采動誘發斷層活化響應機制特征研究

孫文斌，郝建邦，戴憲政，孔令君

(1.山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島 266590；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077)

目前，我國采煤工作逐步往深部開采進行，而高溫高地壓的深部環境是對深部煤礦開采的一項極其重大的考驗[1]，對于采動誘發斷層活化的影響因素已成為目前學者研究的重點問題，但因對采場地質條件的復雜性認知不清，在采煤工作中常有開采事故發生[2-3]。而斷層是在煤礦中常見的地質構造，其存在使得煤與巖層之間的連續性造成破壞，而采動產生的影響又使得一系列因素產生變化，斷層內部裂隙逐漸發育、斷層上下盤產生相對滑移。斷層活化會造成斷層帶附近產生端部的應力集中區[4]，對于礦井的安全生產構成極大的威脅。

據統計，煤礦的突水事故中約有80%與采動誘發的斷層活化有關[5]。近幾年，斷層活化導致的礦井災害事故時有發生，在經濟損失和人員傷亡方面產生了極大的影響。斷層在開采過程中是否產生活化，與其所處的地質條件與工程背景有著密不可分的聯系。專家學者已通過相似材料試驗、數值模擬及現場監測的方式對斷層活化進行了許多相關研究。通過相似材料試驗，研究了斷層活化的沖擊失穩瞬態過程[6]，分析了巖樣高度對整體活化的影響作用[7]，探討了分布式光纖監測斷層活化特征的有效性[8]。通過數值模擬研究斷層活化的范圍更廣，設置靜態邊界元條件[9]、分形界面效應[10]，基于梯度塑性理論[11]對斷層活化開展模擬研究；研究巖石力學特征[12]、分析巖爆致災機理[13]及多場耦合作用[14-15]對斷層活化的促進作用；部分學者對斷層活化的演化過程開展相關數值模擬研究[16-21]。通過現場監測的方式，確定斷層泥為斷層活化的基礎[22]，根據現場監測手段推斷斷層活化的規律性[23]。部分學者采用數值模擬與相似材料試驗相結合的研究方法，探究隨開采深度增加及臨近斷層過程中圍巖應力場的演化規律[24]。針對斷層活化機理的研究也同樣有專家學者展開研究[25-28]。煤層開采會導致水壓、應力等一系列因素發生變化，而斷層帶巖體裂隙本身就比較發育,其膠結程度較差，采動會引發斷層和周圍巖體應力以及孔隙水壓的變化，因此，采動極大地增加了斷層活化發生的可能性，然而采動引起的煤巖失穩機理尚未在斷層區域研究清晰，近些年來，前人已經初步考慮斷層本身性質，關于地應力類型、斷層帶巖體性質、斷層帶巖體是否含水、斷層充填物的組分、其物理力學特性等方面開展了一定的相關研究工作。筆者從斷層活化的演化過程出發，監測開采過程中斷層處應力值、位移等參數的變化規律以及斷層活化的特征，基于參數變化對斷層活化過程進行標志性階段劃分，為預防斷層活化的發生提供一定的理論指導作用。

1 地質概況及斷層帶受力分析

1.1 地質概況

本文以山東濟寧安居煤礦某采區某工作面的實際地質資料為基礎，工作面位于-940 m 水平(開采水平)，煤層賦存相對穩定，煤層總體走向平緩，煤層頂板高程-941～-990 m。工作面煤層整體賦存形態為傾向西南，煤層傾角1°～11°，平均傾角4°，煤層厚度1.7～2.7 m，平均厚度2.5 m，屬較穩定煤層。煤層頂板主要為深灰色泥質砂巖，相對完整，局部含粉砂巖，較破碎，底板為深灰色泥巖及砂質泥巖，破碎。工作面地質條件中等。根據三維地震勘探資料及周邊巷道揭露情況分析，工作面內部可能發育FSK9 等斷層，對回采造成一定影響。工作面無巖漿侵入、巖溶陷落柱等特殊地質現象。

