采動(dòng)誘發(fā)斷層活化響應(yīng)機(jī)制特征研究

孫文斌，郝建邦，戴憲政，孔令君

(1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

目前，我國(guó)采煤工作逐步往深部開(kāi)采進(jìn)行，而高溫高地壓的深部環(huán)境是對(duì)深部煤礦開(kāi)采的一項(xiàng)極其重大的考驗(yàn)[1]，對(duì)于采動(dòng)誘發(fā)斷層活化的影響因素已成為目前學(xué)者研究的重點(diǎn)問(wèn)題，但因?qū)Σ蓤?chǎng)地質(zhì)條件的復(fù)雜性認(rèn)知不清，在采煤工作中常有開(kāi)采事故發(fā)生[2-3]。而斷層是在煤礦中常見(jiàn)的地質(zhì)構(gòu)造，其存在使得煤與巖層之間的連續(xù)性造成破壞，而采動(dòng)產(chǎn)生的影響又使得一系列因素產(chǎn)生變化，斷層內(nèi)部裂隙逐漸發(fā)育、斷層上下盤(pán)產(chǎn)生相對(duì)滑移。斷層活化會(huì)造成斷層帶附近產(chǎn)生端部的應(yīng)力集中區(qū)[4]，對(duì)于礦井的安全生產(chǎn)構(gòu)成極大的威脅。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤礦的突水事故中約有80%與采動(dòng)誘發(fā)的斷層活化有關(guān)[5]。近幾年，斷層活化導(dǎo)致的礦井災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生，在經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡方面產(chǎn)生了極大的影響。斷層在開(kāi)采過(guò)程中是否產(chǎn)生活化，與其所處的地質(zhì)條件與工程背景有著密不可分的聯(lián)系。專(zhuān)家學(xué)者已通過(guò)相似材料試驗(yàn)、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方式對(duì)斷層活化進(jìn)行了許多相關(guān)研究。通過(guò)相似材料試驗(yàn)，研究了斷層活化的沖擊失穩(wěn)瞬態(tài)過(guò)程[6]，分析了巖樣高度對(duì)整體活化的影響作用[7]，探討了分布式光纖監(jiān)測(cè)斷層活化特征的有效性[8]。通過(guò)數(shù)值模擬研究斷層活化的范圍更廣，設(shè)置靜態(tài)邊界元條件[9]、分形界面效應(yīng)[10]，基于梯度塑性理論[11]對(duì)斷層活化開(kāi)展模擬研究；研究巖石力學(xué)特征[12]、分析巖爆致災(zāi)機(jī)理[13]及多場(chǎng)耦合作用[14-15]對(duì)斷層活化的促進(jìn)作用；部分學(xué)者對(duì)斷層活化的演化過(guò)程開(kāi)展相關(guān)數(shù)值模擬研究[16-21]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方式，確定斷層泥為斷層活化的基礎(chǔ)[22]，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段推斷斷層活化的規(guī)律性[23]。部分學(xué)者采用數(shù)值模擬與相似材料試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，探究隨開(kāi)采深度增加及臨近斷層過(guò)程中圍巖應(yīng)力場(chǎng)的演化規(guī)律[24]。針對(duì)斷層活化機(jī)理的研究也同樣有專(zhuān)家學(xué)者展開(kāi)研究[25-28]。煤層開(kāi)采會(huì)導(dǎo)致水壓、應(yīng)力等一系列因素發(fā)生變化，而斷層帶巖體裂隙本身就比較發(fā)育,其膠結(jié)程度較差，采動(dòng)會(huì)引發(fā)斷層和周?chē)鷰r體應(yīng)力以及孔隙水壓的變化，因此，采動(dòng)極大地增加了斷層活化發(fā)生的可能性，然而采動(dòng)引起的煤巖失穩(wěn)機(jī)理尚未在斷層區(qū)域研究清晰，近些年來(lái)，前人已經(jīng)初步考慮斷層本身性質(zhì)，關(guān)于地應(yīng)力類(lèi)型、斷層帶巖體性質(zhì)、斷層帶巖體是否含水、斷層充填物的組分、其物理力學(xué)特性等方面開(kāi)展了一定的相關(guān)研究工作。筆者從斷層活化的演化過(guò)程出發(fā)，監(jiān)測(cè)開(kāi)采過(guò)程中斷層處應(yīng)力值、位移等參數(shù)的變化規(guī)律以及斷層活化的特征，基于參數(shù)變化對(duì)斷層活化過(guò)程進(jìn)行標(biāo)志性階段劃分，為預(yù)防斷層活化的發(fā)生提供一定的理論指導(dǎo)作用。

