采動(dòng)影響下逆斷層活化規(guī)律的數(shù)值模擬

閔飛虎，向必偉，劉 輝，朱曉峻

采動(dòng)影響下逆斷層活化規(guī)律的數(shù)值模擬

閔飛虎1,2，向必偉1,2，劉 輝1,2，朱曉峻1,2

(1. 安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2. 安徽省礦山生態(tài)修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

煤礦開采過程中斷層活化時(shí)有發(fā)生，是礦井災(zāi)害防治研究的熱點(diǎn)問題。為了揭示不同斷層傾角條件下煤層開采對(duì)斷層活化的影響，以淮南新集二礦地質(zhì)采礦條件為例，采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究逆斷層下煤層開采過程中斷層的動(dòng)態(tài)活化規(guī)律，闡明了斷層活化位置與工作面推進(jìn)距離、斷層傾角之間的關(guān)系。研究表明，斷層活化可分為累積期、形成期、破壞期3個(gè)發(fā)育階段；當(dāng)工作面回采至工作面推進(jìn)距離的一半時(shí)，斷層開始活化，至開采結(jié)束，斷層滑移量最大；傾角越小的斷層面越早開始活化，傾角越大的斷層面滑移量越大。研究成果為斷層發(fā)育區(qū)煤炭資源安全開采提供了理論依據(jù)和技術(shù)參考。

斷層活化；逆斷層；煤礦開采；數(shù)值模擬；礦井災(zāi)害；新集二礦

近年來大量工程實(shí)例表明，斷層在煤礦開采過程中可能發(fā)生活化現(xiàn)象[1]，導(dǎo)致極其嚴(yán)重的礦井災(zāi)害，是采礦安全領(lǐng)域所關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一[2]。

煤礦開采過程中斷層活化是地質(zhì)構(gòu)造條件與工程環(huán)境相互作用的結(jié)果[3]。前人研究表明，影響斷層活化的主要因素有斷層性質(zhì)、斷層產(chǎn)狀、煤層覆巖、開采工藝等。針對(duì)各單一因素對(duì)斷層活化的影響，前人開展了大量工作，蔣金泉等[4]探討了厚煤層覆巖條件下斷層活化的演化；李守國等[5]、代進(jìn)等[6]、焦振華等[7]研究了斷層產(chǎn)狀、斷層面力學(xué)性質(zhì)等對(duì)斷層活化的影響；此外還有大量學(xué)者從開采工藝角度總結(jié)了斷層活化的規(guī)律[6,8-9]。理論研究方面，李振雷等[10]從巖石力學(xué)角度建立斷層閉鎖與解鎖滑移的力學(xué)模型來探討斷層活化的臨界應(yīng)力條件。上述研究在很大程度上揭示了各單一因素對(duì)斷層活化不同階段的影響，對(duì)解釋地質(zhì)條件相對(duì)單一的礦區(qū)取得了較為理想的成果。然而，對(duì)一些地質(zhì)條件復(fù)雜的礦區(qū)，斷層活化受多種因素相互疊加影響，如果單從某個(gè)影響因素的角度來探討斷層的活化問題，難以表現(xiàn)實(shí)際情況。

相比數(shù)學(xué)分析，數(shù)值模擬能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜的計(jì)算，對(duì)研究不同影響因素相互作用具有明顯的優(yōu)勢(shì)[11]。對(duì)于礦區(qū)在采動(dòng)情況下的地質(zhì)災(zāi)害研究，數(shù)值模擬逐漸成為主流研究方法之一，大量應(yīng)用于工程實(shí)例分析[4,12-16]。本文通過FLAC3D數(shù)值模擬，以淮南新集二礦的礦區(qū)地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，系統(tǒng)研究逆斷層下盤工作面向斷層推進(jìn)過程中斷層面活化滑移的動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律，揭示工作面與斷層距離對(duì)斷層活化滑移的影響，建立斷層帶發(fā)育位置與斷層傾角、工作面推進(jìn)距離之間的關(guān)系模型。本次模擬結(jié)果為進(jìn)一步深入研究煤礦開采中斷層活化機(jī)制提供了理論依據(jù)和參考。

