急傾斜煤層深部開(kāi)采對(duì)淺部斷層活化影響的數(shù)值模擬研究

摘要：淮南礦區(qū)某礦采區(qū)屬倒轉(zhuǎn)地層，灰?guī)r含水層位于煤層頂板，斷層的活化極易導(dǎo)通上部含水層，引發(fā)突水事故。面對(duì)急傾斜煤層開(kāi)采深度不斷增加的現(xiàn)狀，采用FLAC3D數(shù)值模擬的方法，對(duì)急傾斜煤層深部開(kāi)采對(duì)頂板淺部斷層活化影響的規(guī)律進(jìn)行了研究，總結(jié)了急傾斜煤層開(kāi)采深度與斷層活化之間的時(shí)空關(guān)系，驗(yàn)證了通過(guò)控制采高和隔離煤柱大小，可以有效降低急傾斜煤層開(kāi)采對(duì)斷層的擾動(dòng)作用，對(duì)急傾斜煤層后期深部開(kāi)采斷層突水預(yù)測(cè)與防治具有重要的理論指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：急傾斜煤層；深部開(kāi)采；數(shù)值模擬；斷層活化

中圖分類號(hào)：TD163 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）04（a）-0000-00

Abstract： A certain ore mining area of Huainan mining area belongs to inversion formation， limestone aquifer located seam roof， the activation of fault easily conduct the upper aquifer， leading to water inrush disaster. Facing the continuously increased mining depth status of steep seam， using FLAC3D numerical simulation method， In steep seam mining deep effect on the fault activation of roof is studied， Summarizes the temporal relationship between the depth of steep seam and fault activation， verified by controlling the mining height and isolated coal pillar size， can effectively reduce the disturbance of steep seam faults， It has important theoretical guidance significance and engineering application value to the later stage of steep seam deep mining fault water inrush prediction and prevention.

Keywords： steep seam； deep mining； numerical； fault activation

中圖分類號(hào)：TD745

我國(guó)煤田水文地質(zhì)條件復(fù)雜，在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，礦井突水事故頻發(fā)。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，其中80%的煤礦突水事故是由斷層導(dǎo)水引發(fā)的[1]。斷層活化是指斷層在原始不導(dǎo)水的狀態(tài)下，受地下工程的擾動(dòng)作用，導(dǎo)水系數(shù)增大而成為導(dǎo)水通道。斷裂構(gòu)造作為一種重要的突水通道，研究分析斷層在采動(dòng)影響下的活化反應(yīng)，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)具有重要意義。對(duì)于斷層活化的研究，學(xué)者們普遍認(rèn)為，當(dāng)斷層面的切應(yīng)力τ大于斷層面的抗剪強(qiáng)度τn時(shí)，即τ≥τn時(shí)，斷層就會(huì)沿?cái)鄬用姘l(fā)生破裂，上下盤相對(duì)移動(dòng)形成導(dǎo)水通道[2]。姜耀東等[3]把斷層接觸面以庫(kù)倫剪切模型代替，研究了采動(dòng)過(guò)程中斷層接觸面上應(yīng)力時(shí)空演化規(guī)律和斷層兩盤的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；卜萬(wàn)奎等[4]從斷層傾角變化的角度研究了斷層活化的規(guī)律。

雖然目前的研究已經(jīng)對(duì)斷層活化的機(jī)理和規(guī)律有了一定的認(rèn)識(shí)[5]，但是對(duì)于如何預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)斷層活化仍有很大的困難。急傾斜煤層的賦存特征和開(kāi)采方式?jīng)Q定了其在開(kāi)采過(guò)程中對(duì)斷層活化的影響與水平煤層具有較大差別[6]。急傾斜煤層進(jìn)行淺部開(kāi)采時(shí)，擾動(dòng)作用強(qiáng)度和影響范圍有限，不具備誘發(fā)附近斷層活化的能力；但是隨著開(kāi)采深度的增加，不平衡力積累到一定程度，就會(huì)導(dǎo)致淺部斷層活化，導(dǎo)通含水層，引發(fā)斷層突水事故。本文采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，以急傾斜煤層為研究對(duì)象，對(duì)煤層深部開(kāi)采誘發(fā)淺部斷層活化進(jìn)行了模擬和預(yù)測(cè)，并提出了預(yù)防和控制斷層活化的后期開(kāi)采方案。

