逆断层区域煤体应力分布规律

周 睿

(1.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122； 3.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

0 引 言

我国煤炭开采地质条件复杂，煤岩体中常常存在不同类型和不同规模的褶曲、断层、节理、裂隙等地质构造[1-2]。这些地质构造的存在改变了煤岩体的原始应力状态，因此在研究煤岩体力学行为及其稳定性时，必须考虑地质构造的影响。逆断层作为一种常见的地质构造，在我国煤炭产区普遍存在[3]。由于受挤压应力形成的力学特点，导致逆断层影响区域内煤岩体的应力分布与无断层构造影响以及其他类型构造影响时的应力分布具有显著区别，并且逆断层常为封闭性断层，煤岩体应力变化和瓦斯积聚的特征易引发冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害，严重威胁煤矿安全生产[4-6]。因此，为实现逆断层区域煤层安全高效开采，进行逆断层区域煤体应力分布规律研究十分必要。

逆断层的规模、形态、区域应力环境、岩体的物理力学性质以及与逆断层的距离等均对逆断层区域的地应力分布造成不同程度影响[7-9]，对此很多学者采用实验室试验、现场测试、理论分析和数值模拟的方法对断层应力分布进行研究，其中康红普院士等[10]采用小孔径水压致裂地应力测量装置，对褶曲、断层等地质构造区域煤岩体应力进行了测试，得出断层等地质构造会引起地应力大小的改变，岩层弹性模量越大，承载应力越高；CARLSSON[11]研究瑞典Forsmark地区的地应力和地质构造时，发现逆断层会改变局部应力的方向；苏生瑞等[12]通过离散元数值模拟方法分析了断裂带内摩擦角、黏聚力、刚度和几何形态对断层附近应力场的影响，得出断层带内岩石的内摩擦角对断层附近应力方向的影响最大；王胜本等[13]分析总结了地应力方向与地质构造的关系，采用FLAC3D建立数值模型，分析了断层构造附近应力场分布、岩层位移特征、岩层破坏状况以及它们的变化规律，得出断层面附近应力远小于原岩应力；高孝巧等[14]应用Comsol有限元软件，模拟不同水平作用力、不同岩性、不同断层倾角和距断层面远近等因素影响下断层及其周边区域的应力、应变情况，得出构造裂缝的发育程度随施加的水平应力作用增大而线性增大；陈绍杰等[15]研制了煤系地层逆断层发育地质力学试验系统，研究逆断层发育过程及上盘岩层应力变形演化规律，得出断层落差主要取决于水平应力；雷光伟等[16]采用现场测量和图表分析等方法，研究了断层两侧节理平均迹长和中点面密度与距断层距离之间的变化规律，得出断层影响带宽度与断层长度之间服从幂函数形式。此外，很多的学者将研究重心集中在采动过程中煤体应力变化规律方面[17-19]，同时对逆断层活化以及逆断层稳定性进行了分析[19-21]。

目前对于逆断层区域煤体应力分布的研究已取得了一定的成果，但由于逆断层区域煤体应力特征较为复杂，仍需对煤体应力分布做进一步研究。因此，笔者以典型矿区为工程背景，采用数值模拟方法研究逆断层区域煤岩体应力分布规律，然后通过应力分析手段解释应力分布的原因，最后测试逆断层区域煤样微观特征来进行验证。

1 逆断层区域煤体应力分布模拟

为了分析逆断层区域煤体应力分布规律，采用FLAC3D数值模拟方法进行研究。选取贵州省新春煤矿作为试验矿井，煤矿位于贵州省桐梓县城以西，设计生产能力90万t/a，服务年限62 a。1503工作面位于矿井东南部，开采C5煤层，采深300～420 m，采煤方法为走向长壁采煤法。1503工作面回采区域存在F4逆断层，断层倾角60°，长度195 m，断距0～6 m，平均4 m。

