不同開采條件下斷層滑移危險(xiǎn)性的研究

郝永軍，王金濤，趙小龍，劉 冬,陳明遠(yuǎn)

(1.冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司,河北 邯鄲 056107； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

1 概述

斷層結(jié)構(gòu)是一種特殊的地質(zhì)構(gòu)造，我國(guó)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，斷層分布廣泛[1]。這些斷層在板塊間的相互作用下產(chǎn)生，板塊間的相互作用在斷層結(jié)構(gòu)內(nèi)部積累了大量的變形能[2]。地下煤層開采遇到斷層構(gòu)造時(shí)，極易誘發(fā)斷層滑移，促使斷層內(nèi)部的變形能釋放，對(duì)施工人員和設(shè)備的安全造成嚴(yán)重的威脅。斷層滑移過程中，伴隨著儲(chǔ)存在巖體中的變形能的釋放，經(jīng)常引發(fā)沖擊地壓事故[3-6]。

煤層回采過程中，附近的圍巖在采動(dòng)應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力的重新分布。斷層附近的圍巖較為破碎，周圍應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，當(dāng)采動(dòng)應(yīng)力作用于斷層附近時(shí)，會(huì)使斷層面上的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，從而使斷層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，誘發(fā)沖擊地壓事故。因此研究采動(dòng)應(yīng)力與斷層結(jié)構(gòu)的相互作用對(duì)斷層活化產(chǎn)生的機(jī)制十分重要。目前對(duì)采動(dòng)應(yīng)力作用下斷層面上的應(yīng)力演化規(guī)律還需要進(jìn)一步研究。本文通過數(shù)值模擬研究了上下盤分別開采時(shí)圍巖的應(yīng)力演化規(guī)律，以及工作面推進(jìn)過程中斷層面上應(yīng)力變化特征。

2 數(shù)值模型建立

本文利用FLAC3D軟件，根據(jù)某礦實(shí)際工況，建立了數(shù)值模型,研究了工作面推進(jìn)距離與斷層滑移的之間的關(guān)系。該模型三維尺寸為400 m×320 m×120 m，模擬埋深600 m，豎直方向施加15 MPa的均布荷載，水平方向施加12 MPa的梯形均布荷載，底部邊界固定。斷層結(jié)構(gòu)采用接觸面模擬，切向剛度和法向剛度均為5 GPa，黏聚力為0.5 MPa，摩擦角15°。模型中斷層為正斷層，傾角為75°，落差為10 m。如圖1所示，模型中，工作面長(zhǎng)度為200 m，開挖步數(shù)設(shè)置為5 m，模型采用摩爾庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則。煤巖體以及斷層的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集的巖石試樣通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得，如表1所示。分別在斷層帶、煤層的頂?shù)装宀贾脺y(cè)點(diǎn)，如圖1所示，監(jiān)測(cè)回采過程中，斷層面上應(yīng)力的變化情況。

表1 各巖層的物理力學(xué)參數(shù)

3 上盤開采時(shí)的應(yīng)力演化規(guī)律

3.1 上盤開采時(shí)工作面圍巖的應(yīng)力演化規(guī)律

當(dāng)回采工作面位于斷層上盤時(shí)，選取工作面距離斷層60 m,30 m和5 m時(shí)工作面與斷層附近圍巖的應(yīng)力云圖(見圖2)。研究工作面與斷層不同距離下圍巖的應(yīng)力的演化規(guī)律。

由圖2可知，工作面前方出現(xiàn)豎向支承壓力集中區(qū)，超前支承壓力大小為39 MPa～46 MPa，是原巖應(yīng)力的2倍～3倍。隨著工作面的前移，超前支承壓力峰值逐漸增加，工作面距離斷層5 m時(shí)的豎向壓力的峰值比距離60 m時(shí)的豎向峰值壓力高18.9%，可知距離斷層越近，豎向應(yīng)力的集中程度越高。工作面后方的圍巖由于煤體的開挖，出現(xiàn)豎直應(yīng)力的卸壓區(qū)。水平應(yīng)力在前方出現(xiàn)有小幅度的增加，在工作面后方上部圍巖出現(xiàn)了水平應(yīng)力的卸壓區(qū)。

