上下盤開采影響下斷層滑移失穩力學機制

韓科明,于秋鴿,張華興,李鳳明

(1.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013; 2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013)

斷層是礦山開采活動中經常遇到的地質構造之一，斷層的存在破壞了巖層的連續性和完整性，一直以來都是影響煤礦安全開采的重要因素，比如沖擊礦壓、礦井突水、地表臺階式下沉等很多礦井災害都是因為開采造成斷層活化導致的[1-3]。針對斷層活化機理，國內外學者作了大量工作并取得豐富研究成果。戴華陽利用數值模擬研究發現斷層作為巖體內部弱面存在，對力和能量的傳遞具有阻斷作用從而導致地表非連續變形的發生[4];于秋鴿等根據空間守恒分析了斷層對開采空間傳遞的作用得到斷層對開采空間傳遞具有增大效應，增大的下沉空間為斷層面離層空間并利用數值模擬分析研究了斷層面采動應力變化特征及斷層原生水的存在對斷層活化所起作用[5-7];毛德兵和陳法兵認為斷層活化是一個能量逐漸累積進而釋放、分散的過程，并采用微震監測研究了斷層延展長度、斷層落差等與活化時釋放能量大小之間的關系，得到斷層活化具有周期性[8];潘一山等通過建立開采盤巖體的黏滑失穩模型分析了工作面開采過程中由于斷層活化而發生沖擊地壓的間歇性[9];于廣明等利用分形理論研究了斷層活化過程發現斷層活化是一個蠕滑過程，當蠕滑是穩定的為慢速活化，當蠕滑是不穩定的為突發性活化[10];CROOK等通過在斷層區域安裝測斜儀和氣壓計發現孔隙水壓力對斷層活化具有促進作用，斷層活化具有突然性，而不是一個漸進的過程[11];姜耀東等利用數值模擬研究了工作面從上盤和下盤向斷層推進過程中斷層上下盤的運動規律，發現工作面距離斷層越近，斷層越易于“活化”，下盤開采比上盤開采斷層更容易活化[12];康紅普等根據山西晉城寺河礦的地應力實測數據發現大型斷層會引起最大水平主應力方向的扭轉[13];李振雷、王珂等認為在煤層開采過程中，斷層受到采動的影響，斷層的穩定狀態遭到破壞，斷層面正應力和剪應力的變化是斷層發生滑移失穩的主要影響因素[14-15]。通過對上述文獻分析可知斷層活化具有周期性和突變性，而關鍵層斷裂也具有相同特點，關鍵層的周期性斷裂與斷層活化之間是否存在某種關系尚未可知，筆者根據關鍵層理論建立了上下盤開采斷層活化力學判據并對比分析了上下盤開采斷層活化難易程度。

1 上下盤開采斷層滑移失穩力學判據的建立

1.1 上盤開采斷層滑移失穩力學判據的建立

當工作面上覆巖層中含有關鍵層時，關鍵層對上覆巖層運動起控制作用，關鍵層上方巖層的運動狀態取決于關鍵層的周期性斷裂。斷層作為弱面存在，切斷了關鍵層與前方巖體之間的力學聯系，改變了關鍵層的力學狀態，上盤開采關鍵層周期性斷裂形成的“砌體梁”結構如圖1所示。

圖1 上盤開采關鍵層運動狀態Fig.1 Movement of key strata when mining on hanging-wall

將FN，T沿斷層面進行合成可知

(1)

式中，FN為斷層面對A塊的自撐力，kN;T為斷層面對A的水平擠壓力，kN;θ為斷層傾角,(°);Fx，Fy為斷層面處x，y方向的合力，N。

由斷層在關鍵層處不發生滑移的條件Fxtanφ≥Fy可知

(2)

其中，φ為斷層帶巖體內摩擦角，(°)。由式(1)可知Fx>0恒成立，也就說關鍵層與斷層面接觸處不會因開采發生離層;關鍵層在斷層面處向上滑移還是向下滑移取決于水平擠壓力T的大小。

取關鍵層巖體寬度為1，對關鍵層巖體A受力分析可知

(3)

式中，γ為工作面上覆巖層平均容重，kN/m3;h為關鍵層上方巖層厚度，m;H為關鍵層厚度，m;h1為關鍵層下部軟弱巖層厚度，m;V為關鍵層與煤層之間巖層的體積，m3;L1為斷層煤柱極限平衡區寬度，m;L2為斷層煤柱彈性區寬度，m;L3為原巖應力區到斷層距離，m;Ψ為關鍵層下部巖體跨落角，(°);R為關鍵塊B對A的剪切力，kN;F為關鍵層下部巖體對關鍵層的支撐力，kN;F1(x)為工作面超前支承壓力，kN；F2(x)為原巖應力區煤層頂板壓力，kN。

