不同斷層落差采動應力及活化規律優化研究

李美燕，朱飛龍

（山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266510）

如今的社會經濟發展中，煤炭仍舊占據著非常重要的地位，隨著開采程度的不斷深入，礦井地質條件也越來越復雜。當前中國大部分煤礦地區，許多礦井已經進入地質構造復雜的采區開采。在井下地質構造中，斷層是最常見的構造。斷層的存在切割了煤巖層整體連續性，使斷層區域原巖應力發生改變，受采動影響，斷層易發生活化，誘發礦井動力災害。因此，煤礦斷層落差的應力變化成為學者們研究的重點[1-4]。斷層落差不同，工作面推進過程中采動應力分布以及斷層滑移規律均有差異，因此不同斷層落差采動應力及活化規律研究，能夠為斷層影響區域工作面回采沖擊地壓防治工作提供理論依據[5-8]。賈延坤等[9-10]研究了斷層面傾角與應力之間的變化規律。劉威等[11-12]通過研究斷層的延伸長度和落差的關系，揭示了斷層的平面規律。不同厚度煤層下的不同斷層落差的應力變化也是不同的[13]。數值分析方法是一種解決復雜礦山問題的有效手段，通過建立不同落差傾角的計算模型，研究工作面沿斷層推進時不同落差采動應力及活化規律，為類似地質條件下開采提供研究基礎[14-15]。在上述研究的基礎上，考慮了在高低位巖層和上下盤面等因素下對不同落差采動應力的綜合交叉影響，然后分析了其對巖層活化變化程度的影響，最終得出更加精準的安全指數。

1 工程背景與數值模擬方法

1.1 工程背景

興隆莊煤礦位于兗州向斜北翼，七采區3煤層深度500 m左右，平均厚度8 m左右，工作面長度180 m左右。區內地質構造較為復雜，其中落差大于5 m 的正斷層 21 條。DF9、DF10、DF16、斷層基本平行于工作面煤壁，落差分別為5、8、9 m，工作面推進時通過這3條斷層。

1.2 數值計算模型

以興隆莊七采區7302工作面地質條件為背景，運用FLAC3D數值軟件建立了計算模型，研究工作面向正斷層推進的采動應力演化規律、采場彈性能分布特征、斷層活化規律。模型尺寸為531 m(長)×260 m(寬)×140 m（高），模擬煤層埋深 500 m，斷層傾角為 60°，落差分別 4、8、12 m，煤層厚度 8 m。模型頂部施加9 MPa的均布載荷，模擬上方自重荷載；水平方向施加梯形分布載荷為垂直方向的0.5倍；前后y邊界限制y方向位移，底部面限制z方向位移，其余面位移設為自由；斷層帶用1 m的軟弱帶來模擬。在模擬計算過程中，采用摩爾-庫倫強度準則。巖體物理參數見表1。

表1 模型巖層及力學參數

斷層活化監測點布置如圖1，在距煤層8 m和50 m斷層帶中點處，分別設置監測點，作為斷層活化的標志點，記錄采動過程中參量的動態變化特征，A、B作為斷層下盤測點，A′、B′作為斷層上盤測點。

2 工作面采動應力演化特征

2.1 不同落差下盤工作面采動應力演化特征

圖1 斷層活化監測點布置示意圖

下盤開采不同落差垂直應力分布如圖2。由圖2可知，斷層帶區域應力集中程度不高，且隨著落差的增加垂直應力變化較小；頂底板應力集中程度，隨落差增加而逐漸增大。

圖2 下盤開采不同落差垂直應力分布

下盤開采不同落差垂直應力分布如圖3。由圖3（a）可見，工作面距斷層50 m時，工作面前方支承壓力處于高應力狀態，支承壓力分布形態與落差變化無關；落差為4 m時，峰值為28.6 MPa，應力集中系數為2.29；落差為8 m時，峰值為30.13 MPa，應力集中系數為2.41；落差為12 m時，工作面前方峰值最大，為30.46 MPa，應力集中系數達到2.44。從圖3（b）擬合曲線可知，下盤工作面前方支承壓力峰值變化趨勢為：隨著斷層落差的增大而逐漸增加。回歸得出工作面前方支承壓力峰值σz與斷層落差x成二次多項式：

圖3 下盤工作面不同落差支承壓力分布

2.2 不同落差上盤工作面采動應力演化特征

上盤開采不同落差垂直應力分布如圖4。由圖4可知，隨著斷層落差的增加，斷層帶垂直應力水平變化不大，且應力集中程度不高；頂底板應力集中程度隨落差增大而減小，與下盤開采相比表現出相反的規律。

