田昊豐 李 鐵

(1.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

不同開(kāi)挖引起斷層活化的數(shù)值模擬對(duì)比分析

田昊豐1,2李 鐵1,2

(1.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

強(qiáng)度較低的斷層面，周圍采動(dòng)活動(dòng)易于誘導(dǎo)其斷層活化，引發(fā)沖擊地壓。經(jīng)驗(yàn)表明，在不同采動(dòng)方案下，引起斷層活化的程度存在差異。利用UDEC數(shù)值模擬軟件，分別模擬工作面從逆斷層的上盤和下盤逼近斷層回采過(guò)程，對(duì)比研究斷層面最大剪切應(yīng)力和對(duì)應(yīng)法向應(yīng)力的演化規(guī)律以及斷層面上、下盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。結(jié)果顯示：在工作面回采過(guò)程中，工作面距斷層水平距離越近，越易于誘導(dǎo)斷層活化；工作面在逆斷層上盤逼近時(shí)，斷層相對(duì)穩(wěn)定，活化程度較低；工作面在逆斷層下盤推進(jìn)時(shí)，斷層活化程度較大，誘發(fā)沖擊地壓的危險(xiǎn)性很大。研究表明巷道在逆斷層上盤開(kāi)挖比在下盤更安全、穩(wěn)定。

斷層活化 沖擊地壓 數(shù)值模擬 回采

地下采動(dòng)對(duì)斷層活化的影響是普遍存在的，而斷層又是誘發(fā)沖擊地壓的重要構(gòu)造形式。由斷層活化引起的沖擊地壓往往具有破壞性強(qiáng)、發(fā)生突然且猛烈等特點(diǎn)，對(duì)人員和財(cái)產(chǎn)造成巨大危害[1-2]。

對(duì)于受斷層影響引發(fā)的沖擊地壓?jiǎn)栴}，學(xué)者們對(duì)斷層滑移穩(wěn)定性、采動(dòng)誘發(fā)斷層失穩(wěn)、斷層變形過(guò)程和應(yīng)力場(chǎng)的演化規(guī)律以及沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理等方面做了大量研究[3-9]，對(duì)開(kāi)采擾動(dòng)和擾動(dòng)影響下斷層活化過(guò)程提供了堅(jiān)實(shí)的理論支撐，但對(duì)于在實(shí)際工程領(lǐng)域如何優(yōu)化巷道設(shè)置，最大限度地減少近斷層采動(dòng)下地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生缺乏定量研究[9-10]。鑒于此，通過(guò)分別模擬工作面在逆斷層上盤和下盤向斷層面推進(jìn)的過(guò)程，對(duì)比分析不同采動(dòng)條件下斷層最大剪切應(yīng)力和對(duì)應(yīng)法向應(yīng)力的演化規(guī)律以及斷層面最大滑移量的變化規(guī)律，以選擇對(duì)斷層面及其周圍擾動(dòng)最小的巷道開(kāi)挖方案。

義馬煤田千秋煤礦為沖擊地壓煤層，單一煤層開(kāi)采，不具備開(kāi)采保護(hù)層區(qū)域卸壓解危條件，煤層巷道掘進(jìn)和回采過(guò)程常發(fā)生沖擊地壓，對(duì)采礦安全構(gòu)成重大威脅。其中斷層是影響煤礦開(kāi)采的重要地質(zhì)因素，對(duì)采區(qū)布置和煤礦開(kāi)采及采場(chǎng)支護(hù)起決定性作用。斷層區(qū)段是采掘過(guò)程沖擊地壓的高危部位，以往的經(jīng)驗(yàn)表明，若因巷道設(shè)置不當(dāng)，可能導(dǎo)致開(kāi)挖過(guò)程引起斷層活化并產(chǎn)生沖擊地壓，發(fā)生事故。

鄭玉友等[12]指出，開(kāi)采深度在500 m以下時(shí)，沖擊危險(xiǎn)性較小，開(kāi)采深度500～700 m時(shí)，沖擊地壓發(fā)生的危險(xiǎn)程度隨開(kāi)采深度的增加會(huì)逐漸上升，當(dāng)開(kāi)采深度大于700 m后，沖擊危險(xiǎn)性顯著增加。千秋井田南至F16逆斷層，傾角約20°，埋深850～900 m，斷層區(qū)段儲(chǔ)煤量豐富，屬于深部沖擊地壓高危區(qū)段，故急需開(kāi)展巷道在深部巖體不同開(kāi)挖情況下引起斷層活化的數(shù)值分析，優(yōu)化巷道布置，以防治斷層活化產(chǎn)生的沖擊地壓。