1FLAC3D計(jì)算原理簡(jiǎn)介

FLAC3D采用了拉格朗日連續(xù)介質(zhì)法（Fast Lagrangian Analysis of Continua），同時(shí)還采用了混合離散法和動(dòng)態(tài)松弛法，可以模擬和記錄地質(zhì)體在達(dá)到屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞和塑性流動(dòng)情況，分析漸進(jìn)式破壞和模塊失穩(wěn)，并且適合于模擬大變形；其根據(jù)已知應(yīng)變?cè)隽浚梢苑奖愕厍蟮脩?yīng)力增量、不平衡力并跟蹤系統(tǒng)的演化過(guò)程；由于計(jì)算過(guò)程中不會(huì)形成剛度矩陣，所以運(yùn)算所需內(nèi)存很小。除此之外，F(xiàn)LAC3D還具有內(nèi)嵌的程序語(yǔ)言FISH，使用戶可以自行開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，增強(qiáng)了程序的靈活性，充分?jǐn)U展了軟件的自身功能。[7]

煤層在采動(dòng)過(guò)程中，破壞了周圍巖石的應(yīng)力平衡，在重力和地應(yīng)力的作用下，巖石向采空區(qū)移動(dòng)，在不發(fā)生破壞的情況之下，相鄰巖石的位移變化相差不大，而斷層帶作為軟弱接觸面，當(dāng)采動(dòng)造成的不平衡力達(dá)到臨界值時(shí)，斷層就會(huì)在巖石移動(dòng)過(guò)程中沿?cái)鄬用姘l(fā)生斷裂，使斷層上、下兩盤發(fā)生錯(cuò)動(dòng)和滑移，增大了斷層上、下兩盤的位移差，即斷層進(jìn)入活化狀態(tài)。本文基于FLAC3D強(qiáng)大的數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)記錄功能，監(jiān)測(cè)在急傾斜煤層開(kāi)采到不同深部時(shí)斷層上、下盤的相對(duì)位移量，研究預(yù)測(cè)在不同煤層開(kāi)采強(qiáng)度下的斷層活化情況。

2計(jì)算模型建立

2.1 工程概況

淮南礦區(qū)某礦為二疊系急傾斜煤層，地面標(biāo)高+20m。受推覆構(gòu)造作用，煤田地層發(fā)生倒轉(zhuǎn)，總體呈傾伏倒轉(zhuǎn)褶曲形態(tài)，主要可采煤層地層傾角為50°～80°，煤層頂?shù)装鍘r石主要為砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖，第四系厚度140m。倒轉(zhuǎn)翼灰?guī)r含水層成為煤層頂板，可采煤層均位于倒轉(zhuǎn)褶曲帶下翼，灰?guī)r不僅上覆于煤系地層上方，而且是礦井主要水害威脅含水層。該礦急傾斜煤層自上而下分水平進(jìn)行開(kāi)采，每一水平的段高為30米，水平之間留設(shè)5m的隔離煤柱，開(kāi)采方法為偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法，沿偽傾斜布置采煤工作面，工作面?zhèn)蝺A斜角度為30°。受區(qū)域推覆構(gòu)造影響，研究區(qū)域小斷層較發(fā)育，其中有正斷層位于煤層頂板，切割倒轉(zhuǎn)翼太原組灰?guī)r含水層。距離煤層約220m。煤層目前已開(kāi)采至-480m水平，繼續(xù)進(jìn)行深部開(kāi)采可能會(huì)引發(fā)該斷層的活化，導(dǎo)通太原組灰?guī)r含水層，引發(fā)突水事故。本文選擇了該煤層底板至太原組灰?guī)r，埋深140m～740m的地層范圍，建立了包含斷層的三維地質(zhì)模型。