1.1 模拟模型构建

建立三维计算FLAC3D数值模拟模型。模型长度350 m，倾向长度100 m，模型高度103 m，逆断层倾角60°，落差4 m。通过在逆断层上下盘中间添加Interface接触面模拟断层带，接触面采用库仑剪切模型，主要参数为法向刚度2 GN/m、剪切刚度4 GN/m、内摩擦角5°和黏聚力0.2 MPa。模型底面限制垂直方向移动，上部为自由面，在模型上部施加垂直应力，取为9 MPa，在逆断层上盘侧面沿煤层走向方向施加水平应力，且与垂直应力的比为1.5∶1。逆断层下盘的侧面限制沿煤层倾向、走向方向水平移动。建立的模拟模型如图1所示。

图1 数值模拟模型Fig.1 Numerical simulation model

在模拟过程中，选用应变软化模型模拟煤岩体峰后强度逐步降低的性质，并采用Mohr-Coulomb准则作为煤岩体材料的屈服判据。根据现场地质调研和相关岩石力学试验结果，模拟计算中煤岩体各项力学参数见表1。

表1 模拟中煤岩体力学参数Table 1 Rock property parameters

1.2 模拟结果分析

模拟得出逆断层区域煤岩体垂直应力和水平应力分布，具体如图2和图3所示。

图2 垂直应力分布Fig.2 Vertical stress distribution

图3 水平应力分布Fig.3 Horizontal stress distribution

通过图2垂直应力分布和图3水平应力分布可以看出，距离逆断层最近的区域存在一个应力降低区，煤体应力降低；然后随着与逆断层距离增加，应力升高，形成应力升高区，区域内煤体应力达到峰值；之后随与逆断层距离进一步增加，煤体应力又再次逐渐下降。整体表现出随着与逆断层距离减小，煤体应力先逐渐升高，然后降低的变化规律。

在逆断层上下盘距离逆断层100 m的区域布置应力监测点，测点间距10 m，得出煤体的应力分布曲线如图4所示。

图4 监测点应力Fig.4 Stress value of monitoring point

图4给出了监测点应力分布图，可以看出逆断层上盘距离逆断层100～80 m时，煤体应力相差不大，说明此区域煤体受逆断层影响较小；之后80～20 m，煤体垂直应力和水平应力逐渐升高，并在20 m位置达到峰值，其中垂直应力为15.65 MPa，水平应力为20.68 MPa；之后在10 m位置煤体应力出现了下降。逆断层下盘煤体应力分布与上盘基本相同，在距离逆断层20 m位置煤体应力达到峰值，10 m位置煤体应力出现了下降。即煤体应力分布并没有表现出逐渐增大或逐渐减小的单一规律，而是随着与逆断层距离减小，呈现出先增大后减小的规律。

2 逆断层区域煤体应力分布规律

建立逆断层区域煤体应力分析理论模型，从力学分析角度解释逆断层区域煤体呈现出随与逆断层距离减小，应力先增大后减小的原因。

2.1 逆断层区域煤体应力分析模型构建

逆断层构造的存在改变了原有煤体的力学特性，导致逆断层区域煤体应力分布与无逆断层构造具有一定差别。假定存在逆断层构造的煤岩地质体在煤层顶板上方受到上覆岩层垂直分布载荷qx作用，在水平方向受到水平分布载荷qy作用，逆断层倾角为θ，地质体Y方向长度为L，X方向长度为H，在分析过程中假定煤岩地质体均质且各向同性，建立应力分析模型如图5所示。

图5 逆断层区域煤体力学分析模型Fig.5 Mechanical analysis model of coal body under reverse fault influence

根据岩体力学，在平面上作用集中力P，对平面下方任一点M(x，y)将发生影响，其应力可以表示[22]为：

(1)

(2)

式中：P为集中应力，MPa；σx为煤体的垂直应力，MPa；σy为煤体的水平应力，MPa。

因此，在垂直方向qx作用下，煤体M(x，y)的应力为：

(3)

(4)

其中：qx为垂直载荷，MPa；σxh为垂直应力影响下煤体的垂直应力，MPa；σyh为垂直应力影响下煤体的水平应力，MPa。

在水平方向qy作用下，煤体M(x，y)的应力为

(5)

(6)

式中：qy为水平载荷，MPa；σxL为水平应力影响下煤体的垂直应力，MPa；σyL为水平应力影响下煤体的水平应力，MPa。

综上，可以计算出逆断层区域任一点煤体M(x，y)的应力为

(7)

