杂，并且易造成围岩应力的变化，从而影响顶底板的矿压分布及稳定性，这将不利于矿井的开采。不同的断层倾角对开采时应力变化的影响不同，因而对断层的活化及突水等事故产生的影响也不同[2]。采用有限元分析的方式，分析了不同断层倾角对开采过程中的应力分布影响，从而依据地质条件的不同，确定合理的开采工艺，保证煤矿的安全生产。

1 断层倾角模拟数值模型的建立

将有限元分析应用于岩体的数值模拟中的方式属于微分分析方法，采用FLAC3D软件进行三维岩土的分析，具有良好的前处理功能，并且包含三维网格自动生成器，可提供多种材料模型，也可以真实模拟材料的力学行为。采用FLAC3D进行断面倾角的作用分析时，建立岩层的三维模型，将断面做成弱面，因其力学性质相对周边岩体要弱，因此采用塑性较强的岩层代替[3]。

建立岩层三维模型大小为600 m×60 m×200 m（长×宽×高），位于地下400 m 的岩层中，模型的底部应力为15 MPa，水平方向的构造应力为20 MPa，计算模型采用摩尔-库伦弹塑性模型，对模型的底部进行固定约束，四周施加水平构造应力20 MPa，顶部自由约束，并设定10 MPa 的重力载荷[4]。针对断层倾角，选取25°、35°、45°、55°、65°、75°不同的数值，依据岩层的分布，设定岩层的物理参数，建立岩层的断层倾角模型如图1 所示（断层倾角为35°），由此对断层倾角的影响作用进行仿真模拟。

图1 断层倾角模拟数值模型

2 断层倾角对活化及突水影响作用分析

2.1 断层倾角对开采断层面的应力作用分析

断层的活化过程实质上是岩层经开采作用后沿着断层面产生一定的剪切滑移的过程，其破坏作用符合岩层的压剪破坏。因此，对不同的断层倾角、断层面的剪应力及法向应力进行分析，即可确定其对断层活化的影响[5]。依据建立的不同断层倾角的模型进行仿真分析，得到不同断层面上的剪应力及法向应力，其分布如图2 所示。

图2 断层面应力分布曲线

从图2 中可以看出，断层倾角越大时，断层面上的剪切力正负交替变化越大，当断层倾角为75°，深度在12 m 以下时，断层面上的剪应力为-0.55～0MPa，深度扩大至73 m 时，断层面上的剪应力为0～1.32 MPa，深度继续扩大至145 m 时，断层面上的剪应力为-4.36～0 MPa，深度增加至200 m 时，剪应力则回归正值；随着断层倾角的增加，剪应力变化逐渐增加，且剪应力的最大值也逐渐提升，随着深度的增加，剪应力呈现增加的趋势。同时，随着断层倾角的增加，断层面上的法向应力呈现整体增加的趋势。对比图2 中两个方向的应力变化可以看出，在深度范围0～52 m 及155～200 m 时，剪应力和法向应力整体的变化趋势较为平稳，在52～155 m 范围时，剪应力和法向应力变化最为剧烈。造成这一现象的原因是在煤层深度72～80 m 处，由于煤层的开挖造成了断面的活化，使得断层面上的剪应力和法向应力发生变化，通过分析应力变化的强度来明确断层活化的范围。由此可知，煤层出在72～80 m 位置处时，断层的活化范围为52～155 m，煤层经开采作用后，在开挖处深断层面的活化范围要远大于浅断层面的活化范围。

2.2 断层倾角对开采断层活化及突水作用分析

煤层的开采造成了采空区和断层的活化，在工作面的下方会产生导水裂隙，当底板的位置存在承压水时，其会沿着断层活化带导通至底板的采空区，使承压水经裂隙带而涌入工作面，造成底板的突水事故。同时，承压水对断层的破碎带具有腐蚀、弱化的作用[6]，加剧了断层面的破坏作用。对不同断层倾角下顶底板塑性区域的变形进行分析，如图3 所示为25°倾角时的底板破坏分布图，图4 所示为75°倾角时的底板破坏分布图。