張夢麗，詹 潤

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2. 安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院，安徽 合肥 230088）

0 引言

斷層是一種常見的地質(zhì)構(gòu)造，同時也是煤炭開采中常見的難題，相較于淺埋藏區(qū)、無斷層礦井、厚覆巖層，有斷層條件下的采煤活動更容易發(fā)生圍巖破壞和沉陷變形，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡、財產(chǎn)損失及環(huán)境破壞。

針對采動影響下的斷層活化響應(yīng)規(guī)律，前人開展了大量的數(shù)值模擬研究，并揭示了圍巖應(yīng)力變化與地表沉陷的規(guī)律。許磊等[1]、魏世明等[2]利用數(shù)值模擬軟件模擬了煤礦開采下斷層滑移隨工作面推進(jìn)的變化特征及斷層面應(yīng)力活化誘發(fā)沖擊危險性的研究。胡青峰等[3]、郭玉芳等[4]、陳杰等[5]、張海洋等[6]重點對斷層采動活化引起的地表沉陷開展了大量的數(shù)值模擬研究。韓科明等[7]、趙高博等[8]、楊偉峰等[9]、丁甲等[10]、孫浩然等[11]、陳昌宜[12]根據(jù)斷層活化力學(xué)模型與覆巖破壞原理，模擬覆巖層的應(yīng)力場、位移場及地表的移動變形規(guī)律。目前大量研究主要集中于采動影響下的斷層活化應(yīng)力、應(yīng)變動態(tài)變化與地表沉陷過程響應(yīng)模擬方面。姜耀東等[13]模擬了斷層上下盤逐步回采的方式，發(fā)現(xiàn)在工作面回采過程中，斷層帶上的應(yīng)力分布具有明顯的時空特征，而相較于上盤開采，下盤開采對斷層的活化影響更高。王瑞[14]通過現(xiàn)場實測等手段對煤層工作面覆巖運動進(jìn)行研究，總結(jié)出采空區(qū)中間測點下沉值最大、下沉速度最快，且在整體形式上表現(xiàn)出對稱的方式。王宗林等[15]采用數(shù)值計算與相似試驗相結(jié)合的方法研究淺埋煤層開采覆巖下沉位移與應(yīng)力分布特征，發(fā)現(xiàn)來壓期間老頂瞬間垮落，下沉位移明顯。劉義新[16]通過研究淺埋綜放開采條件下地表沉陷規(guī)律，發(fā)現(xiàn)工作面推進(jìn)過程中，地表移動變形總體上是連續(xù)漸變的，但在地表下沉過程中存在突變現(xiàn)象。

綜合以上分析，針對斷層采動活化響應(yīng)規(guī)律，前人已開展了大量研究，但目前大多僅關(guān)注斷層上盤、下盤采動引起的斷層活化機(jī)制，針對厚松散層覆蓋下的逆斷層下盤逐步開采影響覆巖應(yīng)力變化，特別是逆斷層活化與覆巖沉陷變形關(guān)系的研究仍較為有限。因此，以淮南煤田口孜東礦F1逆斷層條件下煤層開采為例，對厚松散層下采空區(qū)上覆巖層形變和沉陷規(guī)律進(jìn)行研究，這對礦區(qū)開采沉陷預(yù)測及危險性評估具有重要的意義。

1 研究模型構(gòu)建

1.1 地質(zhì)概況

以淮南煤田口孜東礦F1斷層為研究對象，該斷層是礦井南部邊界，為逆沖性質(zhì)，走向NW、傾向SW，沿走向不同地區(qū)其傾角變化較大，一般為20°～70°，局部發(fā)育較為平緩。該斷層下盤主要發(fā)育二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組三套煤系地層，煤系基巖面之上發(fā)育400～600 m厚松散層（圖1）。礦井可采煤層10層，分為-762 m和-900 m兩個水平，先生產(chǎn)水平為一水平，主采上石盒子組13-1煤層、11-2煤層與下石盒子組8煤層、5煤層，其中，13-1煤層為首采煤層，煤層（組）之間沿傾斜方向采用自上而下的開采順序。目前在采的121304工作面位于F1斷層下盤，工作面推進(jìn)距離1020 m，平均煤厚5 m左右，傾角3°～8°，煤層內(nèi)工作面和巷道采用走向長壁與傾斜長壁相結(jié)合的開采方式。近年來，隨著煤礦不斷向深部與構(gòu)造復(fù)雜區(qū)勘探開發(fā)，沿F1斷層下盤陸續(xù)開拓了多個開采工作面，而在采動影響下F1斷層采動活化也帶來一系列工程地質(zhì)問題。因此，通過模擬預(yù)測F1斷層采動活化規(guī)律，對下一步煤礦安全開采具有重要的現(xiàn)實意義。

