周 睿

(1.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122； 3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

我國煤炭開采地質(zhì)條件復(fù)雜，煤巖體中常常存在不同類型和不同規(guī)模的褶曲、斷層、節(jié)理、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造[1-2]。這些地質(zhì)構(gòu)造的存在改變了煤巖體的原始應(yīng)力狀態(tài)，因此在研究煤巖體力學(xué)行為及其穩(wěn)定性時，必須考慮地質(zhì)構(gòu)造的影響。逆斷層作為一種常見的地質(zhì)構(gòu)造，在我國煤炭產(chǎn)區(qū)普遍存在[3]。由于受擠壓應(yīng)力形成的力學(xué)特點，導(dǎo)致逆斷層影響區(qū)域內(nèi)煤巖體的應(yīng)力分布與無斷層構(gòu)造影響以及其他類型構(gòu)造影響時的應(yīng)力分布具有顯著區(qū)別，并且逆斷層常為封閉性斷層，煤巖體應(yīng)力變化和瓦斯積聚的特征易引發(fā)沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害，嚴重威脅煤礦安全生產(chǎn)[4-6]。因此，為實現(xiàn)逆斷層區(qū)域煤層安全高效開采，進行逆斷層區(qū)域煤體應(yīng)力分布規(guī)律研究十分必要。

逆斷層的規(guī)模、形態(tài)、區(qū)域應(yīng)力環(huán)境、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)以及與逆斷層的距離等均對逆斷層區(qū)域的地應(yīng)力分布造成不同程度影響[7-9]，對此很多學(xué)者采用實驗室試驗、現(xiàn)場測試、理論分析和數(shù)值模擬的方法對斷層應(yīng)力分布進行研究，其中康紅普院士等[10]采用小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測量裝置，對褶曲、斷層等地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域煤巖體應(yīng)力進行了測試，得出斷層等地質(zhì)構(gòu)造會引起地應(yīng)力大小的改變，巖層彈性模量越大，承載應(yīng)力越高；CARLSSON[11]研究瑞典Forsmark地區(qū)的地應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造時，發(fā)現(xiàn)逆斷層會改變局部應(yīng)力的方向；蘇生瑞等[12]通過離散元數(shù)值模擬方法分析了斷裂帶內(nèi)摩擦角、黏聚力、剛度和幾何形態(tài)對斷層附近應(yīng)力場的影響，得出斷層帶內(nèi)巖石的內(nèi)摩擦角對斷層附近應(yīng)力方向的影響最大；王勝本等[13]分析總結(jié)了地應(yīng)力方向與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，采用FLAC3D建立數(shù)值模型，分析了斷層構(gòu)造附近應(yīng)力場分布、巖層位移特征、巖層破壞狀況以及它們的變化規(guī)律，得出斷層面附近應(yīng)力遠小于原巖應(yīng)力；高孝巧等[14]應(yīng)用Comsol有限元軟件，模擬不同水平作用力、不同巖性、不同斷層傾角和距斷層面遠近等因素影響下斷層及其周邊區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變情況，得出構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度隨施加的水平應(yīng)力作用增大而線性增大；陳紹杰等[15]研制了煤系地層逆斷層發(fā)育地質(zhì)力學(xué)試驗系統(tǒng)，研究逆斷層發(fā)育過程及上盤巖層應(yīng)力變形演化規(guī)律，得出斷層落差主要取決于水平應(yīng)力；雷光偉等[16]采用現(xiàn)場測量和圖表分析等方法，研究了斷層兩側(cè)節(jié)理平均跡長和中點面密度與距斷層距離之間的變化規(guī)律，得出斷層影響帶寬度與斷層長度之間服從冪函數(shù)形式。此外，很多的學(xué)者將研究重心集中在采動過程中煤體應(yīng)力變化規(guī)律方面[17-19]，同時對逆斷層活化以及逆斷層穩(wěn)定性進行了分析[19-21]。

目前對于逆斷層區(qū)域煤體應(yīng)力分布的研究已取得了一定的成果，但由于逆斷層區(qū)域煤體應(yīng)力特征較為復(fù)雜，仍需對煤體應(yīng)力分布做進一步研究。因此，筆者以典型礦區(qū)為工程背景，采用數(shù)值模擬方法研究逆斷層區(qū)域煤巖體應(yīng)力分布規(guī)律，然后通過應(yīng)力分析手段解釋應(yīng)力分布的原因，最后測試逆斷層區(qū)域煤樣微觀特征來進行驗證。