3.2 上盤開采時(shí)斷層面的應(yīng)力演化規(guī)律

根據(jù)圖3可知，工作面在斷層上盤開采時(shí)，覆巖處斷層面的正應(yīng)力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，在距離50 m處最小。煤層頂板處B的斷層面正應(yīng)力隨著工作面的推進(jìn)逐漸增大，切應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，工作面距離斷層80 m處切應(yīng)力最大。相比于A，B位置，底板處C點(diǎn)的斷層面正應(yīng)力受采動(dòng)影響較大，在距離斷層小于70 m時(shí)迅速降低。C點(diǎn)的切應(yīng)力隨工作面的推進(jìn)整體呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)。以斷層面上正應(yīng)力和切應(yīng)力的比值來判斷斷層滑移的危險(xiǎn)性[7]，如圖3(c)所示。工作面在斷層下盤開采時(shí)，底板處斷層面的滑移危險(xiǎn)性最高，并且隨著工作面的推進(jìn)，一直增加。

4 下盤開采時(shí)的應(yīng)力演化規(guī)律

4.1 下盤開采時(shí)工作面圍巖的應(yīng)力演化規(guī)律

工作面位于斷層的下盤時(shí)，選取工作面距離斷層60 m,30 m,5 m時(shí)圍巖的應(yīng)力云圖(見圖4)，研究工作面與斷層不同距離下圍巖的應(yīng)力演化規(guī)律。由圖4可知，工作面下盤開采時(shí)，在工作面前方8 m范圍內(nèi)出現(xiàn)豎直應(yīng)力的集中區(qū)域，是原巖應(yīng)力的2倍～3倍。同樣在工作面后方5 m處的圍巖開始出現(xiàn)豎直應(yīng)力和水平應(yīng)力的卸壓區(qū)域。

4.2 下盤開采時(shí)斷層面的應(yīng)力演化規(guī)律

根據(jù)圖5可知，工作面位于下盤開采時(shí)，不同位置處斷層面上的正應(yīng)力和切應(yīng)力隨著工作面的推進(jìn)，具有不同的變化情況。覆巖A和底板C處的斷層面的正應(yīng)力受工作面推進(jìn)距離變化的影響較小。煤層頂板的B處，在工作面距離斷層60 m以上時(shí)，變化幅度不大。當(dāng)距離小于60 m時(shí)，B處的正應(yīng)力開始迅速減小。當(dāng)工作面距離斷層小于60 m時(shí)，覆巖、煤層頂板和底板處斷層面上切應(yīng)力受采動(dòng)效應(yīng)影響，覆巖和底板處的切應(yīng)力隨著距離的減小不斷增大，煤層頂板處的切應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在工作面與斷層距離30 m處達(dá)到最大值12.6 MPa，隨后迅速降低。

如圖5所示當(dāng)工作面與斷層的距離大于60 m時(shí)，斷層處于安全狀態(tài)。覆巖和底板處的斷層滑移的危險(xiǎn)性隨著工作面的推進(jìn)而逐漸增大，煤層頂板位置斷層滑移的危險(xiǎn)性在距離為30 m達(dá)到最高。

5 結(jié)論

1)工作面沿?cái)鄬由舷卤P開采時(shí)，在工作面前方8 m范圍內(nèi)形成豎直應(yīng)力集中區(qū)域。在工作面后方5 m以后形成豎直和水平應(yīng)力的卸壓區(qū)。工作面沿?cái)鄬由媳P開采時(shí)，底板處斷層面的滑移危險(xiǎn)性最高，并且隨著工作面的推進(jìn)，一直增加。底板處斷層受工作面開采的影響范圍是60 m左右。工作面沿?cái)鄬酉卤P開采時(shí)，煤層頂板位置斷層活化危險(xiǎn)性較高。

2)工作面沿?cái)鄬由舷卤P開采時(shí)，采動(dòng)應(yīng)力均會(huì)影響斷層面的應(yīng)力分布。沿上盤開采時(shí)，底板處的斷層面的正應(yīng)力隨著工作面與斷層距離的減小逐漸減小。而下盤開采時(shí)，煤層頂板的正應(yīng)力隨著工作面與斷層距離的減小逐漸減小。斷層面正應(yīng)力的變化對(duì)斷層滑移危險(xiǎn)性的影響較大。

3)工作面沿下盤開采的危險(xiǎn)性高于上盤，最危險(xiǎn)的區(qū)域?yàn)槊簩禹敯逦恢茫夜ぷ髅媾c斷層距離30 m時(shí)，斷層活化的危險(xiǎn)性最高。研究發(fā)現(xiàn)采動(dòng)應(yīng)力引起的斷層面的應(yīng)力狀態(tài)的突然變化是斷層發(fā)生相對(duì)滑移的主要原因。