圖1 研究區(qū)F1斷層地質(zhì)剖面與地層綜合柱狀圖Fig. 1 Geological profile of F1 fault and comprehensive histogram in the study area

1.2 模型構(gòu)建

根據(jù)口孜東礦實際開采地質(zhì)條件，設(shè)計數(shù)值模型長為3000 m、寬為2000 m、高為785 m（松散層高450 m，巖層高335 m），松散層單元尺寸為20 m×20 m×20 m（長×寬×高），巖層單元尺寸為20 m×20 m×5 m（長×寬×高），推進(jìn)距離1000 m，煤層采厚5 m，共計1344 400個單元和1409 152個節(jié)點（圖2）。F1斷層帶位置網(wǎng)格適當(dāng)加密，設(shè)置寬度為10 m，開挖深度為535 m處的13-1煤層，工作面在X方向上1000 m處從左往右共推進(jìn)1000 m，開挖10步，每步開挖100 m。為了盡量地消除邊界效應(yīng)對模擬結(jié)果的影響，Y方向上兩側(cè)各預(yù)留700 m、開采中間600 m，高為5 m。

圖2 工作面開挖方案與三維數(shù)值計算模型Fig. 2 Excavation scheme of working face and three-dimensional numerical calculation model

模型采用摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，模型底部及四周邊界約束邊界位移和速度，頂部為自由邊界，模型在自重條件下達(dá)到應(yīng)力平衡。斷層帶設(shè)置接觸面單元，用于記錄斷層帶受煤層開采影響發(fā)生的應(yīng)力、滑移變化。模型斷層傾角分別設(shè)計20°、30°、40°、50°、60°、70°，采用10°的傾角間隔，并加入45°和75°特殊角；模型中同時設(shè)置了無斷層模型，用于與含斷層模型進(jìn)行比較分析。為更好地模擬礦區(qū)的實際地質(zhì)條件，模型中選取的各巖層及松散層參數(shù)見表1。

表1 各關(guān)鍵巖層的巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameters of key rock layer

為更好地記錄巖層形變與斷層滑移相互影響的動態(tài)變化過程，在模型X方向均勻布置60個監(jiān)測點以監(jiān)測地表沉陷及水平移動值。在距F1斷層底部垂直距離A（260 m）、B（150 m）、C（40 m）處斷層上布置3個監(jiān)測點以監(jiān)測開采過程中斷層帶上的應(yīng)力及滑移狀況（圖3）。

圖3 各監(jiān)測點分布圖Fig. 3 Distribution of monitoring points

2 逆斷層斷層傾角變化對巖層垂向變形規(guī)律影響

2.1 不同傾角逆斷層下巖層垂向變形過程

在煤層逐步開挖過程中，煤層上覆巖層及斷層都會發(fā)生應(yīng)力的改變，地表則出現(xiàn)垂向沉陷變形現(xiàn)象。以50°斷層傾角為例，模擬開采完成后覆巖垂向變形。圖4為50°斷層傾角下地表沉陷云圖。由圖4可知，煤層開挖過程中，覆巖垂向變形主要集中在采空區(qū)中間區(qū)域，并由下往上逐步擴(kuò)散，大致呈中心對稱的趨勢。圖5為不同傾角斷層下的巖層下沉曲線，其中圖5（a）為無斷層及各傾角逆斷層條件下地表隨開采進(jìn)行過程下沉的動態(tài)曲線圖。根據(jù)動態(tài)曲線分布特征，垂向變形基本呈對稱規(guī)律，垂向變形形狀呈U型；由于斷層的存在，覆巖最大下沉點集中在采空區(qū)中部向左偏移50 m左右距離，說明斷層的存在會對覆巖沉陷變形有一定的妨礙作用。圖5（b）展示了各斷層傾角下最大下沉值。由圖5（b）可知，無斷層情況下地表下沉最大值比有斷層條件下更小，斷層從20°傾角上升到75°傾角時，垂向下沉值也隨之增大，可見斷層傾角越大，覆巖最大下沉值也越大。值得注意的是，總體上看各曲線形態(tài)差異很小，主要是由于巖層上部巨厚松散層的存在，緩解了各傾角斷層對下沉差異的影響。