1.2 斷層帶受力分析

由于斷層的存在，使得底板巖體的完整性及強度大幅降低。相關試驗表明：斷層帶內巖體的單軸抗壓強度僅為正常巖體的1/7[29]。井下工作時，當工作面逐漸推進至斷層帶的影響區域時，圍巖及頂底板的采動破壞程度增加，而斷層發生活化的本質其實是其本身內部的斷層面發生剪切破壞，進而會在其一端或者兩端產生新的裂隙，從而增加斷層內部裂隙的擴展發育。采動影響下斷層帶巖體的應力力學模型如圖1 所示。

圖1 斷層帶巖體受力分析模型Fig.1 Analytical model for forces acting on rock masses in a fault zone

以斷層帶內巖體受力為例，模型處于假設狀態下的極限平衡狀態。斷層帶巖體也整體處于穩定狀態，也保持原有的穩定狀態，假設煤層的覆巖為剛性巖體且各巖層之間不會發生相對滑移，根據力學平衡原理可得如下關系[29]：

由式(1)、式(2)聯合求解，可得Fmax及 σ1的解析表達式：

斷層帶巖體支承力與斷層面上靜摩擦力之間的關系可由式(3)得出，式(4)反映了水平應力對于Fmax的影響關系。由圖1 可看出，斷層是否產生活化與Fmax及σ1的大小有密切的關系，而由式(3)可得Fmax的大小與σ1的大小成反比關系，斷層內部的充填物是不均勻分布的，這會導致 σ3的不均勻性，因此，可能會導致斷層活化的發生產生滯后，從側面對充填物的不均勻特性會影響斷層活化進行了佐證。斷層帶巖體的上覆巖層接觸面積對于其承載能力有直接的影響，隨著工作面的不斷推進，巖體與上覆巖層之間的接觸面積也不斷縮減，當巖體的極限應力平衡狀態被打破時，就會極易導致斷層活化的產生，對于礦井的生產帶來極大的危害。上述基于巖體的極限平衡理論，將復雜的斷層帶簡化為了由許多裂隙所組成的裂紋，從外因的角度分析了斷層活化產生的因素。

2 相似材料模擬試驗分析

2.1 試驗模型設計

本試驗在山東科技大學礦山巖層智能控制與綠色開采重點實驗室的采動覆巖涌水潰砂模擬試驗系統上進行，相似模型試驗臺平面模型架的幾何尺寸為長×寬×高=1 200 mm×400 mm×700 mm。相似材料模擬試驗的相似比原理是根據周美立[30]提出的基礎上進行修正的，其含義為：相似材料模型與實際工程通過相似比系數結合力學相似、邊界相似和采掘相似建立相關性，具體的關系見表1。

表1 相似比公式Table 1 Formulas for similarity ratios

相似常數αL、αγ與ασ在彈性力學上通過一定的具有相關性的公式相互制約，其方程如下：

由于試驗臺模型架尺寸高度為70 cm，而試驗模擬的斷層垂直高度為35 m，因此，所選取幾何相似常數為50 最為合適，煤礦地質資料顯示地下巖層種類大多為砂巖和泥巖，砂巖和泥巖的平均密度相差不大，約為2 600 kg/m3，石灰、石膏、硅砂等試驗材料平均容重約為1 700 kg/m3，故根據表1 中的容重相似公式得出容重相似常數取為1.5，根據相似常數公式(5)可以換算得到應力相似常數為75。因相似模擬材料試驗臺的高度不能達到實際煤層埋深，故使用試驗臺的上部液壓加載裝置進行應力補充；試驗臺所模擬上覆巖層高度為40 m，剩余910 m 的上覆巖層產生的自重應力需通過上部液壓加載裝置實現，由查閱資料計算可知巖層平均容重γ為22 kN/m3，因此，910 m 巖層自重產生的應力σ為：