工作面超前支承壓力F1(x)、原巖應力區煤層頂板壓力F2(x)[16]滿足:

(4)

式中，M為煤層厚度，m;f為煤層與頂板之間摩擦因數，一般為0.01～0.03;φ1為煤體內摩擦角，(°);K為工作面超前支承壓力集中系數;τ0為煤體極限抗剪強度，kPa;β為煤層側壓系數，一般為0.8～1.5。

根據文獻[17]可知

(5)

其中，l為關鍵層斷裂形成“關鍵塊”平均長度，m;θ1為關鍵塊A的轉角，(°)。關鍵塊的轉角θ1滿足:

(6)

聯立式(3)～(6)并代入式(2)可知關鍵層在斷層處不滑移需滿足條件為

(h1cotθ+L1+L2+L3+h2cotψ)+0.5γh1(h1cotθ+

2L1+2L2+2L3+h2cotψ)-γ(h+H+h1)L3-

(7)

1.2 下盤開采斷層滑移失穩力學判據的建立

下盤開采時，關鍵層周期性斷裂形成的“砌體梁”結構如圖2所示。

圖2 下盤開采關鍵層運動狀態Fig.2 Movement of key strata when mining on foot-wall

將FN，T沿斷層面進行合成可知

(8)

由斷層在關鍵層處不發生滑移的條件Fxtanφ≥Fy可知

(9)

由式(8)可知Fy>0恒成立，也就說關鍵層與斷層面接觸處不會發生向上滑移。對關鍵塊A受力分析可知

(10)

聯立式(4)～(6)，(10)并代入式(9)可得斷層發生活化條件為

h1cotθ-Hcotθ+L2+L1+Hcotψ)+0.5γh1×

(2L3-h1cotθ-Hcotθ+2L2+2L1+Hcotψ)-

γhl[M-h1(kρ-1)]<-cot(θ+φ)

(11)

根據文獻[18]可知φ一般取38°～45°，通過對比式(7)，(11)可知，下盤開采斷層更容易活化。

同時，當Fx≤0時，關鍵層將在斷層面處產生離層，關鍵層及其上覆巖層重量將轉移到煤柱導致煤柱壓縮而斷層活化。因此關鍵層在斷層處不發生活化還應滿足

(12)

1.3 關鍵層上部巖層在斷層面處滑移力學模型

由于關鍵層對其上覆巖層運動狀態起控制作用，當關鍵層處發生活化時，一定會導致整個斷層發生活化;當關鍵層處斷層不活化時，隨工作面推進，關鍵層周期性斷裂，引起關鍵層上覆巖層在斷層面處正應力和剪應力發生改變，斷層是否活化取決于斷層面的正應力和剪應力的大小。

由于斷層面應力變化是斷層開采盤應力變化導致的，在開采盤靠近斷層面位置巖體中以斷層面線為對角線取一微元體，如圖3所示。

圖3 微元體示意Fig.3 Diagram of micro-units

對于微元體，其內部存在一軟弱面時，軟弱面正應力σ和切應力τ可按下式求取[19]。

(13)

式中，σh，σv為微元體受到的水平和垂直應力，MPa。

當關鍵層上部巖層斷層面正應力和剪應力滿足:

τ≤σtanφ+c

(14)

關鍵層上部巖層在斷層面處才不會發生活化。因此得到上盤開采斷層不發生活化需滿足式(7)，(14)同時成立;下盤開采斷層不發生活化需滿足式(11)，(12)，(14)同時成立，下盤開采比上盤開采斷層更容易活化。

由于上述公式中的巖石力學參數選取困難，本文通過對比上下盤開采過程中斷層帶巖體剪應力與正應力的比值以及斷層露頭處臺階下沉大小，利用數值模擬和相似模擬研究上下盤開采斷層活化的難易程度。

2 上下盤開采斷層活化難易程度數值模擬分析

本文建立數值模型根據峰峰礦區某礦地質采礦條件而建，工作面走向長度600 m，傾斜長度100 m，煤層平均厚度5 m，平均埋深770 m，煤層傾角0°，松散層厚度20 m。在工作面西北部揭露正斷層，斷層落差15 m，傾角70°，斷層帶寬度5.6 m。斷層走向近似與工作面傾向平行，留設保護煤柱50 m，工作面近似垂直于斷層走向推進。斷層與工作面的相對位置關系如圖4所示。

