采动诱发断层活化响应机制特征研究

孙文斌，郝建邦，戴宪政，孔令君

(1.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)

目前，我国采煤工作逐步往深部开采进行，而高温高地压的深部环境是对深部煤矿开采的一项极其重大的考验[1]，对于采动诱发断层活化的影响因素已成为目前学者研究的重点问题，但因对采场地质条件的复杂性认知不清，在采煤工作中常有开采事故发生[2-3]。而断层是在煤矿中常见的地质构造，其存在使得煤与岩层之间的连续性造成破坏，而采动产生的影响又使得一系列因素产生变化，断层内部裂隙逐渐发育、断层上下盘产生相对滑移。断层活化会造成断层带附近产生端部的应力集中区[4]，对于矿井的安全生产构成极大的威胁。

据统计，煤矿的突水事故中约有80%与采动诱发的断层活化有关[5]。近几年，断层活化导致的矿井灾害事故时有发生，在经济损失和人员伤亡方面产生了极大的影响。断层在开采过程中是否产生活化，与其所处的地质条件与工程背景有着密不可分的联系。专家学者已通过相似材料试验、数值模拟及现场监测的方式对断层活化进行了许多相关研究。通过相似材料试验，研究了断层活化的冲击失稳瞬态过程[6]，分析了岩样高度对整体活化的影响作用[7]，探讨了分布式光纤监测断层活化特征的有效性[8]。通过数值模拟研究断层活化的范围更广，设置静态边界元条件[9]、分形界面效应[10]，基于梯度塑性理论[11]对断层活化开展模拟研究；研究岩石力学特征[12]、分析岩爆致灾机理[13]及多场耦合作用[14-15]对断层活化的促进作用；部分学者对断层活化的演化过程开展相关数值模拟研究[16-21]。通过现场监测的方式，确定断层泥为断层活化的基础[22]，根据现场监测手段推断断层活化的规律性[23]。部分学者采用数值模拟与相似材料试验相结合的研究方法，探究随开采深度增加及临近断层过程中围岩应力场的演化规律[24]。针对断层活化机理的研究也同样有专家学者展开研究[25-28]。煤层开采会导致水压、应力等一系列因素发生变化，而断层带岩体裂隙本身就比较发育,其胶结程度较差，采动会引发断层和周围岩体应力以及孔隙水压的变化，因此，采动极大地增加了断层活化发生的可能性，然而采动引起的煤岩失稳机理尚未在断层区域研究清晰，近些年来，前人已经初步考虑断层本身性质，关于地应力类型、断层带岩体性质、断层带岩体是否含水、断层充填物的组分、其物理力学特性等方面开展了一定的相关研究工作。笔者从断层活化的演化过程出发，监测开采过程中断层处应力值、位移等参数的变化规律以及断层活化的特征，基于参数变化对断层活化过程进行标志性阶段划分，为预防断层活化的发生提供一定的理论指导作用。

1 地质概况及断层带受力分析

1.1 地质概况

本文以山东济宁安居煤矿某采区某工作面的实际地质资料为基础，工作面位于-940 m 水平(开采水平)，煤层赋存相对稳定，煤层总体走向平缓，煤层顶板高程-941～-990 m。工作面煤层整体赋存形态为倾向西南，煤层倾角1°～11°，平均倾角4°，煤层厚度1.7～2.7 m，平均厚度2.5 m，属较稳定煤层。煤层顶板主要为深灰色泥质砂岩，相对完整，局部含粉砂岩，较破碎，底板为深灰色泥岩及砂质泥岩，破碎。工作面地质条件中等。根据三维地震勘探资料及周边巷道揭露情况分析，工作面内部可能发育FSK9 等断层，对回采造成一定影响。工作面无岩浆侵入、岩溶陷落柱等特殊地质现象。

1.2 断层带受力分析

由于断层的存在，使得底板岩体的完整性及强度大幅降低。相关试验表明：断层带内岩体的单轴抗压强度仅为正常岩体的1/7[29]。井下工作时，当工作面逐渐推进至断层带的影响区域时，围岩及顶底板的采动破坏程度增加，而断层发生活化的本质其实是其本身内部的断层面发生剪切破坏，进而会在其一端或者两端产生新的裂隙，从而增加断层内部裂隙的扩展发育。采动影响下断层带岩体的应力力学模型如图1 所示。

图1 断层带岩体受力分析模型Fig.1 Analytical model for forces acting on rock masses in a fault zone