圖4 上盤開采不同落差垂直應力分布

上盤工作面不同落差支承壓力分布如圖5。由圖5（a）可知，工作面距斷層50 m時，工作面前方支承壓力處于高應力狀態，支承壓力分布形態同樣與落差變化無關。當斷層落差為4 m時，工作面支承壓力峰值為33.2 MPa，應力集中系數為2.66；落差為8 m時，支承壓力峰值為26.85 MPa，應力集中系數為2.15；落差為12 m時，支承壓力峰值減小為26.12 MPa，應力集中系數為2.09。由圖3（b）擬合曲線可見，上盤工作面前方支承壓力峰值變化趨勢為：隨著斷層落差的增大而逐漸減小。回歸得出工作面前方支承壓力峰值σz與斷層落差x成二次多項式：

圖5 上盤工作面不同落差支承壓力分布

3 工作面開采時斷層活化規律

3.1 不同落差下盤開采斷層活化危險性分析

下盤開采不同落差剪切應力與法向應力比值如圖6。由圖6可見，下盤開采時，剪切應力與法向應力比值變化趨勢隨斷層落差變化基本保持一致。由圖6（a）可知，對于A點，當工作面距斷層30 m時，剪切應力與法向應力比值最大，此時，斷層易活化、失穩。當斷層落差為8 m時，剪切應力與法向應力比值最大；當斷層落差為4 m時，比值最小。由圖6（b）可知，在B點處，剪切應力與法向應力比值的最大值隨斷層落差增大而增加；與落差8、12 m相比，落差4 m時，比值最大值遠遠大于落差8、12 m，且比值峰值發生的位置更接近斷層帶。

圖6 下盤開采不同落差剪切應力與法向應力比值

3.2 不同落差上盤開采斷層活化危險性分析

上盤開采不同落差剪切應力與法向應力比值如圖7。由圖7可見，上盤開采時，隨工作面不斷向斷層推進，剪切應力與法向應力比值變化趨勢隨斷層落差變化基本保持一致。對于A′點，剪切應力與法向應力比值最大值隨斷層落差增加而增大；當落差為4 m時，工作面距斷層20 m，比值達到最大值0.095 5；當落差為8 m時，工作面距斷層10 m，比值最大，為0.095 8；當落差為12 m時，工作面距斷層10 m，比值達到最大值0.096 8。在B′點處，剪切應力與法向應力比值的最大值隨斷層落差增大而減小，且工作面距斷層20 m時，比值達到最大。

4 不同斷層落差開采頂板運動特征

不同落差頂板下沉規律如圖8。

由圖8（a）可知，當工作面在下盤開采時，斷層落差為12 m時，煤巷頂板下沉量最大；落差為4 m時，下沉量最小。由擬合曲線可以看出，隨著斷層落差x的增大，頂板下沉量y逐漸增加。擬合方程為：

圖7 上盤開采不同落差剪切應力與法向應力比值

圖8 不同落差頂板下沉規律

由圖8（b）可見，當工作面位于上盤開采時，斷層落差4 m時，煤巷頂板下沉量最大；落差12 m時，下沉量最小。由擬合曲線可知，隨著斷層落差x的減小，頂板下沉量y逐漸增加。擬合方程為：

5 結論

1）下盤工作面開采斷層帶區域應力集中程度不高，且隨著落差的增加垂直應力變化較小。頂底板應力集中程度，隨落差增加而逐漸增大。工作面前方支承壓力峰值變化趨勢為：隨著斷層落差的增大而逐漸增加。上盤工作面開采，隨著斷層落差的增加，斷層帶垂直應力水平變化不大，且應力集中程度不高。頂底板應力集中程度隨落差增大而減小，與下盤開采相比表現出相反的規律。工作面前方支承壓力峰值變化趨勢為：隨著斷層落差的增大而逐漸減小。

2）下盤工作面開采，對于低位巖層，當工作面距斷層30 m時，剪切應力與法向應力比值最大，此時，斷層易活化、失穩。當斷層落差為8 m時，剪切應力與法向應力比值最大；當斷層落差為4 m時，比值最小。對于高位巖層，剪切應力與法向應力比值的最大值隨斷層落差增大而增加。上盤工作面開采隨工作面不斷向斷層推進，剪切應力與法向應力比值變化趨勢隨斷層落差變化基本保持一致。

3）下盤工作面開采，隨著斷層落差的增大，頂板下沉量逐漸增加。上盤工作面開采，頂板下沉量變化規律與下盤開采表現出相同的規律。