計算可得上部液壓加載裝置需要施加的壓力F為：

而液壓加載裝置可施加的最大荷載為1 000 kN、精度為0.01 kN，足以完成試驗所需。

根據礦井地質資料與巖層屬性建立模型，模擬礦井煤層埋深為950 m，煤層厚度為2.5 m，斷層傾角為70°、水平寬度4 m、落差5 m 的逆斷層，鋪設的相似材料模擬試驗模型如圖2 所示。開挖前在模型前方使用墨斗進行網格劃分并安放位移反光片，反光片上下左右每隔5 cm 安放一片以便于觀察試驗過程中巖層的位移變化情況。

圖2 相似材料模擬試驗模型及監測系統Fig.2 A model for similar material simulation experiments and its monitoring system

試驗過程中的應力變化情況采用應力監測系統進行應力監測與數據采集，煤層右端留有10 cm 的煤柱便于消除邊界效應，應力傳感器鋪設位置如圖2 所示，試驗主要在斷層內部布設5 根應力傳感器，傳感器以下盤煤層為中心進行垂直等距鋪設，上下相鄰傳感器垂直間距為10 cm。垂直等距布設是盡量消除誤差帶來的數值影響，通過對開采過程中斷層不同位置處的應力變化情況進行實時監測，來達到間接反映采動造成斷層活化的形成過程情況，以便對斷層的活化特征進行分析研究。

2.2 試驗開采過程與分析

1)試驗開采過程

根據煤礦采煤作業規程工作面每天進六刀推進5 m，根據表1 中時間相似公式確定時間相似常數為7，故通過時間相似比進行計算可得試驗開挖頻率為1.5 h 一次，每次開挖5 cm。為減弱模擬試驗的邊界效應，開切眼距模型邊界設置10 cm 的邊界煤柱，開采方向為從右往左，即從斷層下盤向斷層上盤方向開采，每次開挖后先穩壓0.5 h，待巖層穩定后采集位移數據和壓力數據，等到時間節點再進行下一次開挖，全站儀觀察開采時全場的變形和破壞情況，工作面推進過程中上覆巖層垮落及斷層的活動情況如圖3 所示。

工作面開采自開切眼處從右往左根據時間節點每次開挖5 cm 并進行穩壓和數據采集。開采初期，直接頂的暴露面積相對較少，采空區上覆巖層的彎曲下沉量也較小，開采引起的斷裂帶、垮落帶以及彎曲下沉帶并未形成，由反光片的滑移變形可以看出，5 測點處均未產生滑移，工作面開挖至0～20 cm 時斷層和上覆巖層基本無變化，如圖3a 所示，此階段斷層并未產生活化，上覆巖層也未垮落。

開挖至30 cm 時直接頂與基本頂之間出現縫隙，直接頂開始彎曲，穩壓后直接頂由于缺少支撐作用在重力作用下發生垮落，基本頂并未垮落，而測點5 處的部分反光片已經產生了0.1～0.3 cm 的輕微滑移，如圖3b 所示，此時開采位置距離斷層較遠，雖然采動造成的應力場變化對于斷層的影響很小，但由于產生了輕微的滑移表明此時斷層上部位置已經有發生活化現象的前兆。

工作面繼續向前開挖時基本頂底部巖層在自重作用下也開始出現離層現象，伴隨著工作面繼續開挖，采空區的暴露面積增大，其上覆巖層逐漸下沉形成大面積垮落，直接頂和基本頂發生周期性垮落，“上三帶”呈“正梯狀”向上、向前延展垮落，采空區逐漸被壓實，采動造成的應力場變化對斷層部位的影響越發的明顯，在深部高應力和超前支承壓力的影響下，以及反光片的位置變化來看，測點5 處的反光片產生了較大的滑移變形，出現了0.8～1.0 cm 的位移，而后測點4 處的反光片也逐漸開始產生滑移變形特征，出現0.2～0.4 cm 的滑移，接著逐漸往斷層下部位置的測點3 處進行影響，出現了輕微滑移特征，最后影響到測點1、測點2 兩處，如圖3c所示。