1 礦區(qū)地質(zhì)背景

新集二礦位于淮南煤田的西南方向，井田內(nèi)基巖均被新生界所覆蓋，據(jù)鉆孔揭露，發(fā)育有下元古界、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、新近系和第四系地層，其中二疊系山西組和上、下石盒子組為主要含煤地層。

新集二礦礦區(qū)地處華北板塊東南部，受區(qū)域NWW–SSE向華北邊緣的北淮陽構(gòu)造系以及NNE向郯廬斷裂構(gòu)造系控制，礦區(qū)基本構(gòu)造為近垂直的N–W向和NNE向兩組構(gòu)造。

新集二礦井田位于謝橋向斜南翼，屬于淮南復(fù)向斜，在穎鳳區(qū)阜鳳推覆構(gòu)造的中段，區(qū)域構(gòu)造總體近東西走向。新集二礦井田內(nèi)，外來推覆體沿著阜鳳逆沖斷層，在南北向主壓應(yīng)力作用下，由南向北逆沖推覆于原地含煤地層之上，形成了上疊式推覆構(gòu)造，以阜鳳逆沖斷層為主體(圖1)。

圖1 新集二礦井田構(gòu)造綱要示意圖

2 模型設(shè)計(jì)

以新集二礦井田實(shí)際地層及逆斷層產(chǎn)狀特征為基礎(chǔ)，根據(jù)新集二礦11-2煤層地質(zhì)采礦條件，建立數(shù)值模型，如圖2所示。設(shè)計(jì)開采深度為400 m，工作面推進(jìn)距離1 000 m，寬度600 m，三維模型如圖3所示，單元尺寸為5 m×5 m×5 m，共計(jì)1 439 400個(gè)剖分單元和1 498 436個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型尺寸3 000 m× 2 000 m×535 m(長×寬×高)，為了避免邊界應(yīng)力效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，邊界設(shè)置與研究區(qū)域足夠遠(yuǎn)，走向兩側(cè)各留1 000 m，傾向兩側(cè)各留700 m。

模型前后和左右施加水平方向約束；模型底部為固定支撐；模型頂部為自由面。斷層面設(shè)置為無厚度接觸面單元，可以分析一定受力條件下兩個(gè)接觸表面上產(chǎn)生的錯(cuò)動(dòng)滑移、分離與閉合。接觸面本構(gòu)模型采用庫倫剪切模型，符合淺層斷裂構(gòu)造性質(zhì)。斷層主要參數(shù)為：法向剛度1 GN/m、剪切剛度0.4 GN/m、內(nèi)摩擦角22°，黏聚力0.4 MPa，抗拉強(qiáng)度0.001 MPa[17]，接觸面傾角分別為30°、45°、60°、75°。

初始平衡后，從方向1 000 m處開始開采，每次開采長度為100 m，共進(jìn)行10次開采(即圖2中序號(hào)1—10)，到達(dá)斷層位置(圖2)。

計(jì)算中采用應(yīng)變軟化模型模擬煤(巖)體峰后強(qiáng)度逐步降低的性質(zhì)，并采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為煤(巖)體材料的屈服判據(jù)；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和調(diào)研相關(guān)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果[18]，考慮礦山巖體的尺寸效應(yīng)，模型中各巖層計(jì)算參數(shù)如表１所示。

在斷層帶、開采煤層及其頂、底板設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄煤層頂板垂直應(yīng)力、斷層面上應(yīng)力及地表移動(dòng)隨開采過程的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，模擬分析逆斷層下盤工作面的采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律和斷層活化特性。