以断层带内岩体受力为例，模型处于假设状态下的极限平衡状态。断层带岩体也整体处于稳定状态，也保持原有的稳定状态，假设煤层的覆岩为刚性岩体且各岩层之间不会发生相对滑移，根据力学平衡原理可得如下关系[29]：

由式(1)、式(2)联合求解，可得Fmax及 σ1的解析表达式：

断层带岩体支承力与断层面上静摩擦力之间的关系可由式(3)得出，式(4)反映了水平应力对于Fmax的影响关系。由图1 可看出，断层是否产生活化与Fmax及σ1的大小有密切的关系，而由式(3)可得Fmax的大小与σ1的大小成反比关系，断层内部的充填物是不均匀分布的，这会导致 σ3的不均匀性，因此，可能会导致断层活化的发生产生滞后，从侧面对充填物的不均匀特性会影响断层活化进行了佐证。断层带岩体的上覆岩层接触面积对于其承载能力有直接的影响，随着工作面的不断推进，岩体与上覆岩层之间的接触面积也不断缩减，当岩体的极限应力平衡状态被打破时，就会极易导致断层活化的产生，对于矿井的生产带来极大的危害。上述基于岩体的极限平衡理论，将复杂的断层带简化为了由许多裂隙所组成的裂纹，从外因的角度分析了断层活化产生的因素。

2 相似材料模拟试验分析

2.1 试验模型设计

本试验在山东科技大学矿山岩层智能控制与绿色开采重点实验室的采动覆岩涌水溃砂模拟试验系统上进行，相似模型试验台平面模型架的几何尺寸为长×宽×高=1 200 mm×400 mm×700 mm。相似材料模拟试验的相似比原理是根据周美立[30]提出的基础上进行修正的，其含义为：相似材料模型与实际工程通过相似比系数结合力学相似、边界相似和采掘相似建立相关性，具体的关系见表1。

表1 相似比公式Table 1 Formulas for similarity ratios

相似常数αL、αγ与ασ在弹性力学上通过一定的具有相关性的公式相互制约，其方程如下：

由于试验台模型架尺寸高度为70 cm，而试验模拟的断层垂直高度为35 m，因此，所选取几何相似常数为50 最为合适，煤矿地质资料显示地下岩层种类大多为砂岩和泥岩，砂岩和泥岩的平均密度相差不大，约为2 600 kg/m3，石灰、石膏、硅砂等试验材料平均容重约为1 700 kg/m3，故根据表1 中的容重相似公式得出容重相似常数取为1.5，根据相似常数公式(5)可以换算得到应力相似常数为75。因相似模拟材料试验台的高度不能达到实际煤层埋深，故使用试验台的上部液压加载装置进行应力补充；试验台所模拟上覆岩层高度为40 m，剩余910 m 的上覆岩层产生的自重应力需通过上部液压加载装置实现，由查阅资料计算可知岩层平均容重γ为22 kN/m3，因此，910 m 岩层自重产生的应力σ为：

计算可得上部液压加载装置需要施加的压力F为：

而液压加载装置可施加的最大荷载为1 000 kN、精度为0.01 kN，足以完成试验所需。

根据矿井地质资料与岩层属性建立模型，模拟矿井煤层埋深为950 m，煤层厚度为2.5 m，断层倾角为70°、水平宽度4 m、落差5 m 的逆断层，铺设的相似材料模拟试验模型如图2 所示。开挖前在模型前方使用墨斗进行网格划分并安放位移反光片，反光片上下左右每隔5 cm 安放一片以便于观察试验过程中岩层的位移变化情况。

图2 相似材料模拟试验模型及监测系统Fig.2 A model for similar material simulation experiments and its monitoring system

试验过程中的应力变化情况采用应力监测系统进行应力监测与数据采集，煤层右端留有10 cm 的煤柱便于消除边界效应，应力传感器铺设位置如图2 所示，试验主要在断层内部布设5 根应力传感器，传感器以下盘煤层为中心进行垂直等距铺设，上下相邻传感器垂直间距为10 cm。垂直等距布设是尽量消除误差带来的数值影响，通过对开采过程中断层不同位置处的应力变化情况进行实时监测，来达到间接反映采动造成断层活化的形成过程情况，以便对断层的活化特征进行分析研究。

2.2 试验开采过程与分析

1)试验开采过程

根据煤矿采煤作业规程工作面每天进六刀推进5 m，根据表1 中时间相似公式确定时间相似常数为7，故通过时间相似比进行计算可得试验开挖频率为1.5 h 一次，每次开挖5 cm。为减弱模拟试验的边界效应，开切眼距模型边界设置10 cm 的边界煤柱，开采方向为从右往左，即从断层下盘向断层上盘方向开采，每次开挖后先稳压0.5 h，待岩层稳定后采集位移数据和压力数据，等到时间节点再进行下一次开挖，全站仪观察开采时全场的变形和破坏情况，工作面推进过程中上覆岩层垮落及断层的活动情况如图3 所示。