工作面開挖至65 cm 時，上覆巖層沿梯形垮落已垮至模擬巖層頂部，垮落區域左側裂隙延伸至斷層擴展形成通道，斷層沿下盤傾角向下擠壓，此時大部分反光片均產生了較大的滑移變形，測點4、測點5 兩處出現1～2 cm 的位移，測點3 處產生0.8～1.0 cm 的位移，測點1、測點2 兩處產生0.3～0.5 cm 的位移，如圖3d 所示。

2)應力變化分析

圖4 表明了工作面在推進過程中斷層位置處設置監測點的應力變化情況。由圖可知，工作面開挖至0～20 cm 時斷層周圍并無應力變化，5 組監測點的應力均為0，此時采動所造成的應力場變化并未傳遞到斷層附近。當工作面繼續向前推進時，測點2-測點5 處首先監測到微弱的數值變化，分別為0.08、0.19、0.17、0.21 MPa，此時采動所造成的應力場變化開始影響到斷層附近；開采至30 cm 處時，測點1 處逐漸監測到微弱的數值變化，為0.058 MPa，此時采動所造成的應力場變化已逐步影響到了整個斷層。

圖4 工作面推進過程中5 個測點的應力變化曲線Fig.4 Curves showing changes in stresses at five measurement points with the advancement of the mining face

開采至50 cm 處，測點5 處產生應力峰值5.547 MPa，率先達到應力屈服強度極限，開采至55 cm 處，測點4、測點3 兩處位置也出現應力峰值，分別為6.012、7.073 MPa，達到應力屈服極限，開采至60 cm 處，測點2位置出現應力峰值5.947 MPa，達到應力屈服極限。測點3 處應力峰值最大，由于位于開采煤層同一水平，受采動條件下的應力集中現象影響最為明顯。位于斷層最底部的測點1 處的應力呈增長趨勢，但并未出現峰值。

3 數值模擬試驗

圍繞采動引起斷層活化的誘發問題，從斷層活化的演化特征及應力場的演化規律兩個方面對斷層活化進行相關研究。

3.1 數值計算模型

以上覆巖層下開采為背景，建立上覆巖層條件下逆斷層與工作面空間關系的Flac3D三維數值計算模型，模型巖層分布和網格剖分如圖5 和圖6 所示，模型尺寸為長×寬×高=120 m×40 m×70 m。

圖5 模型巖層分布Fig.5 Rock layers in the numerical calculation model

圖6 計算網絡模型網格劃分Fig.6 Gridding of the numerical calculation model

邊界條件設置：模型z方向上部為自由面，施加豎向荷載模擬上覆巖層的自重荷載，模型z方向底面限制垂直移動，模型x、y方向限制水平移動，模擬煤層的埋深為950 m，模型頂部施加均布荷載22 MPa 向下的垂直應力，水平方向施加向內的梯形分布荷載，其為垂直方向應力的1.2 倍。

斷層設置：通過在模型中添加斷層帶模擬斷層，FKS9 斷層的主要參數為：法向剛度4 GPa，切向剛度1.9 GPa，黏聚力0.03 MPa，內摩擦角6°，單軸抗拉強度0.41 MPa，密度1 950 kg/m3，水平寬度為4 m，落差5 m，傾角70°。在斷層帶上不同位置處選取5 個點(煤層水平位置的測點3，距開采煤層水平上部10 m 處的測點4及20 m 處的測點5，距開采煤層水平下部10 m 處的測點2 及20 m 處的測點1)作為參考量，共5 處測點。

計算中采用應變軟化模型模擬煤巖體峰后強度逐漸降低的性質，分析判據采用Mohr-Coulomb 強度準則作為煤巖體材料的屈服判據[31]；根據現場地質調查和相關巖石力學試驗結果，并考慮礦山巖體的尺寸效應，數值計算中采用的各巖層的計算參數見表2。

表2 模型中巖層屬性參數Table 2 Parameters of pock layer properties in the numerical calculation model