3 模型驗(yàn)證

在模擬開采過程中斷層活化規(guī)律前，必須檢驗(yàn)所建模型、力學(xué)參數(shù)、邊界條件的合理性，利用新集二礦覆蓋巖層頂板破壞監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型與力學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。

新集二礦11-2煤層111101工作面推進(jìn)距離710 m，長度160 m，平均煤厚3.5 m，傾角10°，煤層平均埋深333 m，可采儲(chǔ)量49.2萬t。在04勘探線以西，11-2煤層頂板主要為細(xì)砂巖、中砂巖、石英砂巖。井田中深部受多條斷層以及伴生小斷層切割的影響，裂隙發(fā)育。

根據(jù)新集二礦111101工作面風(fēng)巷內(nèi)兩孔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及02勘探線資料，11-2煤層開采后覆巖破壞裂高(導(dǎo)水裂隙帶高度)采厚比為10.83︰1，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2。

圖2 逆斷層數(shù)值模型及其邊界條件

圖3 三維數(shù)值模型

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

建立尺寸3 000 m×2 000 m×535 m(長×寬×高)、逆斷層傾角為60°、工作面(位于斷層下盤)尺寸為長度160 m、推進(jìn)距離700 m、煤層采厚3.5 m的數(shù)值模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，利用模擬實(shí)驗(yàn)修正巖層力學(xué)參數(shù)，分析塑性破壞區(qū)域(圖4)。根據(jù)模擬結(jié)果，受采動(dòng)影響的巖層力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)如表2所示：頂板破壞帶模擬結(jié)果見表3。對(duì)比裂高實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果，裂高采厚比吻合較好，誤差為2.83%，模型較可靠，可用于后續(xù)模擬。

圖4 工作面推進(jìn)160 m塑性破壞區(qū)域

表2 巖層力學(xué)參數(shù)的修正系數(shù)

表3 覆巖裂高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與所建模型模擬結(jié)果

4 模擬計(jì)算

以驗(yàn)證模型的尺寸和工作面大小為基準(zhǔn)，將采厚變?yōu)? m，建立模擬模型，模擬斷層傾角取30°、45°、60°、75°。工作面逐步向斷層開采的過程中，每步開采100 m，重點(diǎn)考察工作面頂板支撐應(yīng)力、斷層面上應(yīng)力、斷層面上滑移量等參數(shù)的演化。模擬結(jié)果表明，當(dāng)模擬斷層傾角在60°、工作面開采600 m時(shí)，斷層面上產(chǎn)生滑移，斷層活化現(xiàn)象最為顯著。據(jù)此，取斷層傾角60°、工作面開采600 m時(shí)引發(fā)的斷層活化現(xiàn)象為代表，論述工作面推進(jìn)過程中頂板支撐應(yīng)力演化規(guī)律、斷層面上應(yīng)力分布特征和斷層位移可能性。同時(shí)，論述不同產(chǎn)狀條件下各參量演化差異，進(jìn)而分析斷層活化規(guī)律。

4.1 工作面推進(jìn)過程中頂板支撐應(yīng)力演化規(guī)律

模擬計(jì)算結(jié)果揭示，在工作面向逆斷層逐漸推進(jìn)過程中，采空區(qū)覆巖應(yīng)力變化逐漸傳遞到斷層及上盤覆巖，地表沉陷的形成和發(fā)育逐漸加劇(圖5b)。圖5a揭示了逆斷層下工作面推進(jìn)至距斷層不同位置，工作面頂板支撐應(yīng)力分布規(guī)律：

a.工作面頂板垂直應(yīng)力在斷層處被中斷，工作面兩幫出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中區(qū)域，在工作面推進(jìn)至500 m之前，兩幫支撐應(yīng)力逐漸增大，工作面兩幫頂板垂直應(yīng)力呈現(xiàn)對(duì)稱關(guān)系。

b.逆斷層對(duì)工作面頂板支撐應(yīng)力影響較為顯著，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，到達(dá)斷層影響區(qū)域，切眼處垂直應(yīng)力逐漸增加，停采線處頂板垂直應(yīng)力逐漸減小，這是由于逆斷層上盤覆巖呈砌體梁支撐作用，垂直應(yīng)力傳遞到斷層面及逆斷層上盤覆巖，而頂板的垂直應(yīng)力逐漸減小。