2.2 模型建立及參數(shù)選擇

數(shù)值模擬過(guò)程中共建立了三組模型，通過(guò)模擬不同的工作面段高和隔離煤柱大小，研究煤層深部采動(dòng)下對(duì)淺部斷層活化的影響。三組模型的工作面參數(shù)分別為：工作面段高30m，保留5m煤柱；工作面段高30m，保留6m煤柱；工作面段高25m，保留5m煤柱。三維模型根據(jù)研究區(qū)域范圍內(nèi)的勘探線地質(zhì)剖面圖建立。模型尺寸為x=600m，y=200m，z=600m，最大模擬深度740m，每組模型的煤層厚度3m，東西走向，煤層傾角70°。斷層落差10m，方位角205°，傾角70°，延伸到-130m～-480m。模型頂部壓力用等效載荷代替，頂部為第四系地層，取平均密度 ，平均厚度 ，則 （負(fù)號(hào)代表方向向下）。三維模型如圖1所示。

結(jié)合地層綜合柱狀圖，為了簡(jiǎn)化網(wǎng)格剖分的工作量，同時(shí)充分體現(xiàn)各層之間的力學(xué)性質(zhì)的差異，將巖性、力學(xué)性質(zhì)和分布厚度相近或相同的巖層劃歸為一個(gè)層組，合并后巖層自上到下可劃為13個(gè)層組，根據(jù)該煤礦巖石力學(xué)試驗(yàn)資料以及鄰近煤礦的資料，獲取巖層物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。假設(shè)巖石各向同性、均質(zhì)且符合摩爾-庫(kù)倫（Mohr—Coulomb）彈塑性模型介質(zhì)，模型底部限制垂直移動(dòng)，前后和左右限制水平方向位移。模型共劃分了201560個(gè)單元，233751個(gè)節(jié)點(diǎn)。

數(shù)值模型選取沿煤層走向的中線y=100m處取xz平面垂直切片，作為數(shù)值模擬研究的分析斷面，為了監(jiān)測(cè)整個(gè)斷層的活化情況，在斷層上、下盤以垂直深度間隔50m選取8對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖2），通過(guò)記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量，計(jì)算每對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移差，來(lái)研究斷層的活化規(guī)律。

3數(shù)值計(jì)算與分析

3.1 模擬過(guò)程

按照煤礦實(shí)際開(kāi)采情況，模擬開(kāi)采標(biāo)高-200m至-700m的煤層，監(jiān)測(cè)和記錄煤層往深部開(kāi)采過(guò)程中每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移量和垂直位移量，計(jì)算斷層上盤與下盤的位移差，繪制位移差曲線，以此來(lái)判斷斷層的活化情況。

為了方便后文敘述，圖1中標(biāo)明了斷層帶附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在模型中的位置及標(biāo)高。

3.2 斷層活化規(guī)律分析

1）工作面段高30m，保留5m煤柱

圖2為煤層采動(dòng)過(guò)程中斷層兩盤觀測(cè)點(diǎn)的水平方向和垂直方向位移差曲線圖。由圖2可以看出，煤層進(jìn)行淺部開(kāi)采時(shí)，在水平方向和垂直方向上斷層上、下盤位移差很小且無(wú)明顯變化，基本未受到采動(dòng)影響，當(dāng)煤層開(kāi)采至-570m標(biāo)高時(shí)，不同位置的觀測(cè)點(diǎn)曲線開(kāi)始在水平方向和垂直方向同時(shí)出現(xiàn)分化，其中-130m至-230m的觀測(cè)點(diǎn)仍保持較低的變化率，而深部-230m以下的觀測(cè)點(diǎn)水平方向位移差和垂直方向位移差出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，說(shuō)明斷層底部位置最先發(fā)生活化反應(yīng)，并隨著煤層采深的增加斷層兩盤距離不斷增大，煤層開(kāi)采結(jié)束后，水平方向最大位移差為28.28mm，垂直方向最大位移差為47.10mm，根據(jù)斷層傾角計(jì)算，位移差法向分量為42.39mm，垂直法相分量為34.94mm，斷層破碎帶的拉破壞大于剪切破壞。