將工作面由遠到近、逐步向斷層推進視作本試驗方案所表示的物理意義。以距離模型右側邊界10 m處作為開采的起始位置，由此向斷層逐步進行開采，研究在開采過程中斷層活化的演化特征及應力場的演化規律。

3.2 斷層活化的演化特征

1)工作面推進過程中位移量的變化分布

圖7 為工作面推進過程中位移量的變化情況。斷層內部不同位置處的位移量隨著開采的進行有著明顯不同的變化特征，斷層上部位置測點5、測點4 兩處的位移量隨著開采的進行變化是最為明顯的，呈現顯著的上升趨勢，由剛開挖時的2.83、2.21 mm 增加到開挖至60 m 時的4.62、3.79 mm。隨著工作面不斷推進，測點5、測點4 兩處周圍的位移變化量增長趨勢顯著，開采至60 m 時的位移量比剛開挖時增長了71%和63%。而往下部位置的測點3、測點2 兩處的變化趨勢依次稍有減弱，但仍呈現出上升趨勢，分別由剛開挖時的1.47、1.13 mm 增加到開挖至60 m 時的2.07、1.49 mm。開采至60 m 時的位移量比剛開挖時增長了40%和31%。而處于最下部位置的測點1 隨著開挖的進行，由剛開挖時的0.42 mm 增加到開挖至60 m 時的0.51 mm，增長趨勢比較小，隨著開挖的進行，測點1 周圍的位移變化非常小，60 m 時的位移量比剛開挖時僅增長了21%，位移量變化很小，表明測點1 隨著開采的推進，會產生斷層活化的前兆，但受開采擾動的影響最小。

圖7 工作面推進過程中位移量的變化分布Fig.7 Changes in displacements with the advancement of the mining face

2)工作面推進過程中垂直應力變化分布

圖8 為工作面推進過程中垂直應力的變化情況。

圖8 工作面推進過程中垂直應力的變化分布Fig.8 Changes in the vertical stress with the advancement of the mining face

工作面相繼進行開采后，當開挖距離小于30 m 時，圍巖上覆巖層、下方底板垂直應力呈上升趨勢，應力峰值也不斷升高，但圍巖整體的垂直應力集中程度較低，垂直應力在22～24 MPa，頂板應力集中程度要高于底板，且斷層兩側的應力分布情況也非常明顯；當開挖距離達到60 m 后，圍巖上覆巖層、下方底板垂直應力呈降低趨勢，工作面與斷層之間的構造應力得到了釋放，圍巖、煤層整體處于卸壓狀態，應力出現峰值后也逐漸下降，但圍巖整體的垂直應力集中程度比較高。而整體開采過程中，由于斷層的切割影響，上覆巖層的垂直應力整體呈楔形，垂直應力集中區域主要集中在開采端部，而且應力集中區域的范圍也逐漸向深部擴展發育。斷層上部位置測點5-測點3 三點處的垂直應力隨著開采的進行變化較為明顯，開挖距離小于30 m 時，均呈現上升趨勢，由剛開挖時的22.06、22.07、22.04 MPa 增加到開挖至30 m 時的22.24、22.57、22.36 MPa；當開挖距離至30 m 后，3 點處的垂直應力逐漸降低。而往下部位置的測點2、測點1 處的垂直應力變化也呈現先增長后降低的趨勢，但變化趨勢比較小。

4 結果與討論

相似材料的配比通過幾何相似公式進行計算后得出，數值模擬研究根據實際地質資料賦值各項地質參數，確保地質條件的相似性及兩者之間的相互印證和聯系分析，減少誤差。通過分析，在試驗與模擬中應力與位移大致呈現相同演化趨勢，因此，可以得出一致結論。