圖5 傾角60°逆斷層下盤逐步推進(jìn)煤層頂板支撐壓力和地表下沉分布

4.2 斷層面上應(yīng)力分布特征

逆斷層下盤工作面開挖后，工作面推進(jìn)至斷層下盤不同位置時(shí)，斷層面上切向應(yīng)力和法向應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化過程(圖6)具有以下特征：

a.隨著工作面在逆斷層下盤逐步推進(jìn)，法向應(yīng)力的變化趨勢(shì)和切向應(yīng)力基本一致，在工作面推進(jìn)距斷層200 m之前，斷層面上的切向應(yīng)力變化相對(duì)不大；在推進(jìn)距斷層200 m時(shí)，斷層面上切向應(yīng)力出現(xiàn)明顯波動(dòng)。工作面推進(jìn)至斷層時(shí)，斷層面上的切向應(yīng)力達(dá)到峰值點(diǎn)50.53 MPa，法向應(yīng)力達(dá)到峰值點(diǎn)115.55 MPa，切向應(yīng)力峰值點(diǎn)與煤層底板距離為30 m。在斷層面上距煤層頂板75~100 m和115~ 140 m時(shí)，切向應(yīng)力為0，法向應(yīng)力也為0，此時(shí)斷層兩盤出現(xiàn)了分離現(xiàn)象。

b.工作面頂板與數(shù)值模型底部垂直距離為135 m，隨著工作面在逆斷層下盤逐步推進(jìn)，斷層面上切向應(yīng)力與法向應(yīng)力變化區(qū)域主要在工作面水平位置附近，切向應(yīng)力與法向應(yīng)力的峰值位于煤層頂板上方垂直距離30 m處，斷層面上應(yīng)力變化主要影響區(qū)域?yàn)槊簩禹敯宕怪本嚯x下方45 m到頂板上方140 m。

圖6 斷層傾角為60°時(shí)斷層面上應(yīng)力狀態(tài)

4.3 斷層位移可能性分析

模擬斷層結(jié)構(gòu)面上、下兩盤的相對(duì)位移指示了開采過程中斷層活化的可能性。根據(jù)摩擦定律，接觸面的摩擦性質(zhì)取決于切向應(yīng)力與法向應(yīng)力的比值。為考察斷層兩盤滑動(dòng)的可能性，取斷層帶上切向應(yīng)力與法向應(yīng)力的比值作為考察指標(biāo)[12]，繪制其在A3，B，C3監(jiān)測(cè)點(diǎn)處(圖2)隨工作面推進(jìn)的變化規(guī)律。其中A3點(diǎn)在煤層頂板上部垂直距離40 m的斷層面上，B點(diǎn)在煤層頂板上部垂直距離5 m的斷層面上，C3點(diǎn)在煤層頂板下部垂直距離40 m的斷層面上。

逆斷層傾角為60°時(shí)，下盤工作面在推進(jìn)過程中，斷層面上切向應(yīng)力與法向應(yīng)力的變化如圖7a、圖7b所示，切向應(yīng)力與法向應(yīng)力的比值如圖7c所示，具有以下分布規(guī)律：