1 地質(zhì)概況及斷層帶受力分析

1.1 地質(zhì)概況

本文以山東濟(jì)寧安居煤礦某采區(qū)某工作面的實(shí)際地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，工作面位于-940 m 水平(開(kāi)采水平)，煤層賦存相對(duì)穩(wěn)定，煤層總體走向平緩，煤層頂板高程-941～-990 m。工作面煤層整體賦存形態(tài)為傾向西南，煤層傾角1°～11°，平均傾角4°，煤層厚度1.7～2.7 m，平均厚度2.5 m，屬較穩(wěn)定煤層。煤層頂板主要為深灰色泥質(zhì)砂巖，相對(duì)完整，局部含粉砂巖，較破碎，底板為深灰色泥巖及砂質(zhì)泥巖，破碎。工作面地質(zhì)條件中等。根據(jù)三維地震勘探資料及周邊巷道揭露情況分析，工作面內(nèi)部可能發(fā)育FSK9 等斷層，對(duì)回采造成一定影響。工作面無(wú)巖漿侵入、巖溶陷落柱等特殊地質(zhì)現(xiàn)象。

1.2 斷層帶受力分析

由于斷層的存在，使得底板巖體的完整性及強(qiáng)度大幅降低。相關(guān)試驗(yàn)表明：斷層帶內(nèi)巖體的單軸抗壓強(qiáng)度僅為正常巖體的1/7[29]。井下工作時(shí)，當(dāng)工作面逐漸推進(jìn)至斷層帶的影響區(qū)域時(shí)，圍巖及頂?shù)装宓牟蓜?dòng)破壞程度增加，而斷層發(fā)生活化的本質(zhì)其實(shí)是其本身內(nèi)部的斷層面發(fā)生剪切破壞，進(jìn)而會(huì)在其一端或者兩端產(chǎn)生新的裂隙，從而增加斷層內(nèi)部裂隙的擴(kuò)展發(fā)育。采動(dòng)影響下斷層帶巖體的應(yīng)力力學(xué)模型如圖1 所示。

圖1 斷層帶巖體受力分析模型Fig.1 Analytical model for forces acting on rock masses in a fault zone

以斷層帶內(nèi)巖體受力為例，模型處于假設(shè)狀態(tài)下的極限平衡狀態(tài)。斷層帶巖體也整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，也保持原有的穩(wěn)定狀態(tài)，假設(shè)煤層的覆巖為剛性巖體且各巖層之間不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移，根據(jù)力學(xué)平衡原理可得如下關(guān)系[29]：

由式(1)、式(2)聯(lián)合求解，可得Fmax及 σ1的解析表達(dá)式：

斷層帶巖體支承力與斷層面上靜摩擦力之間的關(guān)系可由式(3)得出，式(4)反映了水平應(yīng)力對(duì)于Fmax的影響關(guān)系。由圖1 可看出，斷層是否產(chǎn)生活化與Fmax及σ1的大小有密切的關(guān)系，而由式(3)可得Fmax的大小與σ1的大小成反比關(guān)系，斷層內(nèi)部的充填物是不均勻分布的，這會(huì)導(dǎo)致 σ3的不均勻性，因此，可能會(huì)導(dǎo)致斷層活化的發(fā)生產(chǎn)生滯后，從側(cè)面對(duì)充填物的不均勻特性會(huì)影響斷層活化進(jìn)行了佐證。斷層帶巖體的上覆巖層接觸面積對(duì)于其承載能力有直接的影響，隨著工作面的不斷推進(jìn)，巖體與上覆巖層之間的接觸面積也不斷縮減，當(dāng)巖體的極限應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破時(shí)，就會(huì)極易導(dǎo)致斷層活化的產(chǎn)生，對(duì)于礦井的生產(chǎn)帶來(lái)極大的危害。上述基于巖體的極限平衡理論，將復(fù)雜的斷層帶簡(jiǎn)化為了由許多裂隙所組成的裂紋，從外因的角度分析了斷層活化產(chǎn)生的因素。