圖4 50°斷層傾角下地表沉陷云圖Fig. 4 Cloud map of surface subsidence at 50 ° fault inclination

圖5 不同傾角斷層下的巖層下沉曲線Fig. 5 Rock stratum subsidence curves under faults with different dip angles

2.2 不同斷層傾角下巖層垂向變形程度

巖層傾斜變形斜率與曲率可反映覆巖垂向變形程度。利用建立模型，根據(jù)式（1）模擬無斷層和20°、40°、50°、60°、75°斷層傾角下煤層開采1000 m時傾斜變形曲線，如圖6所示。由擬合曲線可知，傾斜變形在靠近斷層的一側(cè)表現(xiàn)為不同的數(shù)值，在遠(yuǎn)離斷層的一側(cè)傾斜變形基本無變化；在離初采點左側(cè)500 m處傾斜變形值開始增大，隨之開采1000 m處傾斜變形達(dá)到正極值（10.901～11.098 mm/m），然后開始下降；開采至500 m處傾斜變形值為0，該點巖層趨于水平，隨后開始為負(fù)值；開采至900 m處達(dá)到負(fù)極值（-9.060～-14.431 mm/m），然后逐漸增大至0（圖6（a））。

圖6 各斷層傾角下傾斜變形曲線Fig. 6 Inclination deformation curves under each fault dip angle

式中：im-n為m、n兩點間的平均傾斜變形；lm-n為地表m、n兩點間水平距離；Wm、Wn分別為地表m、n點的下沉值。

根據(jù)式（2）模擬不同傾角逆斷層下的煤層開采1000 m時的曲率變化。由圖6（a）可知，曲率變形在遠(yuǎn)離斷層一側(cè)無明顯差異，在靠近斷層一側(cè)各曲線變化比較明顯。在離初采點左側(cè)500 m處曲率變形值開始增大，至離初采點左側(cè)1000 m處曲率變形值達(dá)到正極值（0.038～0.041 mm/m）；隨后開始減小，在開采250 m處達(dá)到第一個負(fù)極值點后曲率開始增大，至開采500 m處開始減小，在開采750 m處達(dá)到第二個負(fù)極值點（-0.064～-0.040 mm/m）；隨之開始增大，至終采點處達(dá)到第二個正極值點，隨后開始減小為0（圖6（b））。

式中：im-n、in-p分別為地表m-n和n-p點間的平均斜率；lm-n、ln-p分別為地表m-n和n-p點間的水平距離；km-n-p為地表m-n和n-p線段的平均曲率。

由以上模擬結(jié)果可知，在傾角50°～75°之間的逆斷層位置，上覆巖層傾斜變形與曲率變化最大，也是最容易發(fā)生垂向變形下沉的區(qū)域。另外，在松散層覆巖發(fā)生沉降的同時，也常伴隨著圍巖水平移動變化，模擬顯示在斷層傾角50°條件下煤層開挖過程中，地表水平移動主要集中在采空區(qū)的左右兩端，中間部位水平移動值最?。▓D7）。

圖7 煤層逐步開挖過程中地表水平移動云圖Fig. 7 Cloud map of surface horizontal movement during coal seam gradual excavation

3 斷層傾角對斷層滑移演化規(guī)律影響

3.1 切應(yīng)力與法應(yīng)力變化規(guī)律

根據(jù)FLAC3D模擬各傾角逆斷層下盤開采結(jié)果，在煤層逐步開挖過程中，斷層時刻都發(fā)生著應(yīng)力的變化。圖8（a）為模擬F1斷層（傾角50°）切向應(yīng)力的云圖，可見斷層帶上以Y軸方向左右兩側(cè)切向應(yīng)力大小呈對稱分布，切向應(yīng)力主要集中在斷層的上部，為斷層切向應(yīng)力的主要變化部位，較斷層下部易發(fā)生斷層滑移現(xiàn)象；圖8（b）為模擬F1斷層法向應(yīng)力的云圖，可見斷層帶上以Y軸方向左右兩側(cè)法向應(yīng)力大小呈對稱分布，法向應(yīng)力由下往上依次增大，并且主要集中在斷層的上部區(qū)域，較F1斷層帶下部區(qū)域易產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。