工作面开采自开切眼处从右往左根据时间节点每次开挖5 cm 并进行稳压和数据采集。开采初期，直接顶的暴露面积相对较少，采空区上覆岩层的弯曲下沉量也较小，开采引起的断裂带、垮落带以及弯曲下沉带并未形成，由反光片的滑移变形可以看出，5 测点处均未产生滑移，工作面开挖至0～20 cm 时断层和上覆岩层基本无变化，如图3a 所示，此阶段断层并未产生活化，上覆岩层也未垮落。

开挖至30 cm 时直接顶与基本顶之间出现缝隙，直接顶开始弯曲，稳压后直接顶由于缺少支撑作用在重力作用下发生垮落，基本顶并未垮落，而测点5 处的部分反光片已经产生了0.1～0.3 cm 的轻微滑移，如图3b 所示，此时开采位置距离断层较远，虽然采动造成的应力场变化对于断层的影响很小，但由于产生了轻微的滑移表明此时断层上部位置已经有发生活化现象的前兆。

工作面继续向前开挖时基本顶底部岩层在自重作用下也开始出现离层现象，伴随着工作面继续开挖，采空区的暴露面积增大，其上覆岩层逐渐下沉形成大面积垮落，直接顶和基本顶发生周期性垮落，“上三带”呈“正梯状”向上、向前延展垮落，采空区逐渐被压实，采动造成的应力场变化对断层部位的影响越发的明显，在深部高应力和超前支承压力的影响下，以及反光片的位置变化来看，测点5 处的反光片产生了较大的滑移变形，出现了0.8～1.0 cm 的位移，而后测点4 处的反光片也逐渐开始产生滑移变形特征，出现0.2～0.4 cm 的滑移，接着逐渐往断层下部位置的测点3 处进行影响，出现了轻微滑移特征，最后影响到测点1、测点2 两处，如图3c所示。

工作面开挖至65 cm 时，上覆岩层沿梯形垮落已垮至模拟岩层顶部，垮落区域左侧裂隙延伸至断层扩展形成通道，断层沿下盘倾角向下挤压，此时大部分反光片均产生了较大的滑移变形，测点4、测点5 两处出现1～2 cm 的位移，测点3 处产生0.8～1.0 cm 的位移，测点1、测点2 两处产生0.3～0.5 cm 的位移，如图3d 所示。

2)应力变化分析

图4 表明了工作面在推进过程中断层位置处设置监测点的应力变化情况。由图可知，工作面开挖至0～20 cm 时断层周围并无应力变化，5 组监测点的应力均为0，此时采动所造成的应力场变化并未传递到断层附近。当工作面继续向前推进时，测点2-测点5 处首先监测到微弱的数值变化，分别为0.08、0.19、0.17、0.21 MPa，此时采动所造成的应力场变化开始影响到断层附近；开采至30 cm 处时，测点1 处逐渐监测到微弱的数值变化，为0.058 MPa，此时采动所造成的应力场变化已逐步影响到了整个断层。

图4 工作面推进过程中5 个测点的应力变化曲线Fig.4 Curves showing changes in stresses at five measurement points with the advancement of the mining face

开采至50 cm 处，测点5 处产生应力峰值5.547 MPa，率先达到应力屈服强度极限，开采至55 cm 处，测点4、测点3 两处位置也出现应力峰值，分别为6.012、7.073 MPa，达到应力屈服极限，开采至60 cm 处，测点2位置出现应力峰值5.947 MPa，达到应力屈服极限。测点3 处应力峰值最大，由于位于开采煤层同一水平，受采动条件下的应力集中现象影响最为明显。位于断层最底部的测点1 处的应力呈增长趋势，但并未出现峰值。

3 数值模拟试验

围绕采动引起断层活化的诱发问题，从断层活化的演化特征及应力场的演化规律两个方面对断层活化进行相关研究。

3.1 数值计算模型

以上覆岩层下开采为背景，建立上覆岩层条件下逆断层与工作面空间关系的Flac3D三维数值计算模型，模型岩层分布和网格剖分如图5 和图6 所示，模型尺寸为长×宽×高=120 m×40 m×70 m。