2 相似材料模擬試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在山東科技大學(xué)礦山巖層智能控制與綠色開(kāi)采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的采動(dòng)覆巖涌水潰砂模擬試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，相似模型試驗(yàn)臺(tái)平面模型架的幾何尺寸為長(zhǎng)×寬×高=1 200 mm×400 mm×700 mm。相似材料模擬試驗(yàn)的相似比原理是根據(jù)周美立[30]提出的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正的，其含義為：相似材料模型與實(shí)際工程通過(guò)相似比系數(shù)結(jié)合力學(xué)相似、邊界相似和采掘相似建立相關(guān)性，具體的關(guān)系見(jiàn)表1。

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

相似常數(shù)αL、αγ與ασ在彈性力學(xué)上通過(guò)一定的具有相關(guān)性的公式相互制約，其方程如下：

由于試驗(yàn)臺(tái)模型架尺寸高度為70 cm，而試驗(yàn)?zāi)M的斷層垂直高度為35 m，因此，所選取幾何相似常數(shù)為50 最為合適，煤礦地質(zhì)資料顯示地下巖層種類(lèi)大多為砂巖和泥巖，砂巖和泥巖的平均密度相差不大，約為2 600 kg/m3，石灰、石膏、硅砂等試驗(yàn)材料平均容重約為1 700 kg/m3，故根據(jù)表1 中的容重相似公式得出容重相似常數(shù)取為1.5，根據(jù)相似常數(shù)公式(5)可以換算得到應(yīng)力相似常數(shù)為75。因相似模擬材料試驗(yàn)臺(tái)的高度不能達(dá)到實(shí)際煤層埋深，故使用試驗(yàn)臺(tái)的上部液壓加載裝置進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)充；試驗(yàn)臺(tái)所模擬上覆巖層高度為40 m，剩余910 m 的上覆巖層產(chǎn)生的自重應(yīng)力需通過(guò)上部液壓加載裝置實(shí)現(xiàn)，由查閱資料計(jì)算可知巖層平均容重γ為22 kN/m3，因此，910 m 巖層自重產(chǎn)生的應(yīng)力σ為：

計(jì)算可得上部液壓加載裝置需要施加的壓力F為：

而液壓加載裝置可施加的最大荷載為1 000 kN、精度為0.01 kN，足以完成試驗(yàn)所需。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料與巖層屬性建立模型，模擬礦井煤層埋深為950 m，煤層厚度為2.5 m，斷層傾角為70°、水平寬度4 m、落差5 m 的逆斷層，鋪設(shè)的相似材料模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2 所示。開(kāi)挖前在模型前方使用墨斗進(jìn)行網(wǎng)格劃分并安放位移反光片，反光片上下左右每隔5 cm 安放一片以便于觀察試驗(yàn)過(guò)程中巖層的位移變化情況。

圖2 相似材料模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ图氨O(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.2 A model for similar material simulation experiments and its monitoring system

試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力變化情況采用應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集，煤層右端留有10 cm 的煤柱便于消除邊界效應(yīng)，應(yīng)力傳感器鋪設(shè)位置如圖2 所示，試驗(yàn)主要在斷層內(nèi)部布設(shè)5 根應(yīng)力傳感器，傳感器以下盤(pán)煤層為中心進(jìn)行垂直等距鋪設(shè)，上下相鄰傳感器垂直間距為10 cm。垂直等距布設(shè)是盡量消除誤差帶來(lái)的數(shù)值影響，通過(guò)對(duì)開(kāi)采過(guò)程中斷層不同位置處的應(yīng)力變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，來(lái)達(dá)到間接反映采動(dòng)造成斷層活化的形成過(guò)程情況，以便對(duì)斷層的活化特征進(jìn)行分析研究。