逆斷層傾角為60°時(shí)，斷層面上A3、B、C3點(diǎn)的切向應(yīng)力和法向應(yīng)力均逐漸增大。隨著逆斷層下盤工作面的逐步推進(jìn)，A3處切向應(yīng)力和法向應(yīng)力呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；在工作面推進(jìn)至距斷層300 m之前，切向應(yīng)力和法向應(yīng)力比值均逐漸減小(圖7c)，說明這個(gè)階段法向應(yīng)力的增大幅度要大于切向應(yīng)力，以法向應(yīng)力增大占主導(dǎo)作用。工作面推進(jìn)至距斷層300 m后，切向應(yīng)力與法向應(yīng)力比值迅速增大，最終達(dá)到0.508，此階段切向應(yīng)力的增大幅度大于法向應(yīng)力，此時(shí)切向應(yīng)力的增大占主導(dǎo)作用。

在工作面推進(jìn)至距斷層200 m前，B點(diǎn)切向應(yīng)力和法向應(yīng)力比值逐漸減小(圖7c)，說明這個(gè)階段法向應(yīng)力的增大幅度要大于切向應(yīng)力，以法向應(yīng)力的增大占主導(dǎo)作用；工作面推進(jìn)至距斷層200 m后，切向應(yīng)力與法向應(yīng)力比值突然增大，峰值達(dá)到0.372，此階段切向應(yīng)力的增大幅度要大于法向應(yīng)力(圖7a—圖7c)，此時(shí)切向應(yīng)力的增大占主導(dǎo)作用；當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層時(shí)，切向應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，法向應(yīng)力斷續(xù)增大，比值也減小，此階段切向應(yīng)力的減小占主導(dǎo)作用(圖7a—圖7c)。

在工作面推進(jìn)至距斷層300 m之前，C3點(diǎn)處切向應(yīng)力和法向應(yīng)力均呈減小趨勢(shì)，切向應(yīng)力和法向應(yīng)力比值逐漸減小，說明這個(gè)階段法向應(yīng)力的增大幅度要大于切向應(yīng)力，以法向應(yīng)力的增大占主導(dǎo)作用(圖7a—圖7c)。工作面推進(jìn)至距斷層300 m后，切向應(yīng)力與法向應(yīng)力比值迅速增大，當(dāng)推進(jìn)至斷層時(shí)，比值達(dá)到峰值0.438，此階段切向應(yīng)力的增大幅度要大于法向應(yīng)力，以切向應(yīng)力的增大占主導(dǎo)作用(圖7a—圖7c)。

通過斷層面上A3、B、C3點(diǎn)切向應(yīng)力和法向應(yīng)力比值分析(圖7c)，可以得知，在工作面上部斷層面的A3點(diǎn)切向應(yīng)力和法向應(yīng)力比值高于B和C3點(diǎn)，斷層滑移的可能性最大；在B點(diǎn)工作面開采的初始階段較穩(wěn)定，當(dāng)工作面推進(jìn)至距斷層200 m時(shí)，B點(diǎn)處的切向應(yīng)力和法向應(yīng)力比值出現(xiàn)強(qiáng)烈的波動(dòng)，可能已經(jīng)出現(xiàn)滑移，應(yīng)力進(jìn)行了重新分配；C3點(diǎn)處切向應(yīng)力和法向應(yīng)力比值變化幅度最小。因此，A3點(diǎn)和B點(diǎn)斷層處滑移可能性要明顯高于煤層底板斷層面上C3點(diǎn)。

4.4 產(chǎn)狀對(duì)接觸面活化的影響

為了保證在各傾角時(shí)工作面開采條件相同，在工作面終采線的上部B點(diǎn)改變斷層傾角，分別得到斷層傾角為60°條件下工作面推進(jìn)過程中斷層活化滑移發(fā)育信息(圖7)，以及傾角為30°、45°、60°、75°這4種不同條件下工作面推進(jìn)過程中頂板支撐應(yīng)力演化規(guī)律(圖8)。