圖8 傾角50°斷層帶切向和法向應(yīng)力云圖Fig. 8 Cloud map of tangential and normal stress of 50 ° fault zone

3.2 斷層活化滑移過程

為研究斷層滑移現(xiàn)象的產(chǎn)生，通過分析數(shù)值模型模擬F1斷層帶上A（260 m）、B（150 m）、C（40 m）三點隨煤層逐步開采過程中切向應(yīng)力和法向應(yīng)力的比值變化進(jìn)行判定，計算見式（3）。

式中：φ為斷層帶的內(nèi)摩擦角；τ為斷層帶上的切向應(yīng)力；Fn為斷層帶上的法向應(yīng)力。

圖9為各斷層傾角下斷層帶上A、B、C三點切法比曲線圖，根據(jù)式（3）中求得tanφ=0.31，只有當(dāng)時，可使斷層發(fā)生滑移失穩(wěn)。由圖9可知，隨著煤層開采的進(jìn)行，斷層傾角越小，各點值變化幅度越大，斷層越不穩(wěn)定，越容易活化滑移；斷層傾角越大，值變化幅度越小，斷層越趨于穩(wěn)定，越不容易活化。對比A、B、C三點數(shù)值變化曲線，當(dāng)煤層開采0～300 m時，斷層帶各點切向應(yīng)力與法向應(yīng)力比值變化幅度不大；當(dāng)煤層開采至300 m后切法比開始出現(xiàn)差異，A點的值變化普遍要先于B、C兩點，說明在開采過程中，斷層是先從上部位置開始活化滑移的。

圖9 不同斷層傾角下斷層帶切法比曲線Fig. 9 Shear ratio curves of fault zone under different fault dip angles

通過對比不同傾角下的切法比曲線（圖9）還可以看出，厚松散層下F1逆斷層隨傾角變化情況下，其破壞過程可以分為初始平衡期、剪切滑移期、活化破壞期三個主要階段。煤層開采早期切法比無明顯變化，基本維持在0.2～0.4之間，隨著工作面的不斷推進(jìn)，斷層帶切法比明顯增大，此時斷層發(fā)生剪切滑移的可能性變大。在工作面推進(jìn)至斷層附近時，斷層帶切法比開始減小，法向應(yīng)力明顯增大，此時斷層帶會發(fā)生活化滑移。目前沿口孜東礦F1布設(shè)的西翼回風(fēng)大巷13-1煤層頂板發(fā)現(xiàn)有多處突水現(xiàn)象，并伴隨有局部的沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生，其可能由采動過程F1斷層活化所導(dǎo)致。以上模擬結(jié)果對厚松散層覆蓋區(qū)逆斷層發(fā)育區(qū)煤礦安全開采和防治具有重要的參考價值。

4 結(jié)論

1）通過對口孜東礦不同傾角F1逆斷層發(fā)育條件下的覆巖傾斜、曲率變形曲線的分析可知，斷層會影響巖層應(yīng)力的傳達(dá)，使得初采點區(qū)域的地表斜坡會比斷層一側(cè)的地表斜坡更陡峭。通過對圍巖水平變形曲線分析發(fā)現(xiàn)，斷層會對地表水平移動變形產(chǎn)生阻礙作用，故終采點區(qū)域的水平變形值會小于初采點區(qū)域的水平變形值。

2）斷層的滑移失穩(wěn)很大程度上取決于斷層帶上切向應(yīng)力與法向應(yīng)力的大小，斷層帶上各位置的應(yīng)力值大小不同，且隨煤層開采的進(jìn)行發(fā)生變化；對比A、B、C三點，更接近地表的斷層區(qū)域會先發(fā)生滑移現(xiàn)象，且速度較大；根據(jù)值的變化，可知斷層傾角越小，斷層會更趨于活化；斷層傾角越大，斷層會更趨于穩(wěn)定。

3）在工作面向逆斷層逐步推進(jìn)過程中，斷層帶上的切向應(yīng)力和法向應(yīng)力都時刻發(fā)生著變化，主要經(jīng)歷初始平衡期、剪切滑移期、活化破壞期三個階段。當(dāng)斷層帶上切向應(yīng)力增勢比法向應(yīng)力大時，斷層發(fā)生剪切滑移；當(dāng)斷層帶上法向應(yīng)力增勢比切向應(yīng)力大時，斷層發(fā)生活化滑移。