1 逆斷層區(qū)域煤體應(yīng)力分布模擬

為了分析逆斷層區(qū)域煤體應(yīng)力分布規(guī)律，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法進行研究。選取貴州省新春煤礦作為試驗礦井，煤礦位于貴州省桐梓縣城以西，設(shè)計生產(chǎn)能力90萬t/a，服務(wù)年限62 a。1503工作面位于礦井東南部，開采C5煤層，采深300～420 m，采煤方法為走向長壁采煤法。1503工作面回采區(qū)域存在F4逆斷層，斷層傾角60°，長度195 m，斷距0～6 m，平均4 m。

1.1 模擬模型構(gòu)建

建立三維計算FLAC3D數(shù)值模擬模型。模型長度350 m，傾向長度100 m，模型高度103 m，逆斷層傾角60°，落差4 m。通過在逆斷層上下盤中間添加Interface接觸面模擬斷層帶，接觸面采用庫侖剪切模型，主要參數(shù)為法向剛度2 GN/m、剪切剛度4 GN/m、內(nèi)摩擦角5°和黏聚力0.2 MPa。模型底面限制垂直方向移動，上部為自由面，在模型上部施加垂直應(yīng)力，取為9 MPa，在逆斷層上盤側(cè)面沿煤層走向方向施加水平應(yīng)力，且與垂直應(yīng)力的比為1.5∶1。逆斷層下盤的側(cè)面限制沿煤層傾向、走向方向水平移動。建立的模擬模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model

在模擬過程中，選用應(yīng)變軟化模型模擬煤巖體峰后強度逐步降低的性質(zhì)，并采用Mohr-Coulomb準則作為煤巖體材料的屈服判據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)研和相關(guān)巖石力學(xué)試驗結(jié)果，模擬計算中煤巖體各項力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模擬中煤巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock property parameters

1.2 模擬結(jié)果分析

模擬得出逆斷層區(qū)域煤巖體垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布，具體如圖2和圖3所示。

圖2 垂直應(yīng)力分布Fig.2 Vertical stress distribution

圖3 水平應(yīng)力分布Fig.3 Horizontal stress distribution

通過圖2垂直應(yīng)力分布和圖3水平應(yīng)力分布可以看出，距離逆斷層最近的區(qū)域存在一個應(yīng)力降低區(qū)，煤體應(yīng)力降低；然后隨著與逆斷層距離增加，應(yīng)力升高，形成應(yīng)力升高區(qū)，區(qū)域內(nèi)煤體應(yīng)力達到峰值；之后隨與逆斷層距離進一步增加，煤體應(yīng)力又再次逐漸下降。整體表現(xiàn)出隨著與逆斷層距離減小，煤體應(yīng)力先逐漸升高，然后降低的變化規(guī)律。

在逆斷層上下盤距離逆斷層100 m的區(qū)域布置應(yīng)力監(jiān)測點，測點間距10 m，得出煤體的應(yīng)力分布曲線如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點應(yīng)力Fig.4 Stress value of monitoring point

圖4給出了監(jiān)測點應(yīng)力分布圖，可以看出逆斷層上盤距離逆斷層100～80 m時，煤體應(yīng)力相差不大，說明此區(qū)域煤體受逆斷層影響較??；之后80～20 m，煤體垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力逐漸升高，并在20 m位置達到峰值，其中垂直應(yīng)力為15.65 MPa，水平應(yīng)力為20.68 MPa；之后在10 m位置煤體應(yīng)力出現(xiàn)了下降。逆斷層下盤煤體應(yīng)力分布與上盤基本相同，在距離逆斷層20 m位置煤體應(yīng)力達到峰值，10 m位置煤體應(yīng)力出現(xiàn)了下降。即煤體應(yīng)力分布并沒有表現(xiàn)出逐漸增大或逐漸減小的單一規(guī)律，而是隨著與逆斷層距離減小，呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。