通過(guò)計(jì)算可以看出，急傾斜煤層深部開(kāi)采對(duì)于斷層活化的影響程度顯著大于淺部煤層開(kāi)采。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)煤層開(kāi)采至-570m標(biāo)高時(shí)，斷層帶同時(shí)出現(xiàn)剪切破壞和拉破壞，斷層發(fā)生活化，而且隨著采深的增加活化程度不斷加劇。在實(shí)際生產(chǎn)中，煤層預(yù)計(jì)深部開(kāi)采將超過(guò)-700m標(biāo)高，斷層作為安全隱患極易發(fā)生活化引發(fā)突水事故。通過(guò)降低煤層回采率，來(lái)減弱對(duì)斷層的擾動(dòng)作用，需要增加隔離煤柱的高度和減小工作面的高度。因此在原模型的基礎(chǔ)上，降低煤層回采率，驗(yàn)證上述兩種方法是否能起到控制斷層活化的作用。

2）工作面段高30m，保留6m煤柱

圖3為工作面高度保持30m不變，隔離煤柱高度增加到6m后斷層兩盤觀測(cè)點(diǎn)的水平方向和垂直方向位移差曲線圖。由圖3可以看出，當(dāng)煤層開(kāi)采至-600m標(biāo)高時(shí)，斷層發(fā)生活化反應(yīng)，煤層開(kāi)采結(jié)束后，水平方向最大位移差為26.04mm，垂直方向最大位移差為29.35mm，斷層的活化反應(yīng)速度在時(shí)空分布上均有所降低。

2）工作面段高25m，保留5m煤柱

圖4為隔離煤柱高度保持5m不變，工作面高度減小到25m后斷層兩盤觀測(cè)點(diǎn)的水平方向和垂直方向位移差曲線圖。由圖4可以看出，當(dāng)煤層最早開(kāi)采至-670m標(biāo)高時(shí)，斷層發(fā)生活化反應(yīng)，煤層開(kāi)采結(jié)束后，水平方向最大位移差為7.88mm，垂直方向最大位移差為12.69mm，活化程度微弱，斷層的活化反應(yīng)速度在時(shí)空分布上明顯降低。

因此，通過(guò)增加隔離煤柱的高度以及減小工作面的高度，可以減弱斷層的活化程度，延遲斷層的活化時(shí)間，對(duì)控制斷層的活化具有明顯效果。

4結(jié)論

1）在急傾斜煤層開(kāi)采過(guò)程中，隨著開(kāi)采深度的增加，雖然工作面距離淺部斷層越來(lái)越遠(yuǎn)，但是由于持續(xù)的擾動(dòng)作用和不平衡力的積累，當(dāng)煤層開(kāi)采至-570m標(biāo)高時(shí)，斷層帶開(kāi)始出現(xiàn)剪切破壞和拉破壞，斷層發(fā)生活化反應(yīng)，并隨著開(kāi)采深度的增加活化程度不斷加劇，斷層破碎帶上拉破壞大于剪切破壞。

2）通過(guò)增大隔離煤柱高度和減小工作面高度可以有效的減小急傾斜煤層深部開(kāi)采對(duì)淺部斷層的擾動(dòng)作用，因此煤礦可以綜合考慮兩種方法，在保證煤層回采率的基礎(chǔ)上，提前做好頂板探放水工作，確保煤礦的安全生產(chǎn)。

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