采动下断层岩体响应演化及顶板安全控制研究

郭崇秀

(交口县防震减灾中心，山西 交口 032400)

组成地壳的岩层或岩体因地壳的运动而产生断裂面，沿断裂面两侧岩层或岩体发生显著相对位移，称为断层[1]。断层在形成中经历复杂的运动过程，推拉、扭转、研磨、错动使得两盘岩体异常破碎，后断层岩体趋于稳定直至采动作用下活化，对采场围岩稳定性有显著的影响[2-3]。由于断层岩体中节理裂隙赋存极其复杂且产生显著劣化效应，采动下断层活化程度及断层岩体响应规律不清，断层影响区成为事故多发区域[4]。弄清采动引起断层岩体活化机制和响应规律，可对断层区事故隐患超前预警，采取合理的防治措施。相关专家学者分析了断层形成过程、应力及变形规律，研究了采动下断层活化失稳的影响因素和能量条件等。由于断层发育的不规则、断层和工作面复杂相互作用，断层区围岩控制成为研究难点[5]。

本文以大庄煤矿3802工作面回采期间过断层为研究对象，采用理论分析和数值模拟的方法，研究采动下断层岩体活化响应力学机制，分析不同推进距离下断层两盘岩体的应力及变形演化规律，提出采动下断层岩体结构力学模型、活化机理和应力演化规律、控制原则和技术，实现了工作面安全通过断层影响区。

1 采动下断层岩体响应力学机制

断层的存在破坏了岩体连续性和完整性，阻断采场应力向前方传递，破坏顶板破断垮落的一般规律。建立采动与断层相互作用结构力学模型，如图1所示。受采动影响以前，断层煤岩体主要承受静载应力，为上覆岩层自重载荷。采动超前支承压力应力向前方传递，到断层处受阻形成能量积聚，动静应力叠加形成高应力区。应力场的广泛调整、能量的大量积聚，将必然引起断层解锁活化，发生显著滑移失稳。

图1 采动与断层相互作用结构模型

取断层切割顶板分析，建立临近断层顶板破断力学模型，如图2所示。工作面垂直断层走向推进，顶板破断受断层影响，可视为三边固支、一边剪支的薄板，破断形成O-X结构。

对图2顶板受力分析，得到顶板破断极限载荷P及破断距x[6]：

(1)

式中：P为顶板破断极限载荷，即顶板受断层面约束力，N；M为顶板极限弯矩，N·m；x为顶板破断最大变形点与短边距离，m；a、b分别为破断顶板的长边和短边，m；δ为断层倾角，°；p为顶板上均布载荷，N.

断层A、B盘相互约束，以断层面为铰接点、连续梁模型来计算断层张开位移：

(2)

式中：γC-A、γC-B分别为A、B盘在断层处挠度，m；k1为A、B盘长度之比；EI为顶板抗弯刚度，N/m.

由γC-A=γC-B得到断层面约束力[7]：

(3)

考虑顶板见方破断，将a=b代入公式(1)、公式(2)、公式(3)，得到：

xC-A=k1a=0.35b

xC-B=(1-k1)a=0.65b

PC-A=28.28MP/b2

PC-B=41.33MP/b2

分析可知：

1) 当0

2) 当PC-B>PC-A时，工作面回采时上盘对顶板约束力更大，下盘开采时采动对断层影响更大。

3)k1值越小，工作面顶板悬顶越长，断层的张开位移越大，断层面处将发生剪断和相互错动破坏，即断层岩体做出活化响应。

2 采动下断层岩体应力及变形的演化规律

以柳林大庄煤矿3802工作面为研究对象，采用UDEC模拟软件研究不同回采距离下断层煤岩体应力和破坏演化规律。

该工作面主采3号煤，平均厚度4 m，埋深500 m，工作面走向长度900 m、倾向长度200 m.煤层上方直接顶缺失，基本顶为平均厚度14.7 m的中砂岩及细砂岩，SF431正断层贯穿3802综放工作面，断层角度70°，落差为10 m.模型长×高=200 m×90 m(图3).模拟分析工作面从断层上盘向断层推进时，距SF431断层16 m、8 m、0 m及通过断层8 m时煤岩体应力和变形变化规律。