2.2 試驗(yàn)開(kāi)采過(guò)程與分析

1)試驗(yàn)開(kāi)采過(guò)程

根據(jù)煤礦采煤作業(yè)規(guī)程工作面每天進(jìn)六刀推進(jìn)5 m，根據(jù)表1 中時(shí)間相似公式確定時(shí)間相似常數(shù)為7，故通過(guò)時(shí)間相似比進(jìn)行計(jì)算可得試驗(yàn)開(kāi)挖頻率為1.5 h 一次，每次開(kāi)挖5 cm。為減弱模擬試驗(yàn)的邊界效應(yīng)，開(kāi)切眼距模型邊界設(shè)置10 cm 的邊界煤柱，開(kāi)采方向?yàn)閺挠彝?，即從斷層下盤(pán)向斷層上盤(pán)方向開(kāi)采，每次開(kāi)挖后先穩(wěn)壓0.5 h，待巖層穩(wěn)定后采集位移數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)，等到時(shí)間節(jié)點(diǎn)再進(jìn)行下一次開(kāi)挖，全站儀觀察開(kāi)采時(shí)全場(chǎng)的變形和破壞情況，工作面推進(jìn)過(guò)程中上覆巖層垮落及斷層的活動(dòng)情況如圖3 所示。

工作面開(kāi)采自開(kāi)切眼處從右往左根據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)每次開(kāi)挖5 cm 并進(jìn)行穩(wěn)壓和數(shù)據(jù)采集。開(kāi)采初期，直接頂?shù)谋┞睹娣e相對(duì)較少，采空區(qū)上覆巖層的彎曲下沉量也較小，開(kāi)采引起的斷裂帶、垮落帶以及彎曲下沉帶并未形成，由反光片的滑移變形可以看出，5 測(cè)點(diǎn)處均未產(chǎn)生滑移，工作面開(kāi)挖至0～20 cm 時(shí)斷層和上覆巖層基本無(wú)變化，如圖3a 所示，此階段斷層并未產(chǎn)生活化，上覆巖層也未垮落。

開(kāi)挖至30 cm 時(shí)直接頂與基本頂之間出現(xiàn)縫隙，直接頂開(kāi)始彎曲，穩(wěn)壓后直接頂由于缺少支撐作用在重力作用下發(fā)生垮落，基本頂并未垮落，而測(cè)點(diǎn)5 處的部分反光片已經(jīng)產(chǎn)生了0.1～0.3 cm 的輕微滑移，如圖3b 所示，此時(shí)開(kāi)采位置距離斷層較遠(yuǎn)，雖然采動(dòng)造成的應(yīng)力場(chǎng)變化對(duì)于斷層的影響很小，但由于產(chǎn)生了輕微的滑移表明此時(shí)斷層上部位置已經(jīng)有發(fā)生活化現(xiàn)象的前兆。

工作面繼續(xù)向前開(kāi)挖時(shí)基本頂?shù)撞繋r層在自重作用下也開(kāi)始出現(xiàn)離層現(xiàn)象，伴隨著工作面繼續(xù)開(kāi)挖，采空區(qū)的暴露面積增大，其上覆巖層逐漸下沉形成大面積垮落，直接頂和基本頂發(fā)生周期性垮落，“上三帶”呈“正梯狀”向上、向前延展垮落，采空區(qū)逐漸被壓實(shí)，采動(dòng)造成的應(yīng)力場(chǎng)變化對(duì)斷層部位的影響越發(fā)的明顯，在深部高應(yīng)力和超前支承壓力的影響下，以及反光片的位置變化來(lái)看，測(cè)點(diǎn)5 處的反光片產(chǎn)生了較大的滑移變形，出現(xiàn)了0.8～1.0 cm 的位移，而后測(cè)點(diǎn)4 處的反光片也逐漸開(kāi)始產(chǎn)生滑移變形特征，出現(xiàn)0.2～0.4 cm 的滑移，接著逐漸往斷層下部位置的測(cè)點(diǎn)3 處進(jìn)行影響，出現(xiàn)了輕微滑移特征，最后影響到測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2 兩處，如圖3c所示。