图5 模型岩层分布Fig.5 Rock layers in the numerical calculation model

图6 计算网络模型网格划分Fig.6 Gridding of the numerical calculation model

边界条件设置：模型z方向上部为自由面，施加竖向荷载模拟上覆岩层的自重荷载，模型z方向底面限制垂直移动，模型x、y方向限制水平移动，模拟煤层的埋深为950 m，模型顶部施加均布荷载22 MPa 向下的垂直应力，水平方向施加向内的梯形分布荷载，其为垂直方向应力的1.2 倍。

断层设置：通过在模型中添加断层带模拟断层，FKS9 断层的主要参数为：法向刚度4 GPa，切向刚度1.9 GPa，黏聚力0.03 MPa，内摩擦角6°，单轴抗拉强度0.41 MPa，密度1 950 kg/m3，水平宽度为4 m，落差5 m，倾角70°。在断层带上不同位置处选取5 个点(煤层水平位置的测点3，距开采煤层水平上部10 m 处的测点4及20 m 处的测点5，距开采煤层水平下部10 m 处的测点2 及20 m 处的测点1)作为参考量，共5 处测点。

计算中采用应变软化模型模拟煤岩体峰后强度逐渐降低的性质，分析判据采用Mohr-Coulomb 强度准则作为煤岩体材料的屈服判据[31]；根据现场地质调查和相关岩石力学试验结果，并考虑矿山岩体的尺寸效应，数值计算中采用的各岩层的计算参数见表2。

表2 模型中岩层属性参数Table 2 Parameters of pock layer properties in the numerical calculation model

将工作面由远到近、逐步向断层推进视作本试验方案所表示的物理意义。以距离模型右侧边界10 m处作为开采的起始位置，由此向断层逐步进行开采，研究在开采过程中断层活化的演化特征及应力场的演化规律。

3.2 断层活化的演化特征

1)工作面推进过程中位移量的变化分布

图7 为工作面推进过程中位移量的变化情况。断层内部不同位置处的位移量随着开采的进行有着明显不同的变化特征，断层上部位置测点5、测点4 两处的位移量随着开采的进行变化是最为明显的，呈现显著的上升趋势，由刚开挖时的2.83、2.21 mm 增加到开挖至60 m 时的4.62、3.79 mm。随着工作面不断推进，测点5、测点4 两处周围的位移变化量增长趋势显著，开采至60 m 时的位移量比刚开挖时增长了71%和63%。而往下部位置的测点3、测点2 两处的变化趋势依次稍有减弱，但仍呈现出上升趋势，分别由刚开挖时的1.47、1.13 mm 增加到开挖至60 m 时的2.07、1.49 mm。开采至60 m 时的位移量比刚开挖时增长了40%和31%。而处于最下部位置的测点1 随着开挖的进行，由刚开挖时的0.42 mm 增加到开挖至60 m 时的0.51 mm，增长趋势比较小，随着开挖的进行，测点1 周围的位移变化非常小，60 m 时的位移量比刚开挖时仅增长了21%，位移量变化很小，表明测点1 随着开采的推进，会产生断层活化的前兆，但受开采扰动的影响最小。

图7 工作面推进过程中位移量的变化分布Fig.7 Changes in displacements with the advancement of the mining face

2)工作面推进过程中垂直应力变化分布

图8 为工作面推进过程中垂直应力的变化情况。

图8 工作面推进过程中垂直应力的变化分布Fig.8 Changes in the vertical stress with the advancement of the mining face

工作面相继进行开采后，当开挖距离小于30 m 时，围岩上覆岩层、下方底板垂直应力呈上升趋势，应力峰值也不断升高，但围岩整体的垂直应力集中程度较低，垂直应力在22～24 MPa，顶板应力集中程度要高于底板，且断层两侧的应力分布情况也非常明显；当开挖距离达到60 m 后，围岩上覆岩层、下方底板垂直应力呈降低趋势，工作面与断层之间的构造应力得到了释放，围岩、煤层整体处于卸压状态，应力出现峰值后也逐渐下降，但围岩整体的垂直应力集中程度比较高。而整体开采过程中，由于断层的切割影响，上覆岩层的垂直应力整体呈楔形，垂直应力集中区域主要集中在开采端部，而且应力集中区域的范围也逐渐向深部扩展发育。断层上部位置测点5-测点3 三点处的垂直应力随着开采的进行变化较为明显，开挖距离小于30 m 时，均呈现上升趋势，由刚开挖时的22.06、22.07、22.04 MPa 增加到开挖至30 m 时的22.24、22.57、22.36 MPa；当开挖距离至30 m 后，3 点处的垂直应力逐渐降低。而往下部位置的测点2、测点1 处的垂直应力变化也呈现先增长后降低的趋势，但变化趋势比较小。