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图3 采动断层响应模拟模型

2.1 采动下断层岩体活化特征

模型运算后得到不同回采距离断层岩体活化特征，如图4所示。

当工作面推进到距断层面16 m和8 m时，采空区出现大范围顶板断裂垮落，煤层上方基本顶中细砂岩出现大量竖向裂缝及裂缝贯通扩张；平行断层面岩体有少量裂隙开始扩展张开，减少了上下盘岩体之间摩擦力，使其有相互错动，表现出明显的活化现象，如图4(a)和图4(b)所示。

图4 工作面不同距离时断层岩体活化特征

当工作面推进断层面上盘时，下盘煤层基本顶直至高位上覆岩层大范围岩体出现竖向裂缝的扩展贯通，如图4(c)所示。断层面处覆岩裂隙充分张开，断层上、下盘之间由“黏接”状态转化为“断开”状态，断层下盘沿断层面拉伸下沉，两盘出现显著相对移动，已经完全活化，断层活化失稳使得工作面容易发生顶板台阶下沉。

当工作面推过断层面，完全进入断层下盘时(8 m)，上盘岩体沿着断层面大幅滑动失稳趋于稳定，由于断层面进一步拉裂和错动，阻碍了应力和位移向下盘传递，煤壁前方岩体中压力减小，顶板垮落高度减小，如图4(d)所示。考虑下盘基本顶悬顶较长之后发生回转变形破断的影响，顶板出现强烈来压。

2.2 采动下断层岩体应力变化

工作面推进至距离断层不同距离，监测煤体超前支承压力，得到应力变化如图5所示。

由图5分析可知，工作面距离断层越近，煤体中超前支承压力越大，应力集中系数越大；当工作面距离断层40 m时，应力集中系数为1.8，距离断层10 m时，应力集中系数达到2.3，应力峰值达到30.2 MPa.

图5 工作面与断层不同距离时应力变化

这是因为活化以前断层的不连续特性极大阻碍了应力及顶板变形的传递，能量通过煤体向断层岩体积聚。距离断层越近，采动顶板变形和能量在断层大量积聚，满足断层两盘发生相对错动的能量条件，断层岩体处于活化的临界状态。

3 工作面过断层区顶板安全控制原则和技术

采用“割顶留底”的方法通过工作面断层区域，正断层上盘侧留底煤，下盘破底。选定推进俯角不大于15°，在距断层面15 m处开始过断层，工作面每硐推进0.8 m，计算可以得出平均每硐提刀幅度179～277 mm.

1) 对于上盘煤岩体赋存区域，通过爆破形成断层通道，采用控制推进速度、加强支护、破碎区注浆实现上盘围岩控制，防止工作面顶板大面积台阶下沉和部分破碎顶板冒顶。

2) 对于下盘煤岩体赋存区域，通过爆破形成断层通道，采用降低采高、铺金属网加强支护、破碎区注浆实现下盘围岩控制，防止松散破碎顶板漏冒失稳。

根据提出的断层围岩控制原则和技术，大庄煤矿3802工作面回采期间共揭露断层21条，其中于2021年3月5日到3月27日成功通过落差10 m的SF431断层，产生显著经济效益。

与搬家重开切眼工艺相比较，直接通过断层：①少掘搬家通道，节省巷道掘进维护费用：120 m×0.8万元/m=96万元；②回收断层保护煤柱，断层两侧各留设20 m保护煤柱，直接通过断层按20%回收率，吨煤价格650元计算：45 760 t×20%×650元=594.88万元。

4 结 语

1) 采动变形和应力传递并在断层区积聚，动静载叠加满足断层岩体活化的临界能量条件，出现两盘相互错动的活化响应。

2) 工作面离断层距离减小，断层岩体受压转为受拉，裂缝发育贯通并平行断层面张开，上下盘岩体摩擦力减少，基本顶块体不易形成稳定结构而发生台阶下沉失稳。

3) 提出直接通过断层上下盘分区域控制方法和原则，通过降低采高、控制推进速度、加强支护、破碎区注浆实现控制，现场工作面成功通过断层，取得显著经济效益。