(8)

2.2 逆断层区域煤体应力分布特征

当煤体承受载荷超过其自身强度时，将发生破坏。因此，通过Mohr-Coulomb强度准则对煤体的稳定性进行分析，具体判定方程[23]见式(9)

(9)

式中：σ1为第1主应力，MPa；σ3为第3主应力，MPa；φ为煤体内摩擦角，(°)。

在逆断层影响区域，煤体主应力方向与逆断层倾角、落差、煤岩体岩性等多个因素有关，为了便于分析，根据逆断层区域煤岩体一般假定，取煤体水平应力为第一主应力，垂直应力为第三主应力[19-20]。定义煤体失稳系数为w，w越大，煤体稳定性越差，越容易发生破坏，而w越小，煤体越稳定，具体计算方程为：

(10)

为了更加直观的了解逆断层区域煤体力学特征，根据贵州省新春煤矿现场地质条件选取相关力学参数，垂直应力取为9.00 MPa，水平应力取为垂直应力的1.5倍，即13.50 MPa，煤层与顶板距离30 m，逆断层倾角60°，煤体内摩擦角10°，应力模型地质体长度L为200 m，深度H为200 m。通过计算，可以计算出逆断层区域煤体失稳系数随与逆断层距离的变化曲线，具体如图6所示。

图6 逆断层区域煤体稳定性变化规律Fig.6 Variation law of coal stability under influence of reverse fault

图6给出了与逆断层不同距离煤体的失稳系数分布曲线，可以看出与逆断层不同距离煤体的稳定性不同，表现出与逆断层距离越小，煤体失稳系数越大，煤体越容易发生破坏。

通过计算得出，当与逆断层距离小于12.74 m时，煤体失稳系数大于sinφ，表明此区域内煤体将发生破坏。假定煤体为弹塑性软化模型，煤体应力应变关系可以表示为图7所示的变化规律[23]。

图7 煤体弹塑性软化模型Fig.7 Elastoplastic softening model of coal

结合煤体弹塑性软化特征进行分析，与逆断层距离大于12.74 m时，煤体失稳系数增加，但并未发生破坏，此时的应力状态可以视为弹性变形阶段，此阶段内随着与逆断层距离减小，煤体应力逐渐升高，对应于模拟分析中的80～20 m的区域；但当煤体与逆断层距离小于12.74 m时，煤体承载超过了自身的峰值强度，煤体发生了破坏，处于塑性软化阶段或塑性流动阶段，煤体强度发生劣化，应力降低，此阶段内随着与逆断层距离减小，煤体应力逐渐降低，对应于模拟分析中的20～10 m的区域。综上，通过应力分析的角度解释了逆断层区域煤体应力先增大后减小的原因。逆断层下盘应力分析与上盘分析方法相同，下盘煤体水平应力和垂直应力计算表达式与上盘煤体应力计算表达式(7)、式(8)相比仅在x轴方向增加了逆断层断距4 m的距离，并不会对煤体应力分布规律造成改变，考虑到逆断层上盘作为主动盘，力学作用更加明显，故分析以逆断层上盘为例[24]。

3 逆断层区域煤体微观特征

目前煤体应力现场测试常用的方法包括空心包体、水压致裂等方法，但测试成本较高，并且受现场施工条件等限制有时还不能得到准确的测试结果。因此为了验证逆断层区域煤体应力分布研究结论，现场选取煤样进行微观特征观测，通过煤体微观结构的变化来分析对应的应力状态。根据煤岩体力学特征，当煤体未发生破坏时，煤体结构应较为完整，而煤体发生破坏后，煤体结构较为破碎[22]。

3.1 煤样选取与制作

现场选取距离F4逆断层10、40和70 m位置的煤样，分别标记为K1、K2和K3。采样后立即进行密封保存，防止煤样氧化和水分的蒸发，送至煤矿安全技术国家重点试验室。测试煤样的制作过程如下：选取体积1～2 cm3的煤块，要求煤块具有相对平整的自然断面作为观测面，用刷子或吸气球除去表面附着物，之后将煤样放入干燥箱，除去其中较多的气体和水分，然后采用SBC-小型离子溅射仪对煤块真空喷镀金膜，制作微观观测煤样，然后采用KYKY-2800B型扫描电子显微镜开展测试，获得煤样微观图像。