圖4 斷層與工作面相對位置關系Fig.4 Relative position between fault and working face

根據工作面附近鉆孔資料，工作面上覆巖層及實測巖性參數見表1。

建立上盤開采數值為1 729，863，300 m，下盤開采數值模型為1 490，863，300 m。模型除了上邊界外全部采用固定約束，由于斷層帶巖體多為砂礫巖、角礫巖等粒狀巖石再膠結而成，斷層帶巖體破壞準則選擇應變軟化準則，其余層狀巖體破壞選擇Mohr-coulomb準則[20]。建立數值模型如圖5所示。

在工作面逐漸靠近斷層時，利用FLAC3D內置FISH語言進行編程得到上盤開采工作面推進60，120，180，240，300，360，420，480，540，600 m時距煤層底板755.32 m(斷層露頭處)垂直高度處的斷層帶巖體剪應力和正應力如圖6所示;上盤開采工作面推進60，120，180，240，300，360，420，480，540，600 m時距煤層底板241.5 m垂直高度處的斷層帶巖體剪應力和正應力如圖7所示。

由圖6，7可知:對于上盤開采，隨著工作面推進，斷層露頭處正應力逐漸減小，剪應力逐漸增大，距煤層底板241.5 m垂直高度處的斷層帶巖體剪應力和正應力都逐漸增大;當工作面推進長度較小時，斷層露頭處的剪應力和正應力比值變化較大而距煤層底板241.5 m處斷層帶巖體剪應力和正應力比值變化較小，斷層露頭處超前深部斷層帶巖體發生變化，這也說明斷層露頭處斷層帶巖體超前深部斷層帶巖體發生活化;當工作面推進長度較大時，斷層露頭處斷層帶巖體剪應力和正應力比值增速較慢而深部斷層帶巖體剪應力和正應力比值增速較大，說明斷層露頭處斷層帶巖體已經處于活化狀態，斷層帶巖體產生裂隙，應力逐漸松弛，而深部斷層帶巖體正在為活化蓄能。

表1 工作面上覆巖層及其巖性其參數
Table 1 Parameter of the overburden strata above working face

巖性厚度/m內摩擦角/(°)剪切模量/GPa體積模量/GPa黏聚力/MPa抗拉強度/MPa松散層20.00150.003 80.008 30.300.002粉砂巖250.00434.304.586.822.35砂質泥巖200.00423.503.561.702.00泥巖150.00436.618.8911.234.53粉砂巖100.00434.304.586.822.35中粒砂巖50.00440.860.812.601.20煤層5.32200.130.260.700.90底板細砂巖88.00396.558.397.591.90斷層帶5.60150.003 80.008 30.300.002

圖5 上、下盤開采數值模型建立Fig.5 Building of simulation models when mining on hanging-wall and foot-wall

圖6 上盤開采距煤層底板755.32 m垂直高度處的斷層帶巖體剪應力與正應力Fig.6 Shear and form stress of fault zone at 755.32 m vertical height from coal floor when mining on hanging-wall

圖7 上盤開采距煤層底板241.5 m垂直高度處的斷層帶巖體剪應力與正應力Fig.7 Shear and form stress of fault zone at 241.5 m vertical height from coal floor when mining on hanging-wall

同理可得到下盤開采工作面推進60，120，180，240，300，360，420，480，540，600 m時模型單元斷層露頭處斷層帶巖體剪應力和正應力及其比值如圖8所示;距煤層底板241.5 m處斷層帶巖體剪應力和正應力及其比值如圖9所示。

圖8 下盤開采距煤層底板755.32 m垂直高度處的斷層帶 巖體剪應力與正應力Fig.8 Shear and form stress of fault zone at 755.32 m vertical height from coal floor when mining on foot-wall

圖9 下盤開采距煤層底板241.5 m垂直高度處的斷層帶 巖體剪應力與正應力Fig.9 Shear and form stress of fault zone at 241.5 m vertical height from coal floor when mining on foot-wall

由圖8，9可知:對于下盤開采，隨著工作面推進，斷層露頭處的斷層帶巖體剪應力和正應力逐漸增加，但其比值逐漸降低;隨著工作面推進，埋藏深度較大的斷層帶巖體剪應力與正應力逐漸減小，剪應力與正應力的比值先逐漸增加然后迅速降低，之所以出現這種情況是因為工作面初步開采階段，斷層露頭處斷層帶巖體即活化導致斷層帶上部巖體優先產生裂隙，斷層帶巖體應力松弛，斷層露頭處的剪應力和正應力比值隨工作面開采逐漸降低，而對于埋深較大的斷層帶巖體而言，在開采初步階段，開采沉陷影響范圍尚未波及到此處巖體，當工作面推進長度達到一定程度后，開采沉陷范圍波及此處巖體導致此處斷層帶巖體亦產生裂隙，斷層活化，斷層帶巖體應力松弛。由此可見，在開采沉陷中，斷層活化是從斷層露頭處優先開始的。同時，當工作面推進距離較小時，斷層露頭處斷層帶巖體剪應力與正應力的比值大于埋藏較深的斷層帶巖體，也說明斷層露頭處斷層帶巖體優先活化。通過對比上下盤開采相同位置處的斷層帶巖體剪應力與正應力及其比值發現當工作面推進相同長度時，下盤開采斷層帶巖體剪應力更大，正應力更小，剪應力與正應力的比值更大，下盤開采斷層更容易活化。