相似材料模擬試驗中，通過開挖鋪設模型揭示煤礦開采過程中斷層活化過程的演化特征。開采至20 cm時開始引發直接頂垮落，測點5 處反光片出現輕微滑移，出現初步活化的前兆，隨著開采的繼續進行，測點5 處位移變化明顯，應力也明顯增加，開采至50 cm 處，測點5 處應力出現峰值，達到屈服極限，然后隨著上覆巖層垮落，此處產生斷層活化，此時產生0.8～1.0 cm 的位移變化。測點4、測點3 兩處在開采至30 cm 時也先后出現不同程度的輕微滑移，出現活化的前兆，開采至55 cm 處，這2 處位置應力出現峰值，達到屈服極限，后隨上覆巖層垮落產生斷層活化，此時產生0.6～0.8 cm 的位移變化。測點2 處位置在開采至60 cm 時應力出現峰值，達到屈服極限，隨上覆巖層大面積完全垮落，此處也產生活化，產生0.3～0.5 cm 的位移變化。當工作面開采至后期，斷層由最早出現活化的測點5，逐漸向斷層中部的測點4、測點3 以及下部的測點2、測點1 擴展，并隨著上覆巖層逐漸大面積完全垮落產生整體活化。

為驗證相似材料模擬試驗中的結果，開展數值模擬研究，模擬發現：斷層上部位置測點5-測點3 三點處的垂直應力隨著開采的進行變化較為明顯，開挖距離小于30 m 時，均呈現上升趨勢；當開挖距離至30 m 后，3 點處的垂直應力逐漸降低。而往下部位置的測點2、測點1 兩點的垂直應力變化也呈現先增長后降低的趨勢，但變化趨勢比較小，測點5 處均達到應力屈服極限，斷層上部位置測點5、測點4 兩處的位移量隨著開采的進行變化是最為明顯的，呈現顯著的上升趨勢，開采至60 m 時的位移量比剛開挖時增長了71%和63%。而往下部位置的測點3、測點2 兩點的變化趨勢依次稍有減弱，但仍呈現出上升趨勢，開采至60 m 時的位移量比剛開挖時增長了40%和31%。而處于最下部位置的測點1 處隨著開挖的進行，其周圍的位移變化非常小，60 m 時的位移量比剛開挖時僅增長了21%，受開采擾動的影響最小。

通過對開挖過程中斷層滑移及應力變化的討論可知：結合應力與反光片所呈現出的位移變化量更能直觀地表現出斷層活化的發生并不是一次性的全階段活化，而是斷層上部位置測點5 處的斷層充填物先產生滑移錯動導致斷層初步活化，然后活化逐漸向下擴展至其余位置，引起其余位置處的活化，最終隨著上覆巖層大面積完全垮落導致斷層的整體活化，確定斷層活化的發生具有顯著的空間性和階段性特征。

5 結論

a.采動影響下，斷層活化并不是一次性全階段活化，而是由上部到下部的逐漸活化，其具有明顯的空間性、階段性特征。

b.開采過程中，擾動對于應力的影響作用要先比位移產生，且應力會出現峰值；當應力出現峰值，達到屈服極限后，擾動對于位移的影響作用逐漸顯現。

c.隨著工作面不斷推進，采動導致上覆巖層大面積垮落，致使上覆巖層與斷層帶貫通，并逐漸誘發斷層帶活化。

符號注釋：

A為上覆巖層垂直應力作用在巖體上的面積，m2；A1為巖體與上覆巖層之間的接觸面積，m2；A2為產生相對運動的斷盤之間的接觸面積，m2；F為斷層面上的靜摩擦力，N；Fmax為斷層面上的最大靜摩擦力，N；Lp為相似材料模型鋪設長度，m；Lm為實際工程地質長度，m；tp為試驗開挖時間，s；tm為現場開采時間，s；γp為相似材料配比容重，g/cm3；γm為實際巖石容重，g/cm3；αL為幾何相似常數；αt為時間相似常數；ασ為應力相似常數；αγ為容重相似常數；σ1為下盤巖體對斷層帶巖體的支承力，MPa；σ2為上覆巖體的垂直應力，MPa；σ3、σ4分別為作用在斷層面上的原巖水平應力，MPa；θ為斷層傾角，(°)。