工作面開(kāi)挖至65 cm 時(shí)，上覆巖層沿梯形垮落已垮至模擬巖層頂部，垮落區(qū)域左側(cè)裂隙延伸至斷層擴(kuò)展形成通道，斷層沿下盤(pán)傾角向下擠壓，此時(shí)大部分反光片均產(chǎn)生了較大的滑移變形，測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5 兩處出現(xiàn)1～2 cm 的位移，測(cè)點(diǎn)3 處產(chǎn)生0.8～1.0 cm 的位移，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2 兩處產(chǎn)生0.3～0.5 cm 的位移，如圖3d 所示。

2)應(yīng)力變化分析

圖4 表明了工作面在推進(jìn)過(guò)程中斷層位置處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化情況。由圖可知，工作面開(kāi)挖至0～20 cm 時(shí)斷層周?chē)o(wú)應(yīng)力變化，5 組監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力均為0，此時(shí)采動(dòng)所造成的應(yīng)力場(chǎng)變化并未傳遞到斷層附近。當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)2-測(cè)點(diǎn)5 處首先監(jiān)測(cè)到微弱的數(shù)值變化，分別為0.08、0.19、0.17、0.21 MPa，此時(shí)采動(dòng)所造成的應(yīng)力場(chǎng)變化開(kāi)始影響到斷層附近；開(kāi)采至30 cm 處時(shí)，測(cè)點(diǎn)1 處逐漸監(jiān)測(cè)到微弱的數(shù)值變化，為0.058 MPa，此時(shí)采動(dòng)所造成的應(yīng)力場(chǎng)變化已逐步影響到了整個(gè)斷層。

圖4 工作面推進(jìn)過(guò)程中5 個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線Fig.4 Curves showing changes in stresses at five measurement points with the advancement of the mining face

開(kāi)采至50 cm 處，測(cè)點(diǎn)5 處產(chǎn)生應(yīng)力峰值5.547 MPa，率先達(dá)到應(yīng)力屈服強(qiáng)度極限，開(kāi)采至55 cm 處，測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)3 兩處位置也出現(xiàn)應(yīng)力峰值，分別為6.012、7.073 MPa，達(dá)到應(yīng)力屈服極限，開(kāi)采至60 cm 處，測(cè)點(diǎn)2位置出現(xiàn)應(yīng)力峰值5.947 MPa，達(dá)到應(yīng)力屈服極限。測(cè)點(diǎn)3 處應(yīng)力峰值最大，由于位于開(kāi)采煤層同一水平，受采動(dòng)條件下的應(yīng)力集中現(xiàn)象影響最為明顯。位于斷層最底部的測(cè)點(diǎn)1 處的應(yīng)力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但并未出現(xiàn)峰值。

3 數(shù)值模擬試驗(yàn)

圍繞采動(dòng)引起斷層活化的誘發(fā)問(wèn)題，從斷層活化的演化特征及應(yīng)力場(chǎng)的演化規(guī)律兩個(gè)方面對(duì)斷層活化進(jìn)行相關(guān)研究。

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

以上覆巖層下開(kāi)采為背景，建立上覆巖層條件下逆斷層與工作面空間關(guān)系的Flac3D三維數(shù)值計(jì)算模型，模型巖層分布和網(wǎng)格剖分如圖5 和圖6 所示，模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=120 m×40 m×70 m。

圖5 模型巖層分布Fig.5 Rock layers in the numerical calculation model

圖6 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)模型網(wǎng)格劃分Fig.6 Gridding of the numerical calculation model

邊界條件設(shè)置：模型z方向上部為自由面，施加豎向荷載模擬上覆巖層的自重荷載，模型z方向底面限制垂直移動(dòng)，模型x、y方向限制水平移動(dòng)，模擬煤層的埋深為950 m，模型頂部施加均布荷載22 MPa 向下的垂直應(yīng)力，水平方向施加向內(nèi)的梯形分布荷載，其為垂直方向應(yīng)力的1.2 倍。

