固液耦合模式下采動誘發斷層界面應力變化規律的模擬研究

張培森 ,楊 健 ,王明輝 ,王 浩

(1.山東科技大學資源與環境工程學院，山東 青島 266590；2.礦山災害預防控制-省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；3.山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021)

由于煤炭為一次性能源，隨著煤炭開采深度及強度的不斷加大，淺部的資源已頻臨枯竭，煤炭開采以15～30m/a的速度向深部發展，當前采深大于600m的已占30%，超過千米的深井達39處，預計到2030年我國很多煤礦的開采深度將達到1000～1500m。深部煤層的賦存條件也越趨復雜，開采難度大大提高，煤礦事故，特別是斷層突水事故是當前深部開采所面對的主要難題之一[1-2]。

采動誘發斷層活化是采礦學科中典型的非線性力學問題，是指含煤地層中的斷層在采動影響下產生滑移的現象[3]。斷層活化使得斷層帶以及兩盤靠近斷層的部位產生新的裂隙，原有的裂隙進一步擴大，最后形成突水通道，為工作面突水提供了重要的條件[3]。長期以來，國內不少學者對斷層突水進行了大量的研究[1-10]，也取得了很多有價值的成果，并進行了大量有關斷層突水的相似材料模擬試驗、理論分析及數值模擬研究，而有關固液耦合模式下采動誘發斷層界面應力變化對斷層活化突水的影響研究卻不多。本文以五溝煤礦F16斷層地質條件為背景，采用大型巖土類數值模擬軟件FLAC3D的固液耦合模式對采動誘發斷層界面應力變化規律進行數值模擬研究，為斷層安全防水煤巖柱的留設及斷層突水防治提供理論參考。

1 模型建立及計算方案

1.1 模型構建及計算參數選取

五溝煤礦F16斷層落差為70m，開采煤層為10煤，平均厚度為4m。計算模型選取工作面的推進方向為X軸，工作面的傾斜方向為Y軸，模型的豎直方向為Z軸。考慮到邊界效應和計算速度因素，最終確定計算模型大小為600m×10m×200m。根據研究目的，對斷層、煤層及煤層直接頂和直接底網格進行加密處理，具體網格劃分如圖1所示。模型四周邊界均施加水平位移約束，底邊界均施加水平位移及垂直位移約束，上部邊界為自由面，老頂上方載荷與上覆巖層的重力(∑γh)有關。

經過大量巖石力學試驗以及工程類比可知，Mohr-Coulomb準則能很好的反映出巖石破壞的特性，故本次計算選取MOHR模型及FL_ISO模型進行分析。

計算采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則判斷巖體的破壞。

式中：σ1、σ3分別是最大和最小主應力;φ、c分別是摩擦角和粘結力。當fs>0時，材料將發生剪切破壞。在通常應力狀態下，巖體的抗拉強度很低，因此，可根據抗拉強度準則(σ3≥σt)判斷巖體是否產生拉斷破壞。

根據現場的地質調查和相關試驗研究所提供的巖石力學試驗數據，在考慮巖石尺度效應的基礎上，模擬計算采用的主要巖層的物理力學參數見表1。

圖1 模型網格劃分

表1 主要巖層的物理力學參數

1.2 計算方案

針對五溝煤礦F16斷層的地質條件，本文擬采用三維有限差分數值軟件FLAC3D的固液耦合模式對采動誘發斷層界面應力變化規律進行數值模擬研究。斷層界面應力變化規律與多種因素有關，在分析現有研究資料的基礎上，本文重點分析斷層傾角、斷層破碎帶寬度及承壓水水壓不同時在斷層上盤煤層開采過程中斷層界面應力變化規律。

本次計算方案共分析11個計算工況，分為三類：第一類為斷層破碎帶寬度為4m，含水層水壓為3MPa保持不變的前提下，斷層傾角分別為30°、40°、50°、60°、70°；第兩類為斷層傾角為70°，含水層水壓為3MPa保持不變的前提下，斷層破碎帶寬度分別為4m、6m、8m；第三類為斷層破碎帶寬度為6m，斷層傾角為70°保持不變的前提下，含水層水壓分別為2MPa、3MPa、4MPa。