1 計(jì)算模型

為研究正斷層開(kāi)采斷層面應(yīng)力和斷層上下盤滑移量的變化，建立模型見(jiàn)圖1。利用UDEC4.0離散元數(shù)值模擬軟件分別模擬工作面從傾角20°的逆斷層上盤和下盤逼近斷層采動(dòng)誘發(fā)的斷層活化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖石試樣力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值試驗(yàn)參數(shù)折減規(guī)律，采用巖體力學(xué)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。模型模擬范圍長(zhǎng)500 m，高200 m，上部為自由面，頂部加766 m覆巖自重等效均布荷載，底面限制垂直位移，兩側(cè)限制水平位移，模擬巷道的開(kāi)采深度為883.3 m，上覆煤巖體的平均密度為2 580 kg/m3，逆斷層沿巷道走向側(cè)壓力系數(shù)kxx=0.7，沿垂直于模型方向側(cè)壓力系數(shù)kzz=2。模型左右兩端各留50 m保護(hù)煤柱，工作面由距離斷層水平200 m推進(jìn)到50 m。

圖1 工作面上、下盤開(kāi)挖示意

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)的可能性，在不違背實(shí)際條件下，對(duì)模型做如下基本假設(shè)：①逆斷層為傾角20°的弱節(jié)理面，完全彈性材料且無(wú)填充層，巷道沿垂直斷層走向，分別在斷層上盤和下盤開(kāi)挖；②斷層周圍巖體為均勻各相同性材料；③采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為煤巖體材料的屈服判據(jù)；④邊界應(yīng)力為區(qū)域應(yīng)力，作用方向垂直于邊界；⑤斷層僅受現(xiàn)代應(yīng)力場(chǎng)影響，忽略古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用。

2 逆斷層上盤開(kāi)采斷層活化規(guī)律

2.1 逆斷層上盤開(kāi)采時(shí)斷層應(yīng)力演化特征

逆斷層上盤開(kāi)采過(guò)程中斷層面應(yīng)力的變化規(guī)律見(jiàn)圖2。隨工作面的不斷推進(jìn)，斷層面上最大剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力呈先穩(wěn)定后增大的趨勢(shì)：當(dāng)工作面距斷層水平距離90 m時(shí)，最大剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力顯著增加；當(dāng)工作面距斷層水平距離50 m時(shí)，最大剪切應(yīng)力值為44.4 MPa，法向應(yīng)力值為73.2 MPa，而剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力的比值則呈現(xiàn)先小后增大的趨勢(shì)；當(dāng)工作面距斷層面水平距離大于130 m時(shí)，剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力的比值逐漸減小，說(shuō)明此時(shí)法向應(yīng)力的變化占主導(dǎo)，其比值由最初的0.45下降到0.34；當(dāng)工作面距斷層面水平距離小于130 m時(shí)，比值開(kāi)始呈增大趨勢(shì)；在距斷層水平距離70 m時(shí)達(dá)到最大比值0.66，說(shuō)明此時(shí)斷層最容易滑動(dòng)，出現(xiàn)斷層活化的可能性最大。

圖2 逆斷層上盤開(kāi)采時(shí)應(yīng)力變化

2.2 逆斷層上盤開(kāi)采時(shí)斷層滑移的危險(xiǎn)性分析

圖3表明，逆斷層上盤開(kāi)挖過(guò)程會(huì)導(dǎo)致斷層面上下盤的錯(cuò)動(dòng)，但相對(duì)滑移量很小。由上述研究可知，在工作面距斷層水平距離70 m時(shí)最容易誘發(fā)斷層活化，而此時(shí)斷層面最大滑移量也僅為0.067 m，當(dāng)工作面距斷層水平距離50 m時(shí)，斷層面滑移量達(dá)到最大值0.1 m。表明在逆斷層上盤開(kāi)挖對(duì)斷層面的影響最小，斷層面上下盤滑移量相對(duì)穩(wěn)定，斷層活化程度較低，不會(huì)誘發(fā)沖擊地壓。