斷層設(shè)置：通過(guò)在模型中添加斷層帶模擬斷層，F(xiàn)KS9 斷層的主要參數(shù)為：法向剛度4 GPa，切向剛度1.9 GPa，黏聚力0.03 MPa，內(nèi)摩擦角6°，單軸抗拉強(qiáng)度0.41 MPa，密度1 950 kg/m3，水平寬度為4 m，落差5 m，傾角70°。在斷層帶上不同位置處選取5 個(gè)點(diǎn)(煤層水平位置的測(cè)點(diǎn)3，距開(kāi)采煤層水平上部10 m 處的測(cè)點(diǎn)4及20 m 處的測(cè)點(diǎn)5，距開(kāi)采煤層水平下部10 m 處的測(cè)點(diǎn)2 及20 m 處的測(cè)點(diǎn)1)作為參考量，共5 處測(cè)點(diǎn)。

計(jì)算中采用應(yīng)變軟化模型模擬煤巖體峰后強(qiáng)度逐漸降低的性質(zhì)，分析判據(jù)采用Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則作為煤巖體材料的屈服判據(jù)[31]；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，并考慮礦山巖體的尺寸效應(yīng)，數(shù)值計(jì)算中采用的各巖層的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模型中巖層屬性參數(shù)Table 2 Parameters of pock layer properties in the numerical calculation model

將工作面由遠(yuǎn)到近、逐步向斷層推進(jìn)視作本試驗(yàn)方案所表示的物理意義。以距離模型右側(cè)邊界10 m處作為開(kāi)采的起始位置，由此向斷層逐步進(jìn)行開(kāi)采，研究在開(kāi)采過(guò)程中斷層活化的演化特征及應(yīng)力場(chǎng)的演化規(guī)律。

3.2 斷層活化的演化特征

1)工作面推進(jìn)過(guò)程中位移量的變化分布

圖7 為工作面推進(jìn)過(guò)程中位移量的變化情況。斷層內(nèi)部不同位置處的位移量隨著開(kāi)采的進(jìn)行有著明顯不同的變化特征，斷層上部位置測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)4 兩處的位移量隨著開(kāi)采的進(jìn)行變化是最為明顯的，呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，由剛開(kāi)挖時(shí)的2.83、2.21 mm 增加到開(kāi)挖至60 m 時(shí)的4.62、3.79 mm。隨著工作面不斷推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)4 兩處周?chē)奈灰谱兓吭鲩L(zhǎng)趨勢(shì)顯著，開(kāi)采至60 m 時(shí)的位移量比剛開(kāi)挖時(shí)增長(zhǎng)了71%和63%。而往下部位置的測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)2 兩處的變化趨勢(shì)依次稍有減弱，但仍呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，分別由剛開(kāi)挖時(shí)的1.47、1.13 mm 增加到開(kāi)挖至60 m 時(shí)的2.07、1.49 mm。開(kāi)采至60 m 時(shí)的位移量比剛開(kāi)挖時(shí)增長(zhǎng)了40%和31%。而處于最下部位置的測(cè)點(diǎn)1 隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，由剛開(kāi)挖時(shí)的0.42 mm 增加到開(kāi)挖至60 m 時(shí)的0.51 mm，增長(zhǎng)趨勢(shì)比較小，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)1 周?chē)奈灰谱兓浅Ｐ。?0 m 時(shí)的位移量比剛開(kāi)挖時(shí)僅增長(zhǎng)了21%，位移量變化很小，表明測(cè)點(diǎn)1 隨著開(kāi)采的推進(jìn)，會(huì)產(chǎn)生斷層活化的前兆，但受開(kāi)采擾動(dòng)的影響最小。

圖7 工作面推進(jìn)過(guò)程中位移量的變化分布Fig.7 Changes in displacements with the advancement of the mining face

2)工作面推進(jìn)過(guò)程中垂直應(yīng)力變化分布

圖8 為工作面推進(jìn)過(guò)程中垂直應(yīng)力的變化情況。

圖8 工作面推進(jìn)過(guò)程中垂直應(yīng)力的變化分布Fig.8 Changes in the vertical stress with the advancement of the mining face