2 計算結果分析

開采煤層位于斷層上盤，考慮到邊界效應，工作面從x=100m處開挖推進。從左向右，向斷層推進，直到距離斷層50m時回采工作結束。在斷層上下盤同一水平布置布設一對監測點，通過分析這一對監測點應力的變化來研究斷層界面的應力變化規律。

2.1 斷層傾角不同對斷層界面應力場變化規律的影響

圖2～6分別描述了斷層傾角不同時，在煤層開采過程中，斷層界面上同一標高處不同監測點上的正應力及剪應力隨計算時步增加而變化的情況。

圖2 斷層傾角為30°時煤層開采過程中斷層界面上的應力變化曲線

圖3 斷層傾角為40°時煤層開采過程中斷層界面上的應力變化曲線

圖4 斷層傾角為50°時煤層開采過程中斷層界面上的應力變化曲線

圖5 斷層傾角為60°時煤層開采過程中斷層界面上的應力變化曲線

圖6 斷層傾角為70°時煤層開采過程中斷層界面上的應力變化曲線

從圖2～6中可以看出，在距離斷煤交線50m時，斷層的上盤界面所受的正應力大于下盤斷層界面所受的正應力，斷層上盤界面所受的剪應力大于斷層下盤界面所受的剪應力；隨著斷層傾角的增加，在工作面推進至斷層50m時，斷層上、下盤界面所受的正應力逐漸減小，而斷層上、下盤所受的剪應力一開始隨著斷層傾角的增加而增加，在斷層傾角超過50°之后又隨著斷層傾角的增加而減小。

2.2 斷層破碎帶寬度不同對斷層界面應力場變化規律的影響

圖7～9分別描述了斷層破碎帶寬度不同時，在煤層開采過程中，斷層界面上同一標高處不同監測點上的正應力及剪應力隨計算時步增加而變化的情況。

圖7 斷層破碎帶寬度為4m時煤層開采過程中斷層界面上的應力變化曲線

圖8 斷層破碎帶寬度為6m時煤層開采過程中斷層界面上的應力變化曲線

圖9 斷層破碎帶寬度為8m時煤層開采過程中斷層界面上的應力變化曲線

從圖7～9中可以看出，在工作面距離斷層50m時，斷層上盤界面所受的正應力大于斷層下盤界面所受的正應力，斷層上盤所受的剪應力大于斷層下盤所受的剪應力；隨著斷層破碎帶寬度的增大，在斷層破碎帶寬度從4m增加到8m時，斷層上、下盤界面所受的正應力越來越大，而斷層上、下界面所受的剪應力逐漸減小。

2.3 含水層水壓不同對斷層界面應力場變化規律的影響

圖10～12分別描述了含水層水壓不同時，在煤層開采過程中，斷層界面上同一標高處不同監測點上的正應力及剪應力隨計算時步增加而變化的情況。

圖10 含水層水壓為2MPa時煤層開采過程中斷層界面上的應力變化曲線

圖11 含水層水壓為3MPa時煤層開采過程中斷層界面上的應力變化曲線

圖12 含水層水壓為4MPa時煤層開采過程中斷層界面上的應力變化曲線

從圖10～12中可以看出，在距離斷煤交線50m時，斷層的上盤界面所受的正應力大于斷層下盤界面所受的正應力，斷層上盤界面所受的剪應力大于斷層下盤界面所受的剪應力；隨著含水層水壓的增加，在工作面推進至斷層50m時，斷層上、下盤界面所受的正應力逐漸增大，斷層上、下盤所受的剪應力也隨之增加。

3 結論

1)在相同工況條件下，斷層的上盤斷層界面所受的正應力大于下盤斷層界面所受的正應力，斷層上盤界面所受的剪應力大于斷層下盤界面所受的剪應力；斷層傾角越大，在工作面推進相同距離時，斷層上、下盤界面所受的正應力越趨減小，而斷層上、下盤所受的剪應力一開始隨著斷層傾角的增加而增加，在斷層傾角超過50°之后又隨著斷層傾角的增加而減小。

2)斷層破碎帶寬度越大，斷層上、下盤界面所受的正應力越大，而斷層上、下界面所受的剪應力逐漸減小。

3)隨著含水層水壓的增加，在工作面推進至斷層50m時，斷層上、下盤界面所受的正應力逐漸增大，斷層上、下盤所受的剪應力也隨之增加；水壓越大，斷層突水危險性就越大。

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