2 逆斷層區(qū)域煤體應(yīng)力分布規(guī)律

建立逆斷層區(qū)域煤體應(yīng)力分析理論模型，從力學(xué)分析角度解釋逆斷層區(qū)域煤體呈現(xiàn)出隨與逆斷層距離減小，應(yīng)力先增大后減小的原因。

2.1 逆斷層區(qū)域煤體應(yīng)力分析模型構(gòu)建

逆斷層構(gòu)造的存在改變了原有煤體的力學(xué)特性，導(dǎo)致逆斷層區(qū)域煤體應(yīng)力分布與無逆斷層構(gòu)造具有一定差別。假定存在逆斷層構(gòu)造的煤巖地質(zhì)體在煤層頂板上方受到上覆巖層垂直分布載荷qx作用，在水平方向受到水平分布載荷qy作用，逆斷層傾角為θ，地質(zhì)體Y方向長度為L，X方向長度為H，在分析過程中假定煤巖地質(zhì)體均質(zhì)且各向同性，建立應(yīng)力分析模型如圖5所示。

圖5 逆斷層區(qū)域煤體力學(xué)分析模型Fig.5 Mechanical analysis model of coal body under reverse fault influence

根據(jù)巖體力學(xué)，在平面上作用集中力P，對平面下方任一點M(x，y)將發(fā)生影響，其應(yīng)力可以表示[22]為：

(1)

(2)

式中：P為集中應(yīng)力，MPa；σx為煤體的垂直應(yīng)力，MPa；σy為煤體的水平應(yīng)力，MPa。

因此，在垂直方向qx作用下，煤體M(x，y)的應(yīng)力為：

(3)

(4)

其中：qx為垂直載荷，MPa；σxh為垂直應(yīng)力影響下煤體的垂直應(yīng)力，MPa；σyh為垂直應(yīng)力影響下煤體的水平應(yīng)力，MPa。

在水平方向qy作用下，煤體M(x，y)的應(yīng)力為

(5)

(6)

式中：qy為水平載荷，MPa；σxL為水平應(yīng)力影響下煤體的垂直應(yīng)力，MPa；σyL為水平應(yīng)力影響下煤體的水平應(yīng)力，MPa。

綜上，可以計算出逆斷層區(qū)域任一點煤體M(x，y)的應(yīng)力為

(7)

(8)

2.2 逆斷層區(qū)域煤體應(yīng)力分布特征

當煤體承受載荷超過其自身強度時，將發(fā)生破壞。因此，通過Mohr-Coulomb強度準則對煤體的穩(wěn)定性進行分析，具體判定方程[23]見式(9)

(9)

式中：σ1為第1主應(yīng)力，MPa；σ3為第3主應(yīng)力，MPa；φ為煤體內(nèi)摩擦角，(°)。

在逆斷層影響區(qū)域，煤體主應(yīng)力方向與逆斷層傾角、落差、煤巖體巖性等多個因素有關(guān)，為了便于分析，根據(jù)逆斷層區(qū)域煤巖體一般假定，取煤體水平應(yīng)力為第一主應(yīng)力，垂直應(yīng)力為第三主應(yīng)力[19-20]。定義煤體失穩(wěn)系數(shù)為w，w越大，煤體穩(wěn)定性越差，越容易發(fā)生破壞，而w越小，煤體越穩(wěn)定，具體計算方程為：

(10)

為了更加直觀的了解逆斷層區(qū)域煤體力學(xué)特征，根據(jù)貴州省新春煤礦現(xiàn)場地質(zhì)條件選取相關(guān)力學(xué)參數(shù)，垂直應(yīng)力取為9.00 MPa，水平應(yīng)力取為垂直應(yīng)力的1.5倍，即13.50 MPa，煤層與頂板距離30 m，逆斷層傾角60°，煤體內(nèi)摩擦角10°，應(yīng)力模型地質(zhì)體長度L為200 m，深度H為200 m。通過計算，可以計算出逆斷層區(qū)域煤體失穩(wěn)系數(shù)隨與逆斷層距離的變化曲線，具體如圖6所示。

圖6 逆斷層區(qū)域煤體穩(wěn)定性變化規(guī)律Fig.6 Variation law of coal stability under influence of reverse fault