模擬結(jié)果揭示，傾角的變化與接觸面滑移活化、垂直應(yīng)力演化呈現(xiàn)以下規(guī)律：

a.隨著傾角增大，接觸面兩盤最終相對(duì)滑移峰值總體上呈增大趨勢(shì)(除30°外)，斷層傾角為60°工作面推進(jìn)至斷層時(shí)，接觸面上切向滑移量達(dá)到最大值0.429 9 m(圖7d)；在工作面逐步向接觸面推進(jìn)過程中，不同傾角模擬逆斷層下盤工作面推進(jìn)距接觸面400 m時(shí)，均已產(chǎn)生剪切滑移；隨著開采繼續(xù)推進(jìn)，接觸面的滑移量逐漸增大。

b.不同傾角接觸面下盤工作面推進(jìn)距接觸面300 m時(shí)，切向應(yīng)力和法向應(yīng)力比值均迅速增大，除傾角為60°外，隨著工作面繼續(xù)向接觸面推進(jìn)，其比值都在一直增大中；傾角60°的逆斷層在工作面推進(jìn)至距斷層100 m時(shí)，切向應(yīng)力突然減小(圖8a)，主要是因?yàn)榻佑|面在監(jiān)測(cè)點(diǎn)B處兩盤出現(xiàn)相對(duì)位移，切向應(yīng)力釋放并重新調(diào)整的結(jié)果。

c.工作面向斷層推進(jìn)過程中，斷層上盤垂直應(yīng)力集中程度高于下盤(圖8)；不同傾角逆斷層下盤工作面采動(dòng)應(yīng)力分布有顯著差異。隨著工作面與斷層距離的逐漸減小，不同傾角逆斷層工作面頂板支撐應(yīng)力呈現(xiàn)不同的規(guī)律。在斷層傾角小于45°時(shí)，工作面終采線處，頂板支撐應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢(shì)。在斷層傾角大于45°時(shí)，工作面終采線處，頂板支撐應(yīng)力呈減小趨勢(shì)。

圖8 逆斷層下盤推進(jìn)過程中垂直應(yīng)力動(dòng)態(tài)演化規(guī)律

4.5 開采過程中新集二礦安全性預(yù)測(cè)

新集二礦井田內(nèi)，外來推覆體沿著阜鳳逆沖斷層，在南北向主壓應(yīng)力作用下，由南向北逆沖推覆于原地含煤地層之上，形成了上疊式推覆構(gòu)造。以阜鳳逆沖斷層為主體，井田中深部受F10、F11、F20等斷層以及伴生小斷層切割的影響，傾角變化大，局部倒轉(zhuǎn)(圖1)。

根據(jù)斷層傾角60°的模擬結(jié)果，結(jié)合新集二礦實(shí)際地質(zhì)現(xiàn)狀，動(dòng)態(tài)開采過程中，隨著頂板垂直應(yīng)力和斷層面上應(yīng)力的演化可能會(huì)發(fā)育不同類型的礦井環(huán)境地質(zhì)問題。工作面推進(jìn)100~500 m過程中，采空區(qū)頂板垂直應(yīng)力呈現(xiàn)對(duì)稱分布的規(guī)律，斷層處總體穩(wěn)定；當(dāng)工作面推進(jìn)至600 m時(shí)，斷層面上切向應(yīng)力趨于9.24 MPa(圖6a)，法向應(yīng)力21.08 MPa (圖6b)，此時(shí)斷層呈現(xiàn)為張性，可能導(dǎo)致斷層成為瓦斯、水涌入的通道。當(dāng)工作面開采至700 m時(shí)，切向應(yīng)力與法向應(yīng)力比值達(dá)到0.483，為斷層活化的臨界值，此時(shí)斷層可能開始活化、失穩(wěn)，從而誘發(fā)沖擊地壓、冒頂、塌方、地下水涌入、煤與瓦斯突出等一系列礦井環(huán)境地質(zhì)問題。

