地質斷層傾角對活化及突水開采安全的影響分析

陳玉嬌

（晉能控股煤業集團云岡礦， 山西 大同 037017）

我國地下煤炭資源豐富，在煤層的地下開采過程中易受到多種動力災害的影響，對煤礦的安全生產產生較大的威脅。斷層作為不同于完整巖體的特殊介質，廣泛存在于煤礦地質中，斷層的存在使得礦井對動力災害更加敏感，容易引發斷層的活化及突水等安全事故。斷層是影響煤層開采的重要的地質因素，對于礦井的布置及開采工藝都具有重要影響[1]。在礦井巷道掘進過程中，當掘進到斷層的影響帶時，容易造成較大的圍巖變形，使得巷道的支護更加復雜，并且易造成圍巖應力的變化，從而影響頂底板的礦壓分布及穩定性，這將不利于礦井的開采。不同的斷層傾角對開采時應力變化的影響不同，因而對斷層的活化及突水等事故產生的影響也不同[2]。采用有限元分析的方式，分析了不同斷層傾角對開采過程中的應力分布影響，從而依據地質條件的不同，確定合理的開采工藝，保證煤礦的安全生產。

1 斷層傾角模擬數值模型的建立

將有限元分析應用于巖體的數值模擬中的方式屬于微分分析方法，采用FLAC3D軟件進行三維巖土的分析，具有良好的前處理功能，并且包含三維網格自動生成器，可提供多種材料模型，也可以真實模擬材料的力學行為。采用FLAC3D進行斷面傾角的作用分析時，建立巖層的三維模型，將斷面做成弱面，因其力學性質相對周邊巖體要弱，因此采用塑性較強的巖層代替[3]。

建立巖層三維模型大小為600 m×60 m×200 m（長×寬×高），位于地下400 m 的巖層中，模型的底部應力為15 MPa，水平方向的構造應力為20 MPa，計算模型采用摩爾-庫倫彈塑性模型，對模型的底部進行固定約束，四周施加水平構造應力20 MPa，頂部自由約束，并設定10 MPa 的重力載荷[4]。針對斷層傾角，選取25°、35°、45°、55°、65°、75°不同的數值，依據巖層的分布，設定巖層的物理參數，建立巖層的斷層傾角模型如圖1 所示（斷層傾角為35°），由此對斷層傾角的影響作用進行仿真模擬。

圖1 斷層傾角模擬數值模型

2 斷層傾角對活化及突水影響作用分析

2.1 斷層傾角對開采斷層面的應力作用分析

斷層的活化過程實質上是巖層經開采作用后沿著斷層面產生一定的剪切滑移的過程，其破壞作用符合巖層的壓剪破壞。因此，對不同的斷層傾角、斷層面的剪應力及法向應力進行分析，即可確定其對斷層活化的影響[5]。依據建立的不同斷層傾角的模型進行仿真分析，得到不同斷層面上的剪應力及法向應力，其分布如圖2 所示。

圖2 斷層面應力分布曲線

從圖2 中可以看出，斷層傾角越大時，斷層面上的剪切力正負交替變化越大，當斷層傾角為75°，深度在12 m 以下時，斷層面上的剪應力為-0.55～0MPa，深度擴大至73 m 時，斷層面上的剪應力為0～1.32 MPa，深度繼續擴大至145 m 時，斷層面上的剪應力為-4.36～0 MPa，深度增加至200 m 時，剪應力則回歸正值；隨著斷層傾角的增加，剪應力變化逐漸增加，且剪應力的最大值也逐漸提升，隨著深度的增加，剪應力呈現增加的趨勢。同時，隨著斷層傾角的增加，斷層面上的法向應力呈現整體增加的趨勢。對比圖2 中兩個方向的應力變化可以看出，在深度范圍0～52 m 及155～200 m 時，剪應力和法向應力整體的變化趨勢較為平穩，在52～155 m 范圍時，剪應力和法向應力變化最為劇烈。造成這一現象的原因是在煤層深度72～80 m 處，由于煤層的開挖造成了斷面的活化，使得斷層面上的剪應力和法向應力發生變化，通過分析應力變化的強度來明確斷層活化的范圍。由此可知，煤層出在72～80 m 位置處時，斷層的活化范圍為52～155 m，煤層經開采作用后，在開挖處深斷層面的活化范圍要遠大于淺斷層面的活化范圍。

2.2 斷層傾角對開采斷層活化及突水作用分析

煤層的開采造成了采空區和斷層的活化，在工作面的下方會產生導水裂隙，當底板的位置存在承壓水時，其會沿著斷層活化帶導通至底板的采空區，使承壓水經裂隙帶而涌入工作面，造成底板的突水事故。同時，承壓水對斷層的破碎帶具有腐蝕、弱化的作用[6]，加劇了斷層面的破壞作用。對不同斷層傾角下頂底板塑性區域的變形進行分析，如圖3 所示為25°傾角時的底板破壞分布圖，圖4 所示為75°傾角時的底板破壞分布圖。

圖3 斷層傾角為25°時的底板破壞變形

圖4 斷層傾角為75°時的底板破壞變形

從圖3、圖4 中可以看出，斷層傾角為25°時，距離開挖斷面45.6 m 時產生了貫通斷層裂隙，斷層傾角為75°時，距離開挖斷面11.5 m 時產生了貫通斷層裂隙。結合其他斷層傾角時的破壞情況可知，在相同條件下，斷層傾角越小時，則更容易產生斷層面的貫通裂隙，形成突水事故，影響煤礦的安全生產。

3 結論

1）斷層的傾角越大，斷層面上的剪應力及法向應力也越大，在煤層開采過程中，在開挖處深斷層面的活化范圍要遠大于淺斷層面的活化范圍。

2）進行煤礦開采時，斷層傾角越小時，越容易產生斷層的活化及突水事故，應預留較寬的隔水煤柱。

3）在進行煤炭的開采時，應依據斷層的分布條件，合理確定開采工藝，從而保證煤礦的安全生產，避免發生活化及突水事故。