圖6給出了與逆斷層不同距離煤體的失穩(wěn)系數(shù)分布曲線，可以看出與逆斷層不同距離煤體的穩(wěn)定性不同，表現(xiàn)出與逆斷層距離越小，煤體失穩(wěn)系數(shù)越大，煤體越容易發(fā)生破壞。

通過計算得出，當與逆斷層距離小于12.74 m時，煤體失穩(wěn)系數(shù)大于sinφ，表明此區(qū)域內(nèi)煤體將發(fā)生破壞。假定煤體為彈塑性軟化模型，煤體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以表示為圖7所示的變化規(guī)律[23]。

圖7 煤體彈塑性軟化模型Fig.7 Elastoplastic softening model of coal

結(jié)合煤體彈塑性軟化特征進行分析，與逆斷層距離大于12.74 m時，煤體失穩(wěn)系數(shù)增加，但并未發(fā)生破壞，此時的應(yīng)力狀態(tài)可以視為彈性變形階段，此階段內(nèi)隨著與逆斷層距離減小，煤體應(yīng)力逐漸升高，對應(yīng)于模擬分析中的80～20 m的區(qū)域；但當煤體與逆斷層距離小于12.74 m時，煤體承載超過了自身的峰值強度，煤體發(fā)生了破壞，處于塑性軟化階段或塑性流動階段，煤體強度發(fā)生劣化，應(yīng)力降低，此階段內(nèi)隨著與逆斷層距離減小，煤體應(yīng)力逐漸降低，對應(yīng)于模擬分析中的20～10 m的區(qū)域。綜上，通過應(yīng)力分析的角度解釋了逆斷層區(qū)域煤體應(yīng)力先增大后減小的原因。逆斷層下盤應(yīng)力分析與上盤分析方法相同，下盤煤體水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力計算表達式與上盤煤體應(yīng)力計算表達式(7)、式(8)相比僅在x軸方向增加了逆斷層斷距4 m的距離，并不會對煤體應(yīng)力分布規(guī)律造成改變，考慮到逆斷層上盤作為主動盤，力學(xué)作用更加明顯，故分析以逆斷層上盤為例[24]。

3 逆斷層區(qū)域煤體微觀特征

目前煤體應(yīng)力現(xiàn)場測試常用的方法包括空心包體、水壓致裂等方法，但測試成本較高，并且受現(xiàn)場施工條件等限制有時還不能得到準確的測試結(jié)果。因此為了驗證逆斷層區(qū)域煤體應(yīng)力分布研究結(jié)論，現(xiàn)場選取煤樣進行微觀特征觀測，通過煤體微觀結(jié)構(gòu)的變化來分析對應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)煤巖體力學(xué)特征，當煤體未發(fā)生破壞時，煤體結(jié)構(gòu)應(yīng)較為完整，而煤體發(fā)生破壞后，煤體結(jié)構(gòu)較為破碎[22]。

3.1 煤樣選取與制作

現(xiàn)場選取距離F4逆斷層10、40和70 m位置的煤樣，分別標記為K1、K2和K3。采樣后立即進行密封保存，防止煤樣氧化和水分的蒸發(fā)，送至煤礦安全技術(shù)國家重點試驗室。測試煤樣的制作過程如下：選取體積1～2 cm3的煤塊，要求煤塊具有相對平整的自然斷面作為觀測面，用刷子或吸氣球除去表面附著物，之后將煤樣放入干燥箱，除去其中較多的氣體和水分，然后采用SBC-小型離子濺射儀對煤塊真空噴鍍金膜，制作微觀觀測煤樣，然后采用KYKY-2800B型掃描電子顯微鏡開展測試，獲得煤樣微觀圖像。

3.2 煤樣微觀觀測

每個煤樣在1 000和5 000兩種倍率下掃描，選擇特征較為明顯的區(qū)域掃描3次，共獲得18張圖片，選取其中6張圖片進行對比分析，具體如圖8和圖9所示。

圖8 1 000倍率電鏡掃描圖片F(xiàn)ig.8 Scan picture of 1 000 times with scanning electron microscope

圖9 5 000倍率電鏡掃描圖片F(xiàn)ig.9 Scan picture of 5 000 times with scanning electron microscope

