破碎帶寬度對斷層活化及煤柱留設的影響研究*

李鵬飛，劉啟蒙，陳秀艷，葉　梅，張丹丹

(安徽理工大學，地球與環境學院，安徽 淮南 232001)

0　引言

含斷層煤層開采時，由于采動引起斷層及圍巖出現特殊的采動效應，進而可能引起斷層活化，產生突水威脅[1-2]。近年來，在我國較大礦井突水實例中，采動斷層活化引起的突水事故所占比例越來越大[3]，目前預防斷層活化導水的主要方法是留設斷層防水煤柱，但是合理留設防水煤柱寬度一直是影響煤礦安全生產和經濟效益并存的主要問題之一[4-6]。

通過收集和閱讀大量文獻，目前對于影響斷層防水煤柱留設的主要因素有斷層裂隙帶寬度、彈性核寬度、屈服帶寬度、斷層傾角、礦壓影響區、有效隔水區和斷層影響區，但很少綜合考慮斷層破碎帶寬度對斷層防水煤柱留設的影響[7-13]。筆者認為不同寬度的斷層破碎帶也是影響合理留設斷層防水煤柱的主要因素之一，為了進一步論證，對斷層活化進行力學分析，進而運用數值模擬軟件，模擬不同寬度斷層破碎帶情況下，斷層帶法向應力與剪切應力分布規律，并根據采場塑性區的分布情況，對斷層破碎帶對留設防水煤柱的影響做進一步說明。

1　斷層活化應力分析

斷層活化實質上是斷層上、下盤在采場支撐壓力作用下，沿斷層面產生一定的相對剪切滑動，使得斷層2盤派生節理被擴展，且改變了上、下盤之間的膠結狀態，從而大大增強斷層破碎帶的滲透性。斷層的活化可能會使得原先不導水性質的斷層轉化為導水性的斷層，形成導水通道，進而增加斷層突水幾率[14-15]。因此，對斷層活化的機理進行分析，進而從理論方面指導斷層防水煤柱的合理留設。

假設斷層的上、下盤為均質彈性體，上、下盤之間通過斷層面接觸，受到垂直方向最大主壓力及水平方向的最小壓應力，上、下盤沿斷層面出現剪切運動即視為斷層活化，以此建立斷層活化力學模型，見圖1。

圖1　 斷層活化力學模型Fig.1　Mechanical model of fault activation

斷層面所受剪切應力τ為：

τ=σ1sinα-σ2cosα

(1)

式中：σ1為垂直方向的最大主壓力；α為斷層傾角；σ2為水平方向的最小壓應力。

斷層面上所受的正壓應力σn為:

σn=σ1cosα+σ2sinα

(2)

根據摩爾庫倫破壞準則，斷層上、下盤巖層最大抗剪強度τmax為:

τmax=C+σntanφ

(3)

式中：C為斷層帶內巖石的黏結系數；φ為斷層帶內巖石的內摩擦角。

據高延法[16]等研究認為，斷層出現活化的條件是斷層面所受剪切應力τ大于等于上、下盤巖層最大抗剪強度τmax:

τ≥τmax

(4)

將式(3)代入式(4)，整理得:

C≤τ-σntanφ=Cmax

(5)

式中：Cmax為黏結系數臨界值。

式(5)表明斷層發生活化的必要條件是斷層帶內巖石之間的黏結系數小于等于黏結系數臨界值Cmax，臨界值由斷層帶所受法向應力與剪切應力、巖石內摩擦角綜合確定，在煤層開采過程中，斷層帶法向應力與剪切應力隨著工作面與斷層距離的變化而不斷改變，因此，黏結系數Cmax并不是一個固定值。當斷層破碎帶寬度不同時，Cmax也會產生相應的變化。因此，本文以某礦近斷層煤層開采為對象，利用FLAC3D數值模擬軟件分析不同破碎帶寬度對斷層活化的影響特征，進而研究防止斷層活化的煤柱的合理留設。

2　數值模擬分析

2.1　模擬對象

F31斷層是某礦井田內最為發育的正斷層之一，出露在13-1煤層露頭位置，走向北西75°，緩波狀，傾向北，傾角61～83°，落差0～48 m，長1.7 km，切13-1～1煤至-800 m水平。次級正斷層發育，上、下盤有F31-1～F31-9小斷層達13條之多，F31斷層由大量鉆孔、巷道和地震測線控制嚴密，鉆孔見F31斷層破碎帶寬25～9 m。