3 上下盤開采斷層活化難易程度相似模擬分析

為了進一步研究上下盤開采工作面逐漸靠近斷層時，斷層活化難易程度，根據上文中峰峰礦區某礦地質采礦條件建立兩組相似模型，分別為上盤開采和下盤開采。由于該礦煤層平均埋深為775 m，考慮到相似模型穩定性及實驗效果，保持上覆巖層層位關系不變，對上覆巖層實際厚度同比例縮小，調整后的上覆巖層實際厚度為268 m。根據實驗目的及實驗條件，確定模型幾何相似常數αL=200∶1，容重相似常數αγ=1.6，強度相似常數ασ=320。本實驗采用中國礦業大學(北京)巖層移動實驗室制作的相似材料配比表[21]，以砂子、云母粉為骨料，石膏、碳酸鈣為膠結物，大云母片為分層材料，硼砂為緩凝劑，根據煤巖體實際強度值及模型幾何相似常數、容重相似常數、強度相似常數得到相似模型上覆巖層巖性參數及配比見表2。

鋪設完成后的兩組相似模型如圖10所示。

為了監測工作面逐漸靠近斷層時，上覆巖層移動變形規律，在模型表面水平方向和垂直方向上每隔10 cm布置一個測點，工作面推進完成后的地表下沉曲線如圖11所示。

表2 上下盤開采相似模型上覆巖層巖性及配比
Table 2 Overburden lithology and ratio of similar model when mining on hanging-wall and foot-wall

巖性厚度/m實際模型密度/(kg·m-3)實際模型抗壓強度/MPa實際模型配比(細砂∶云母粉∶膠結物)松散層8.00.0401 8001 125.0010.00.0394∶4∶2(3∶7)粉砂巖76.00.3802 6121 632.5081.30.2588∶4∶8(5∶5)砂質泥巖74.00.3702 3501 468.7567.50.2189∶5∶6(5∶5)泥巖56.00.2802 5381 586.2536.00.1192∶3∶5(3∶7)粉砂巖36.00.1802 6121 632.5081.30.2588∶4∶8(5∶5)中粒砂巖18.00.0902 5701 606.2559.00.1888∶4∶8(3∶7)煤層5.00.0251 400875.0029.30.0994∶3∶3(7∶3)斷層帶5.60.0281 8001 125.0010.00.0394∶4∶2(3∶7)

圖10 上、下盤開采相似模型Fig.10 Two sets of similar models

圖11 上、下盤開采地表下沉曲線Fig.11 Surface subsidence curves of mining on hanging-wall and foot-wall

由圖11可知:上盤開采斷層露頭處地表未產生明顯臺階下沉，下盤開采斷層露頭處地表產生明顯臺階下沉，下盤開采較上盤開采斷層更容易活化。

上、下盤開采過程中，當工作面推進到一定程度后，斷層露頭處首先產生裂隙，隨工作面推進，裂隙逐漸擴大，上盤開采斷層露頭處僅產生裂隙未形成臺階下沉，而下盤開采斷層露頭處地表形成明顯臺階下沉。工作面推進結束后，斷層露頭處地表裂隙發育情況如圖12所示，由圖12也可以看出下盤開采斷層更容易活化。

圖12 上、下盤開采結束后斷層露頭處裂隙發育情況Fig.12 Fracture development of fault outcrop after mining

4 結 論

(1)根據關鍵層理論建立了上、下盤開采斷層活化力學模型并推導了斷層活化失穩判據，分析表明:下盤開采斷層保持穩定的條件更加苛刻，下盤開采斷層更容易活化。

(2)上盤開采隨著工作面推進，淺部斷層帶巖體正應力逐漸減小，剪應力逐漸增大，深部斷層帶巖體剪應力和正應力都逐漸增大;下盤開采隨著工作面推進，淺部斷層帶巖體剪應力和正應力逐漸增加，深部斷層帶巖體剪應力與正應力逐漸減小;淺部斷層帶巖體優先發生活化。

(3)當上下盤開采地質采礦條件完全一致時，下盤開采斷層帶巖體剪應力與正應力的比值大于上盤開采，下盤開采斷層活化后更易在斷層露頭處地表產生臺階下沉，下盤開采斷層更容易活化。