5 模擬斷層活化規(guī)律

以斷層傾角60°時(shí)為例，通過工作面推進(jìn)過程中垂直應(yīng)力(圖5a，圖9)，斷層面上切向應(yīng)力和法向應(yīng)力(圖6)以及斷層滑移危險(xiǎn)性分析(圖7)，可以得知，盡管存在一些細(xì)節(jié)上的差異，逆斷層活化發(fā)育總體上可分為累積期、形成期和破壞期3個(gè)階段。

a.累積期

工作面開采初期，當(dāng)工作面推進(jìn)至500 m時(shí)，斷層面上未發(fā)生采空區(qū)覆巖應(yīng)力破壞傳遞，斷層上應(yīng)力變化較小，不足以造成斷層兩盤滑移，該階段為斷層活化發(fā)育的積累期。具體表現(xiàn)為：當(dāng)工作面推進(jìn)100~500 m時(shí)，工作面兩盤垂直應(yīng)力呈現(xiàn)對(duì)稱，斷層面上切向應(yīng)力與法向應(yīng)力變化幅度較小，切向應(yīng)力與法向應(yīng)力比值變化不明顯，剪切滑移量為0，采空區(qū)覆巖的應(yīng)力狀態(tài)未傳遞到斷層和上盤煤(巖)體(圖9a—圖9e)。

b.形成期

隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)應(yīng)力變化傳遞至斷層和上盤覆巖層，斷層面上應(yīng)力開始增加，兩盤相互擠壓，斷層上、下兩盤開始出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，此過程為斷層活化滑移的形成期。具體表現(xiàn)為：工作面推進(jìn)600~800 m時(shí)，工作面兩幫垂直應(yīng)力開始呈不對(duì)稱(圖9f—圖9h)，切眼垂直應(yīng)力高于停采線處(圖5a)。采動(dòng)應(yīng)力傳遞到斷層上盤時(shí)，斷層面上切向應(yīng)力與法向應(yīng)力變化較大(圖6)，切向應(yīng)力與法向應(yīng)力比值增大，切向應(yīng)力占主要作用，出現(xiàn)剪切滑移現(xiàn)象(圖7d)，斷層區(qū)域兩盤產(chǎn)生整體滑移，剪切滑移量分別為0.025 8 m、0.117 6 m和0.250 2 m。

c.破壞期

隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，逆斷層上盤覆巖層與斷層面的應(yīng)力耦合影響增大，斷層面上應(yīng)力變化加劇，兩盤相互擠壓，出現(xiàn)滑移、分離和閉合現(xiàn)象，此過程為斷層活化滑移的破壞期；破壞區(qū)域涉及覆巖和斷層兩盤煤(巖)體。具體表現(xiàn)為：當(dāng)工作面推進(jìn)900~1 000 m時(shí)，工作面兩幫垂直應(yīng)力明顯呈不對(duì)稱(圖9i—圖9j)，切眼垂直應(yīng)力高于停采線處(圖5a)；采動(dòng)應(yīng)力繼續(xù)傳遞到斷層上盤時(shí)，斷層面上切向應(yīng)力與法向應(yīng)力變化加劇(圖6)，切向應(yīng)力與法向應(yīng)力出現(xiàn)為0的情況，斷層兩盤出現(xiàn)分離和閉合現(xiàn)象，上覆巖層及右側(cè)斷層區(qū)域兩盤產(chǎn)生整體滑移，剪切滑移量增加到0.429 9m (圖7d)。

不同傾角逆斷層活化細(xì)節(jié)有所差異，總體上斷層活化的發(fā)育可分為累積期、形成期和破壞期3個(gè)階段，根據(jù)圖7d、圖8所示，傾角越小的斷層工作面，頂板垂直應(yīng)力越早傳遞到逆斷層上盤覆巖層，斷層活化發(fā)育的累積期縮短，形成期和破壞期時(shí)間延長。

