超前支承壓力對斷層活化影響的數值分析*

王 林，王衛軍，黃 俊，張永青

(湖南科技大學能源與安全工程學院， 湖南湘潭市 411201)

超前支承壓力對斷層活化影響的數值分析*

王 林，王衛軍，黃 俊，張永青

(湖南科技大學能源與安全工程學院， 湖南湘潭市 411201)

應用FLAC－3D對工作面前方的移動支承壓力對斷層活化的影響作用進行分析，研究結果表明:在斷層上盤回采過程中，隨工作面推進，斷層周圍的垂直應力和剪應力發生劇烈變化，在距離斷層帶45 m時，斷層已完全活化;支承壓力對斷層上下盤巖體位移量也產生顯著影響，且斷層上盤的應力和位移變化量明顯大于斷層下盤應力和位移的變化量。

斷層活化;超前支承壓力;FLAC－3D;應力分布

礦井突水嚴重影響煤礦的安全生產，研究結果表明，79.5%的煤礦工作面頂底板突水事故與斷層相關。由于煤層開采后，處于自然平衡狀態的應力場將發生改變，原巖應力重新分布，而斷層對工作面前方的應力分布產生極其顯著的影響，破壞工作面的安全生產。當工作面的移動支承壓力波及到斷層影響帶而發生斷層“活化”時，容易引起突水等地質災害。很多學者對斷層“活化”的機理進行研究[1～3]，并且取得了豐碩的成果。但由于斷層賦存的復雜性、斷層產狀的多變性以及煤層開采條件不同，斷層“活化”機理呈現多樣性。本文利用FLAC－3D對某礦工作面前方的支承壓力對斷層“活化”進行研究。

1 數值計算模型

本文利用FLAC－3D連續介質有限差分程序[5]進行計算分析。根據某礦的地質資料，建立的數值計算模型如圖1所示，長、寬、高分別是250，100和200 m，其中斷層的參數為法向剛度5.56GPa，切向剛度 5.56GPa，內摩擦角 15°，內聚力 1e3 Pa。其他巖層參數如表1所示。

采用摩爾—庫倫準則進行運算，模型側面限制水平移動，底面限制垂直移動，上部設置為自由面。開采深度為500 m，在模型上部邊界的法向方向上施加10MPa的力。

模擬開挖前進行初始應力平衡，應力平衡后垂直應力分布見圖2。由圖2可知，在原巖應力狀態下，受斷層的影響，分布在斷層周圍的垂直應力變化幅度比較大，并且隨著與斷層帶距離的加大，垂直應力的分布漸趨于平緩。產生這種現象的原因為:在地質構造作用后期，斷層帶周圍的巖體的應力沒有得到完全釋放，使其積蓄大量的殘余應力，因此導致處于斷層帶周圍巖體的應力出現劇烈波動的現象。

圖1 數值計算模型

表1 巖層參數

圖2 原巖應力狀態下垂直應力分布

工作面布置在斷層上盤，開切眼位置如圖1所示，逐步向斷層附近推移。模擬開挖的過程中，為了能夠了解工作面超前支承壓力對斷層帶的影響，在工作面推進的過程中，對斷層上、下盤鄰近的單元體和節點進行應力和位移監測，監測的單元體1、2位置如圖1所示。

2 結果與分析

在工作面的推進過程中，不同開挖步數的垂直應力分布如圖3所示。由圖3可知，開挖第1步時，斷層帶周圍的應力分布同原巖應力狀態時應力分布相同;當開挖第9步時，由于受工作面超前支承壓力的影響，斷層帶周圍呈現應力劇烈變化的現象，并且斷層帶附近的應力明顯增大。隨開挖步數的增加，應力變化逐步平緩，應力峰值遠離斷層帶。

圖3 不同開挖步數的垂直應力分布

由圖4、圖5可知，當工作面與斷層距離較遠時，隨工作面推進，垂直應力基本相同，剪應力的變化幅度基本一致;隨工作面向前推進，當開挖第9步時(工作面距離斷層45 m)，斷層上下盤的垂直應力呈降低的趨勢，斷層上下盤的剪應力隨工作面推進呈增加趨勢;當工作面距離斷層帶30 m左右時，剪應力逐漸減小;當距離接近10 m時，斷層上盤的剪應力呈反向增加。在監測的斷層上下盤單元體的應力變化過程中，斷層上盤應力變化速度比斷層下盤的應力變化速度要快。

圖4 斷層上下盤垂直應力變化

圖5 斷層上下盤剪應力變化

在斷層上下盤的鄰近位置取節點對水平方向(X)、垂直方向(Z)的位移進行監測，監測結果如圖6、圖7所示。

圖6 斷層節點X方向位移

圖7 斷層節點Z方向位移

由圖6、圖7可知，隨工作面的推進，斷層上盤節點的位移變化量明顯比斷層下盤節點的位移變化量要大;當開挖第9步(工作面距離斷層45 m)時，X方向位移和Z方向位移變化量開始發生顯著變化，隨工作面推進，位移逐漸增加;當工作面當距離斷層帶30 m左右時，位移變化量均達到最大值;隨工作面的繼續推進，斷層上下盤的位移量均逐漸減小。

對圖3～圖7進行分析，當工作面距離斷層帶很遠時，工作面與斷層帶間的巖體未全部受到應力的影響，仍處于原巖應力狀態;隨工作面的推進，工作面超前支承壓力開始擾動斷層帶附近的殘余應力場，由于斷層上、下盤巖體的力學差異性，應力及位移出現不同的變化規律，且斷層帶上、下盤的巖體在高應力的作用下發生破壞;在斷層完全活化后，斷層帶周圍的應力峰值降低，從而使應力變化規律與位移變化量又趨于一致。

因此，工作面前方的支承壓力不僅對斷層周圍巖體的應力分布產生明顯影響，而且對斷層上下盤巖體的位移量也產生顯著影響。

3 結論與展望

(1)工作面前方的移動支承壓力擾動斷層周圍的應力分布。在斷層上盤開采過程中，工作面距離斷層帶45 m左右的距離時，斷層活化;斷層活化過程中，斷層上、下盤鄰近巖體的應力和位移的變化量、變化率均表現為斷層上盤明顯大于斷層下盤。

(2)若斷層貫穿含水層，由于水化作用，斷層帶附近巖體的強度將降低。受工作面采動影響導致斷層活化后，含水層內的承壓水將通過斷層沿著裂隙的擴展，當承壓水達到工作面前方時，如果不采取加固措施(注漿等)，可能導致工作面突水事故的發生。

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湖南省科技廳重點資助項目(2009FJ2005).

2010－12－23)

王 林(1985－)，男，山東威海人，碩士研究生，主要從事巷道圍巖控制研究，Email:wanglin850524@163.com。