3.2 煤样微观观测

每个煤样在1 000和5 000两种倍率下扫描，选择特征较为明显的区域扫描3次，共获得18张图片，选取其中6张图片进行对比分析，具体如图8和图9所示。

图8 1 000倍率电镜扫描图片Fig.8 Scan picture of 1 000 times with scanning electron microscope

图9 5 000倍率电镜扫描图片Fig.9 Scan picture of 5 000 times with scanning electron microscope

图8和图9给出了煤样分别在放大1 000倍和5 000倍条件下的观测结果。可以看出，在逆断层构造应力作用下，煤样微观结构具有较为明显的区别。在放大1 000倍的条件下，K3煤样表面存在一些煤屑，但煤样表面基本无裂隙存在；K2煤样存在一些裂隙，但没有表现出明细的破坏特征；K1煤样存在大量裂隙，并且煤样结构破碎，大小颗粒混杂。在放大5 000倍的条件下可以看出，K3煤样块体仍较为完整，基本不存在裂隙结构；K2煤样的裂隙清晰，两组裂纹近似呈“X”型，说明煤样受到挤压应力作用，但裂隙并未大面积贯通；K1煤样的破碎程度更为清晰，有的被磨成棱角，有的被磨成半角或半圆，还存在更细小的颗粒充填于碎块之间，这是由于煤体碎裂过程中碎块之间相互挤压形成的。

通过煤体微观图像分析煤体的应力状态，其中距离逆断层70 m的K3煤样较为完整，并没有出现明显裂纹，表明煤体结构较为稳定，并未发生破坏；距离逆断层40 m的K2煤样表面存在摩擦痕迹和一定数量的裂隙，但裂隙并没有大量贯通，表明煤体没有发生破坏，处于弹性变形阶段，但与K3煤样相比，裂隙增加说明煤体承载增加，应力增大；距离逆断层10 m的K1煤样裂隙发育程度很高，并且煤体破碎，表明此区域煤体发生破坏，处于塑性软化阶段或塑性流动阶段，此阶段煤体强度劣化，应力出现了减低。综上，随着与逆断层距离减小，煤体结构表现出完整、出现裂隙以及完全破碎的微观特征，即对应于煤体应力先增大后减小的研究结论，验证了数值模拟和理论分析的结果。

4 结论与建议

1)以贵州省新春煤矿1503工作面F4逆断层为研究对象，开展逆断层区域煤体应力分布数值模拟研究，得出随与逆断层距离的减小，煤体应力表现出先增大后减小的变化规律。

2)建立逆断层区域煤体应力分析模型，推导出煤体水平应力和垂直应力的表达式，根据Mohr-Coulomb强度准则和煤体弹塑性软化特征，得出与逆断层越近，煤体稳定性越差，距离逆断层12.74 m时煤体将发生破坏，此后煤体强度劣化，应力降低，从应力分析的角度解释了煤体应力先增大后减小的原因。

3)采用微观观测方法研究煤体应力分布规律，现场选取与逆断层不同距离煤样开展煤体微观特征观测，K3煤样没有出现明细裂纹，表明煤体稳定；K2煤样表面存在摩擦痕迹和一定数量的裂隙，但裂隙并没有大量贯通，表明煤体没有明显破坏，处于弹性变形阶段，但与K3相比应力升高；K1煤样裂隙发育，并且颗粒破碎，表明此区域煤体发生破坏，处于塑性软化阶段或塑性流动阶段，应力降低；通过观测发现随着与逆断层距离减小，煤体表现出结构完整、出现裂隙以及完全破碎的微观特征，验证了数值模拟和理论分析的结论。

靠近逆断层区域煤体承载超过自身强度，导致煤体应力降低，容易发生片帮、冒顶等情况。因此在逆断层区域进行回采活动时，应加强支护，并且当工作面顶板冒顶严重时，要及时停机处理，以防止冒顶加剧及片帮区域扩大。