圖9 傾角60°逆斷層下盤逐步開采垂直應(yīng)力分布云圖

6 結(jié)論

a. 逆斷層下盤工作面采空后，工作面端頭外側(cè)形成強(qiáng)支撐區(qū)，隨著工作面與斷層距離的逐漸減小，不同傾角逆斷層工作面頂板支撐應(yīng)力呈現(xiàn)不同的規(guī)律。傾角越小的斷層工作面頂板垂直應(yīng)力越早傳遞到逆斷層上盤覆巖層，在斷層傾角小于45°時(shí)，工作面終采線處，頂板支撐應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；在斷層傾角大于45°時(shí)，工作面終采線處，頂板支撐應(yīng)力呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

b. 在采動(dòng)影響下，不同傾角逆斷層面切向應(yīng)力和法向應(yīng)力比值作為考察斷層穩(wěn)定性的指標(biāo)，切向應(yīng)力是影響逆斷層穩(wěn)定的主要決定因素。下盤工作面與斷層距離為500 m時(shí)，斷層開始活化；下盤工作面與逆斷層距離為300 m時(shí)，切向應(yīng)力和法向應(yīng)力的比值出現(xiàn)明顯增大的現(xiàn)象，斷層兩盤滑移危險(xiǎn)性加劇。

c.基于FLAC3D數(shù)值模擬及斷層滑移動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律，將斷層的活化滑移分為積累期、形成期、破壞期3個(gè)發(fā)育階段；傾角越小的斷層工作面頂板垂直應(yīng)力越早傳遞到逆斷層上盤覆巖層，斷層活化發(fā)育的累積期縮短，形成期和破壞期時(shí)間延長。受到斷層影響，開采引起斷層兩盤局部出現(xiàn)分離、閉合現(xiàn)象，容易產(chǎn)生斷層活化，引起沖擊地壓、煤與瓦斯突出等環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。

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Numerical simulation on mechanism of thrust fault reactivation during mining

MIN Feihu1,2, XIANG Biwei1,2, LIU Hui1,2, ZHU Xiaojun1,2

(1. School of Resources and Environmental Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China;2. Anhui Province Engineering Laboratory of Mine Ecological Remediation,Hefei 230601, China)

It is a hot issue in mine disaster research about the activation of faults during the process of coal mining and excavation. In order to reveal the influence of coal mining on fault activation under different fault dip conditions, Xinji No.2 mine in Huainan coalfield was taken as an example, and numerical simulation with FLAC3Dwas used to systematically study the dynamic activation law of thrust faults during mining beside the faults, and to clarify the relationship among fault activation position and fault dip angle and excavated distance of working face.The results show that the fault activation is divided into three stages: Accumulation period, formation period and dynamic development period. As the working surface advances, the fault begins to activate when it is pushed to half the length of the working face, and the fault slip is the largest at the end of mining. As the fault dip angle increases, the smaller the dip angle, the earlier the fault layer begins to activate. The larger the dip angle, the larger the slip surface will be. It provides a theoretical basis and technical reference for the safe exploitation of coal resources in fault development areas.

fault reactivation; thrust fault; coal mining; numerical simulation; mine disaster; Xinji No.2 mine

P542

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.022

1001-1986(2019)04-0144-09

2019-02-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41472194)；安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2018A0003)

National Natural Science Foundation of China(41472194)；Key Project of Natural Science Research in Colleges and Universities of Anhui Province(KJ2018A0003)

閔飛虎，1990年生，男，安徽淮北人，碩士研究生，從事礦山地質(zhì)環(huán)境研究. E-mail：feihumin@126.com

向必偉，1976年生，男，湖北漢川人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事環(huán)境地球化學(xué)研究. E-mail：xbw1977@163.com

閔飛虎，向必偉，劉輝，等. 采動(dòng)影響下逆斷層活化規(guī)律的數(shù)值模擬[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(4)：144–152.

MIN Feihu，XIANG Biwei，LIU Hui，et al. Numerical simulation on mechanism of thrust fault reactivation during mining[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：144–152.

(責(zé)任編輯 周建軍)