工作面相繼進(jìn)行開(kāi)采后，當(dāng)開(kāi)挖距離小于30 m 時(shí)，圍巖上覆巖層、下方底板垂直應(yīng)力呈上升趨勢(shì)，應(yīng)力峰值也不斷升高，但圍巖整體的垂直應(yīng)力集中程度較低，垂直應(yīng)力在22～24 MPa，頂板應(yīng)力集中程度要高于底板，且斷層兩側(cè)的應(yīng)力分布情況也非常明顯；當(dāng)開(kāi)挖距離達(dá)到60 m 后，圍巖上覆巖層、下方底板垂直應(yīng)力呈降低趨勢(shì)，工作面與斷層之間的構(gòu)造應(yīng)力得到了釋放，圍巖、煤層整體處于卸壓狀態(tài)，應(yīng)力出現(xiàn)峰值后也逐漸下降，但圍巖整體的垂直應(yīng)力集中程度比較高。而整體開(kāi)采過(guò)程中，由于斷層的切割影響，上覆巖層的垂直應(yīng)力整體呈楔形，垂直應(yīng)力集中區(qū)域主要集中在開(kāi)采端部，而且應(yīng)力集中區(qū)域的范圍也逐漸向深部擴(kuò)展發(fā)育。斷層上部位置測(cè)點(diǎn)5-測(cè)點(diǎn)3 三點(diǎn)處的垂直應(yīng)力隨著開(kāi)采的進(jìn)行變化較為明顯，開(kāi)挖距離小于30 m 時(shí)，均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，由剛開(kāi)挖時(shí)的22.06、22.07、22.04 MPa 增加到開(kāi)挖至30 m 時(shí)的22.24、22.57、22.36 MPa；當(dāng)開(kāi)挖距離至30 m 后，3 點(diǎn)處的垂直應(yīng)力逐漸降低。而往下部位置的測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)1 處的垂直應(yīng)力變化也呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)比較小。

4 結(jié)果與討論

相似材料的配比通過(guò)幾何相似公式進(jìn)行計(jì)算后得出，數(shù)值模擬研究根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料賦值各項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)，確保地質(zhì)條件的相似性及兩者之間的相互印證和聯(lián)系分析，減少誤差。通過(guò)分析，在試驗(yàn)與模擬中應(yīng)力與位移大致呈現(xiàn)相同演化趨勢(shì)，因此，可以得出一致結(jié)論。

相似材料模擬試驗(yàn)中，通過(guò)開(kāi)挖鋪設(shè)模型揭示煤礦開(kāi)采過(guò)程中斷層活化過(guò)程的演化特征。開(kāi)采至20 cm時(shí)開(kāi)始引發(fā)直接頂垮落，測(cè)點(diǎn)5 處反光片出現(xiàn)輕微滑移，出現(xiàn)初步活化的前兆，隨著開(kāi)采的繼續(xù)進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)5 處位移變化明顯，應(yīng)力也明顯增加，開(kāi)采至50 cm 處，測(cè)點(diǎn)5 處應(yīng)力出現(xiàn)峰值，達(dá)到屈服極限，然后隨著上覆巖層垮落，此處產(chǎn)生斷層活化，此時(shí)產(chǎn)生0.8～1.0 cm 的位移變化。測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)3 兩處在開(kāi)采至30 cm 時(shí)也先后出現(xiàn)不同程度的輕微滑移，出現(xiàn)活化的前兆，開(kāi)采至55 cm 處，這2 處位置應(yīng)力出現(xiàn)峰值，達(dá)到屈服極限，后隨上覆巖層垮落產(chǎn)生斷層活化，此時(shí)產(chǎn)生0.6～0.8 cm 的位移變化。測(cè)點(diǎn)2 處位置在開(kāi)采至60 cm 時(shí)應(yīng)力出現(xiàn)峰值，達(dá)到屈服極限，隨上覆巖層大面積完全垮落，此處也產(chǎn)生活化，產(chǎn)生0.3～0.5 cm 的位移變化。當(dāng)工作面開(kāi)采至后期，斷層由最早出現(xiàn)活化的測(cè)點(diǎn)5，逐漸向斷層中部的測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)3 以及下部的測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)1 擴(kuò)展，并隨著上覆巖層逐漸大面積完全垮落產(chǎn)生整體活化。