圖3 逆斷層上、下盤開(kāi)采斷層滑移量對(duì)比

3 逆斷層下盤開(kāi)采斷層活化規(guī)律

3.1 逆斷層下盤開(kāi)采時(shí)斷層應(yīng)力演化特征

逆斷層下盤開(kāi)采過(guò)程中斷層面應(yīng)力變化規(guī)律見(jiàn)圖4。隨著工作面不斷逼近斷層，斷層面上的最大剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力也呈先穩(wěn)定后增大的趨勢(shì)：在工作面距斷層水平距離160 m時(shí)，最大剪切應(yīng)力值和法向應(yīng)力開(kāi)始顯著增加；當(dāng)工作面距斷層水平距離50 m時(shí)，最大剪切應(yīng)力值為76.1 MPa，其法向應(yīng)力值為165.5 MPa，剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力的比值則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；當(dāng)工作面距斷層面水平距離大于160 m時(shí)，法向應(yīng)力的變化占主導(dǎo)，其比值由最初的0.25下降到0.22；在工作面距斷層水平距離130 m時(shí)達(dá)到最大比值0.56，表明此時(shí)斷層最容易滑動(dòng)，出現(xiàn)斷層活化的可能性最大。

圖4 逆斷層下盤開(kāi)采時(shí)應(yīng)力變化

3.2 逆斷層下盤開(kāi)采時(shí)斷層滑移的危險(xiǎn)性分析

為進(jìn)一步分析在工作面距斷層不同距離時(shí)斷層面最大滑移量的變化情況，并于逆斷層上盤開(kāi)采情況做對(duì)比，得到逆斷層下盤開(kāi)采時(shí)斷層滑移曲線，如圖3。工作面距斷層水平距離大于130 m時(shí)，斷層面滑移量控制在0.1 m以內(nèi)，且變形速度相對(duì)穩(wěn)定，而當(dāng)工作面繼續(xù)逼近斷層時(shí)，斷層面滑移量開(kāi)始顯著增大，這與圖4得到結(jié)果相符。當(dāng)距斷層水平距離50 m時(shí)，斷層面的最大滑移量達(dá)到0.83 m。表明在逆斷層下盤開(kāi)挖巷道誘導(dǎo)斷層活化程度較大，容易引發(fā)沖擊地壓。

4 結(jié) 論

(1)隨著工作面距斷層水平距離的減小，斷層面滑移量逐漸增大，表明工作面距斷層越近，越易于誘導(dǎo)斷層活化的發(fā)生。

(2)工作面在上盤推進(jìn)到距斷層水平距離70 m時(shí)，剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力的比值雖然達(dá)到峰值，但斷層面滑移量較小，僅為0.067 m，表明斷層活化程度較低，不會(huì)導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。

(3)工作面在下盤推進(jìn)到距斷層水平距離 130 m 時(shí)，剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力的比值達(dá)到峰值0.57，且斷層面滑移量開(kāi)始顯著增加，表明此時(shí)斷層活化的危險(xiǎn)性很高，引發(fā)沖擊地壓的可能性很大。

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Numerical Simulation Comparison Analysis on the Fault Activation Pattern Induced by Tunnel Excavation

Tian Haofeng1,2Li Tie1,2

(1.State Key Laboratory of High-efficiency Mining and Safety of Metal Mines(Ministry of Education);2.School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing)

Mining activities is easy to induce activation of faults and impact pressure in the strength of lower fault plane. Relevant experience show that,different mining schemes cause varying degrees of fault activation. The UDEC (Unitized Digital Electronic Calculation) numerical simulated sofware is adopted to conduct simulation on the working face close to the reverse fault at the hanging wall and the foot wall respectively so as to conduct comparison analysis the evolution rule of the maximum shear stress and corresponding normal stress of fault surface and the relative motion rule of the hanging wall and foot wall.The result showed that,the closer the distance from fault level, the more easy to induce fault activation. When the working face is on the hanging wall of the reverse fault, the fault is relatively stable and inactive. When the working face is on the foot wall of the reverse fault, the fault would be especially active,which will induce the rock-burst more easily.The above research results also indicated that excavation on the hanging wall is more safe and stable than on the foot wall.

Fault activation, Rock-burst, Numerical simulation, Stoping

2014-07-04)

田昊豐(1991—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)。