井田內3煤由于被F31斷層切割，開采主要受煤層底板灰巖水及因采動影響導致斷層活化導突水威脅，以近F31斷層3煤開采過程為對象，研究不同破碎帶寬度下防水煤柱的留設問題。

2.2　參數與邊界條件的選取

數值模型走向長度為800 m，傾向長度200 m，模型高100 m，鑒于實際煤層頂底板巖性的復雜性，為便于模擬，將物理力學性質相似的巖層概化為同一巖層組，具體參數如表1所示。

表1　巖體物理力學參數

模擬3煤開采深度500 m，以模型頂部至地表的巖體自重施加12.5 MPa的垂向應力，水平方向上，由于泊松效應產生的側向應力不足以達到實測水平地應力，因此必須額外施加15.4 MPa的水平構造應力才能近似模擬煤巖體所處地應力環境。模型底部邊界采用全約束邊界條件，即走向、傾向、垂直方向位移均為0；左右邊界、前后邊界采用約束邊界條件，即走向方向、傾向方向水平位移為0；垂直方向為自由邊界，不賦予約束條件。

2.3　斷層及斷層破碎帶的建立

模擬斷層傾角為75°，通過在斷層上、下盤與破碎帶接觸區域設置結構面的方式對F31斷層進行仿真模擬，模擬工作面位于斷層上盤，逆斷層傾向方向推進。由于斷層破碎帶內巖石物理力學性質與上、下盤巖石之間具有明顯差距，因此在模型中設置獨立的斷層破碎帶分組，在不改變模型走向總長度的基礎上，通過改變該分組走向方向上的寬度，分別設置5 m,10 m,15 m,20 m的斷層破碎帶，分析在不同的斷層破碎帶寬度條件下，斷層所受應力、位移的變化特征及煤層頂底板塑性破壞區與斷層的接觸情況。所建模型如圖2所示。

圖2　數值模型Fig.2　Numerical model

2.4　斷層應力演化規律

圖3為不同破碎帶寬度下，工作面推進過程中斷層帶的法向應力變化規律對比。根據圖中曲線的變化特征，斷層帶上法向應力整體呈下降趨勢；當工作面距斷層140～200 m時，不同破碎帶寬度下的法向應力變化趨勢較為一致，基本保持原巖應力狀態，表明與斷層距離較遠，煤層的采動效應尚不足以影響斷層帶，因此，不同寬度的斷層破碎帶所受法向應力基本相同；隨著工作面不斷向斷層接近，斷層帶法向應力逐漸下降，但變化幅度均較小，且趨于平緩，表明采動影響下的斷層帶應力狀態發生一定的變化。工作面距斷層20～140 m時，采動效應逐漸影響斷層帶受力情況，法向應力開始逐漸降低，且不同寬度下的法向應力具有不同的變化趨勢，隨著斷層破碎帶寬度的增加，法向應力下降幅度也隨之變大。當工作面距斷層20 m以內時，斷層帶法向應力由緩慢下降轉變為急劇下降趨勢，降幅極大，表明隨著斷層帶附近煤層的不斷采出，應力逐漸被釋放，且破碎帶寬度越大，法向應力的降幅也就越大。

圖3　斷層法向應力變化Fig.3　Normal stress variation of fault

圖4為不同破碎帶寬度下，工作面推進過程中斷層帶的剪切應力變化規律對比。與法向應力的變化規律不同，斷層帶剪切應力總體表現出先減小后增大的趨勢，且剪切應力在距斷層120 m處才開始逐漸減小，晚于法向應力出現變化時的140 m，表明工作面采動效應首先影響的是斷層帶所受的法向應力，而剪切應力受影響的時間具有一定的滯后性。工作面距斷層60～80 m時，剪切應力不再減小，反而呈逐漸增加的趨勢，出現應力集中現象，且破碎帶寬度越大，應力集中系數越大。當工作面推進至距斷層60 m以內時，剪切應力開始迅速增加，并在推進至斷層處時，達到峰值，破碎帶寬度越大，峰值越大。

圖4　斷層剪切應力變化Fig.4　Shear stress variation of fault

根據前文對斷層活化的應力分析，斷層活化的必要條件是斷層帶內巖石的黏結系數小于等于黏結系數臨界值Cmax，而影響臨界值的主要因素為斷層帶所受法向應力與剪切應力的大小，因此，為了研究不同破碎帶寬度下斷層出現活化的可能性，以工作面至斷層距離的大小為依據，分析斷層帶所受法向應力與剪切應力的比值的變化規律，見圖5。