為驗(yàn)證相似材料模擬試驗(yàn)中的結(jié)果，開(kāi)展數(shù)值模擬研究，模擬發(fā)現(xiàn)：斷層上部位置測(cè)點(diǎn)5-測(cè)點(diǎn)3 三點(diǎn)處的垂直應(yīng)力隨著開(kāi)采的進(jìn)行變化較為明顯，開(kāi)挖距離小于30 m 時(shí)，均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；當(dāng)開(kāi)挖距離至30 m 后，3 點(diǎn)處的垂直應(yīng)力逐漸降低。而往下部位置的測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)1 兩點(diǎn)的垂直應(yīng)力變化也呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)比較小，測(cè)點(diǎn)5 處均達(dá)到應(yīng)力屈服極限，斷層上部位置測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)4 兩處的位移量隨著開(kāi)采的進(jìn)行變化是最為明顯的，呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，開(kāi)采至60 m 時(shí)的位移量比剛開(kāi)挖時(shí)增長(zhǎng)了71%和63%。而往下部位置的測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)2 兩點(diǎn)的變化趨勢(shì)依次稍有減弱，但仍呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，開(kāi)采至60 m 時(shí)的位移量比剛開(kāi)挖時(shí)增長(zhǎng)了40%和31%。而處于最下部位置的測(cè)點(diǎn)1 處隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，其周?chē)奈灰谱兓浅Ｐ。?0 m 時(shí)的位移量比剛開(kāi)挖時(shí)僅增長(zhǎng)了21%，受開(kāi)采擾動(dòng)的影響最小。

通過(guò)對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中斷層滑移及應(yīng)力變化的討論可知：結(jié)合應(yīng)力與反光片所呈現(xiàn)出的位移變化量更能直觀地表現(xiàn)出斷層活化的發(fā)生并不是一次性的全階段活化，而是斷層上部位置測(cè)點(diǎn)5 處的斷層充填物先產(chǎn)生滑移錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致斷層初步活化，然后活化逐漸向下擴(kuò)展至其余位置，引起其余位置處的活化，最終隨著上覆巖層大面積完全垮落導(dǎo)致斷層的整體活化，確定斷層活化的發(fā)生具有顯著的空間性和階段性特征。

5 結(jié)論

a.采動(dòng)影響下，斷層活化并不是一次性全階段活化，而是由上部到下部的逐漸活化，其具有明顯的空間性、階段性特征。

b.開(kāi)采過(guò)程中，擾動(dòng)對(duì)于應(yīng)力的影響作用要先比位移產(chǎn)生，且應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)峰值；當(dāng)應(yīng)力出現(xiàn)峰值，達(dá)到屈服極限后，擾動(dòng)對(duì)于位移的影響作用逐漸顯現(xiàn)。

c.隨著工作面不斷推進(jìn)，采動(dòng)導(dǎo)致上覆巖層大面積垮落，致使上覆巖層與斷層帶貫通，并逐漸誘發(fā)斷層帶活化。

符號(hào)注釋?zhuān)?/p>

A為上覆巖層垂直應(yīng)力作用在巖體上的面積，m2；A1為巖體與上覆巖層之間的接觸面積，m2；A2為產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的斷盤(pán)之間的接觸面積，m2；F為斷層面上的靜摩擦力，N；Fmax為斷層面上的最大靜摩擦力，N；Lp為相似材料模型鋪設(shè)長(zhǎng)度，m；Lm為實(shí)際工程地質(zhì)長(zhǎng)度，m；tp為試驗(yàn)開(kāi)挖時(shí)間，s；tm為現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采時(shí)間，s；γp為相似材料配比容重，g/cm3；γm為實(shí)際巖石容重，g/cm3；αL為幾何相似常數(shù)；αt為時(shí)間相似常數(shù)；ασ為應(yīng)力相似常數(shù)；αγ為容重相似常數(shù)；σ1為下盤(pán)巖體對(duì)斷層帶巖體的支承力，MPa；σ2為上覆巖體的垂直應(yīng)力，MPa；σ3、σ4分別為作用在斷層面上的原巖水平應(yīng)力，MPa；θ為斷層傾角，(°)。