圖8和圖9給出了煤樣分別在放大1 000倍和5 000倍條件下的觀測結(jié)果?？梢钥闯?，在逆斷層構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤樣微觀結(jié)構(gòu)具有較為明顯的區(qū)別。在放大1 000倍的條件下，K3煤樣表面存在一些煤屑，但煤樣表面基本無裂隙存在；K2煤樣存在一些裂隙，但沒有表現(xiàn)出明細的破壞特征；K1煤樣存在大量裂隙，并且煤樣結(jié)構(gòu)破碎，大小顆粒混雜。在放大5 000倍的條件下可以看出，K3煤樣塊體仍較為完整，基本不存在裂隙結(jié)構(gòu)；K2煤樣的裂隙清晰，兩組裂紋近似呈“X”型，說明煤樣受到擠壓應(yīng)力作用，但裂隙并未大面積貫通；K1煤樣的破碎程度更為清晰，有的被磨成棱角，有的被磨成半角或半圓，還存在更細小的顆粒充填于碎塊之間，這是由于煤體碎裂過程中碎塊之間相互擠壓形成的。

通過煤體微觀圖像分析煤體的應(yīng)力狀態(tài)，其中距離逆斷層70 m的K3煤樣較為完整，并沒有出現(xiàn)明顯裂紋，表明煤體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，并未發(fā)生破壞；距離逆斷層40 m的K2煤樣表面存在摩擦痕跡和一定數(shù)量的裂隙，但裂隙并沒有大量貫通，表明煤體沒有發(fā)生破壞，處于彈性變形階段，但與K3煤樣相比，裂隙增加說明煤體承載增加，應(yīng)力增大；距離逆斷層10 m的K1煤樣裂隙發(fā)育程度很高，并且煤體破碎，表明此區(qū)域煤體發(fā)生破壞，處于塑性軟化階段或塑性流動階段，此階段煤體強度劣化，應(yīng)力出現(xiàn)了減低。綜上，隨著與逆斷層距離減小，煤體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出完整、出現(xiàn)裂隙以及完全破碎的微觀特征，即對應(yīng)于煤體應(yīng)力先增大后減小的研究結(jié)論，驗證了數(shù)值模擬和理論分析的結(jié)果。

4 結(jié)論與建議

1)以貴州省新春煤礦1503工作面F4逆斷層為研究對象，開展逆斷層區(qū)域煤體應(yīng)力分布數(shù)值模擬研究，得出隨與逆斷層距離的減小，煤體應(yīng)力表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。

2)建立逆斷層區(qū)域煤體應(yīng)力分析模型，推導(dǎo)出煤體水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的表達式，根據(jù)Mohr-Coulomb強度準則和煤體彈塑性軟化特征，得出與逆斷層越近，煤體穩(wěn)定性越差，距離逆斷層12.74 m時煤體將發(fā)生破壞，此后煤體強度劣化，應(yīng)力降低，從應(yīng)力分析的角度解釋了煤體應(yīng)力先增大后減小的原因。

3)采用微觀觀測方法研究煤體應(yīng)力分布規(guī)律，現(xiàn)場選取與逆斷層不同距離煤樣開展煤體微觀特征觀測，K3煤樣沒有出現(xiàn)明細裂紋，表明煤體穩(wěn)定；K2煤樣表面存在摩擦痕跡和一定數(shù)量的裂隙，但裂隙并沒有大量貫通，表明煤體沒有明顯破壞，處于彈性變形階段，但與K3相比應(yīng)力升高；K1煤樣裂隙發(fā)育，并且顆粒破碎，表明此區(qū)域煤體發(fā)生破壞，處于塑性軟化階段或塑性流動階段，應(yīng)力降低；通過觀測發(fā)現(xiàn)隨著與逆斷層距離減小，煤體表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)完整、出現(xiàn)裂隙以及完全破碎的微觀特征，驗證了數(shù)值模擬和理論分析的結(jié)論。

靠近逆斷層區(qū)域煤體承載超過自身強度，導(dǎo)致煤體應(yīng)力降低，容易發(fā)生片幫、冒頂?shù)惹闆r。因此在逆斷層區(qū)域進行回采活動時，應(yīng)加強支護，并且當工作面頂板冒頂嚴重時，要及時停機處理，以防止冒頂加劇及片幫區(qū)域擴大。