圖5　斷層法向應力與剪切應力比值Fig.5　Ratio of normal stress and shear stress

當工作面距離斷層120 m以上時，由于采掘效應造成的擾動影響較小，不同破碎帶寬度下的斷層帶法向應力與剪切應力波動幅度較小，比值基本不發生變化，斷層出現活化的可能性較低；隨著工作面的推進，斷層帶法向應力與剪切應力均逐漸減小，但二者比值卻開始逐漸增加，且破碎帶寬度越小，增幅越大，說明剪切應力的下降幅度小于法向應力，此時斷層帶黏結系數臨界值Cmax逐漸減小，破碎帶寬度越小，臨界值越大，斷層活化可能性越低；當工作面距離斷層60 m以內時，由于此時斷層帶剪切應力的快速攀升，法向應力趨于平緩，Cmax出現一定程度的減小，上、下盤之間可能出現相對滑動，斷層活化危險性大大增加，且破碎帶越寬，剪切應力增幅越大，斷層越容易活化。當工作面距離斷層20 m以內時，此時由于煤層的徹底采出，法向應力大幅下降至最低點，且剪切應力持續增加，根據式(5)分析可知，斷層面黏結系數臨界值Cmax迅速減小，此時斷層最易產生滑動，破碎帶寬度越大，斷層也就越容易活化。

3　斷層防水煤柱的合理留設

由于破碎帶內巖體的破碎性、低強度性，較斷層上、下盤而言更容易產生應力集中和變形，因此，斷層破碎帶的存在，阻礙了因工作面推進而產生的附加應力的傳遞，導致斷層帶2盤應力集中程度增加，圍巖更易破碎，加劇了斷層上、下盤的剪切錯動，使得斷層活化可能性顯著提高，且隨著破碎帶寬度的增加，應力傳遞的阻礙作用越明顯，2盤應力更為集中，斷層活化可能性也隨之增高。

避免斷層活化導致礦井突水的主要手段就是預留一定寬度的防水煤柱，目前防水煤柱的留設很少考慮到斷層破碎帶這一因素，根據前文分析，破碎帶的寬度在一定程度上影響斷層 活化，進而影響防水煤柱的合理留設。通過數值模擬過程，以工作面采掘效應導致的頂底板塑性破壞區與斷層的接觸情況為判斷依據，確定不同破碎帶寬度下，所需留設的防水煤柱寬度。圖6為工作面留設相應防水煤柱后，采場的塑性破壞分布圖。

圖6　采場塑性破壞分布Fig.6　Plastic failure distribution of stope

圖6(a)～6(d)為斷層破碎帶寬5 m,10 m,15 m,20 m時，分別留設22 m,24 m,27 m,30 m防水煤柱的采動塑性破壞圖，圖中明顯可以看出，在留設相應的防水煤柱后，煤層采掘效應引起的塑性破壞剛好接觸到斷層帶，且斷層帶內并未產生剪切破壞，說明此時斷層產生活化的可能性較低，因此，各防水煤柱尺寸分別為不同破碎帶寬度下，防止斷層活化的臨界寬度。圖7為斷層破碎帶寬度與相應防水煤柱臨界值的變化規律，可以看出，破碎帶寬度越大，相應的防水煤柱臨界值也就越大，且呈線性規律增長。

圖7　煤柱留設臨界值與斷層破碎帶寬度的關系Fig.7　The relationship between the critical value of coal pillar and width of the fracture zone

綜合上述分析，可見斷層破碎帶的寬度也是斷層活化的主要影響因素之一，破碎帶寬度越大，斷層出現活化的可能性也就越高，因此，在進行防水煤柱留設時，若要防止因斷層活化導致的礦井突水，應考慮斷層破碎帶寬度的影響，破碎帶寬度越大的斷層，所需留設的防水煤柱也就越寬。

4　結論

1)通過對斷層活化的力學分析，得出斷層帶內巖石黏結系數小于等于臨界值Cmax是斷層活化的必要條件，且臨界值的主要影響因素是斷層帶所受的法向應力與剪切應力。

2)根據數值模擬結果，當工作面距斷層60 m內時，由于黏結系數臨界值Cmax的迅速減小，斷層活化危險性顯著提高，且不同破碎帶寬度下，工作面采動效應對斷層活化的影響程度不同，破碎帶寬度越大，上、下盤越容易產生相對滑動，斷層活化可能性越高。

3)通過分析不同破碎帶寬度下，留設相應防水煤柱后采場塑性破壞圖，得出防水煤柱臨界值與破碎帶寬度的變化規律，斷層破碎帶寬度越大，相應的煤柱臨界值也越大，且呈線性增長趨勢。

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