4 结果与讨论

相似材料的配比通过几何相似公式进行计算后得出，数值模拟研究根据实际地质资料赋值各项地质参数，确保地质条件的相似性及两者之间的相互印证和联系分析，减少误差。通过分析，在试验与模拟中应力与位移大致呈现相同演化趋势，因此，可以得出一致结论。

相似材料模拟试验中，通过开挖铺设模型揭示煤矿开采过程中断层活化过程的演化特征。开采至20 cm时开始引发直接顶垮落，测点5 处反光片出现轻微滑移，出现初步活化的前兆，随着开采的继续进行，测点5 处位移变化明显，应力也明显增加，开采至50 cm 处，测点5 处应力出现峰值，达到屈服极限，然后随着上覆岩层垮落，此处产生断层活化，此时产生0.8～1.0 cm 的位移变化。测点4、测点3 两处在开采至30 cm 时也先后出现不同程度的轻微滑移，出现活化的前兆，开采至55 cm 处，这2 处位置应力出现峰值，达到屈服极限，后随上覆岩层垮落产生断层活化，此时产生0.6～0.8 cm 的位移变化。测点2 处位置在开采至60 cm 时应力出现峰值，达到屈服极限，随上覆岩层大面积完全垮落，此处也产生活化，产生0.3～0.5 cm 的位移变化。当工作面开采至后期，断层由最早出现活化的测点5，逐渐向断层中部的测点4、测点3 以及下部的测点2、测点1 扩展，并随着上覆岩层逐渐大面积完全垮落产生整体活化。

为验证相似材料模拟试验中的结果，开展数值模拟研究，模拟发现：断层上部位置测点5-测点3 三点处的垂直应力随着开采的进行变化较为明显，开挖距离小于30 m 时，均呈现上升趋势；当开挖距离至30 m 后，3 点处的垂直应力逐渐降低。而往下部位置的测点2、测点1 两点的垂直应力变化也呈现先增长后降低的趋势，但变化趋势比较小，测点5 处均达到应力屈服极限，断层上部位置测点5、测点4 两处的位移量随着开采的进行变化是最为明显的，呈现显著的上升趋势，开采至60 m 时的位移量比刚开挖时增长了71%和63%。而往下部位置的测点3、测点2 两点的变化趋势依次稍有减弱，但仍呈现出上升趋势，开采至60 m 时的位移量比刚开挖时增长了40%和31%。而处于最下部位置的测点1 处随着开挖的进行，其周围的位移变化非常小，60 m 时的位移量比刚开挖时仅增长了21%，受开采扰动的影响最小。

通过对开挖过程中断层滑移及应力变化的讨论可知：结合应力与反光片所呈现出的位移变化量更能直观地表现出断层活化的发生并不是一次性的全阶段活化，而是断层上部位置测点5 处的断层充填物先产生滑移错动导致断层初步活化，然后活化逐渐向下扩展至其余位置，引起其余位置处的活化，最终随着上覆岩层大面积完全垮落导致断层的整体活化，确定断层活化的发生具有显著的空间性和阶段性特征。

5 结论

a.采动影响下，断层活化并不是一次性全阶段活化，而是由上部到下部的逐渐活化，其具有明显的空间性、阶段性特征。

b.开采过程中，扰动对于应力的影响作用要先比位移产生，且应力会出现峰值；当应力出现峰值，达到屈服极限后，扰动对于位移的影响作用逐渐显现。

c.随着工作面不断推进，采动导致上覆岩层大面积垮落，致使上覆岩层与断层带贯通，并逐渐诱发断层带活化。

符号注释：

A为上覆岩层垂直应力作用在岩体上的面积，m2；A1为岩体与上覆岩层之间的接触面积，m2；A2为产生相对运动的断盘之间的接触面积，m2；F为断层面上的静摩擦力，N；Fmax为断层面上的最大静摩擦力，N；Lp为相似材料模型铺设长度，m；Lm为实际工程地质长度，m；tp为试验开挖时间，s；tm为现场开采时间，s；γp为相似材料配比容重，g/cm3；γm为实际岩石容重，g/cm3；αL为几何相似常数；αt为时间相似常数；ασ为应力相似常数；αγ为容重相似常数；σ1为下盘岩体对断层带岩体的支承力，MPa；σ2为上覆岩体的垂直应力，MPa；σ3、σ4分别为作用在断层面上的原岩水平应力，MPa；θ为断层倾角，(°)。