張文忠

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司水文地質(zhì)研究所， 陜西 西安 710054；2. 西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

斷層是地殼中廣泛發(fā)育的構(gòu)造之一，常成群發(fā)育，組合方式多變。我國華北東部煤礦多以斷層為其構(gòu)造特征[1]，斷層成群發(fā)育，常以地塹等形式出現(xiàn)。例如淮南礦區(qū)劉莊煤礦，井田內(nèi)斷層共計(jì)406條，較大斷層常有分支，分支斷層成群發(fā)育，與較大斷層組合成地塹等形式[2]， 導(dǎo)致工作面回采受到嚴(yán)重的水害威脅。斷層組的存在不僅威脅礦井日常生產(chǎn)安全[3-4]，且曾造成了多次透水事故，例如肥城煤田揚(yáng)莊礦9101回風(fēng)巷探巷迎頭遇到2個(gè)斷層組成的斷層組，疊加落差26m，造成滯后透水4 409m3/h，礦井被淹[5]。兗州礦區(qū)東灘煤礦4308工作面頂板存在1個(gè)斷層組，致使導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通侏羅系上統(tǒng)蒙陰組砂巖含水層，發(fā)生滯后透水[6]。

目前越來越多的科研人員注意到不同組合斷層組對突水的影響，文獻(xiàn)[7]建立了15個(gè)數(shù)值模型，通過對斷層傾角為30°、45°、60°、90°、單條斷層、兩條斷層情況進(jìn)行對比分析，指出兩條斷層對底板的影響并不是簡單的疊加關(guān)系。文獻(xiàn)[8]將工作面底板巖層垂向應(yīng)力劃分為5個(gè)區(qū)，從理論方面分析了采動引起的礦山壓力對斷層面剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力的影響規(guī)律，得出了斷層面剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力變化的影響因素。文獻(xiàn)[9]研究了斷層傾角對斷層面上剪切應(yīng)力、法向應(yīng)力及斷層活化的影響規(guī)律，分析了不同傾角的正斷層在采動影響下底板的裂隙分布、滲流特征及底板涌水量變化特征。文獻(xiàn)[10]提出采場斷層活化是以斷裂面性質(zhì)由壓性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)閺埿詳嗔鸦蚺ば詳嗔褳闃?biāo)志。文獻(xiàn)[11]指出斷層的破壞形式與斷層傾角有很大關(guān)系，隨著斷層傾角的增大，越容易活化。文獻(xiàn)[12]發(fā)現(xiàn) 相同開采強(qiáng)度下，地壘構(gòu)造形式下底板破壞幅度小，地塹構(gòu)造形式下底板破壞幅度較大。文獻(xiàn)[13]得出了過斷層組起坡坡度和最短對接距離公式，確定了過斷層組關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，提出了施工方案并優(yōu)化了支護(hù)參數(shù)。此外，文獻(xiàn)[14]研究了脆性斷層的活化過程，指出斷層“擾動階段”為80～300m，“局部激活階段”約為30～100m，“整體激活階段”約為30m。文獻(xiàn)[15]推導(dǎo)了計(jì)算底板峰值應(yīng)力線與斷層交叉點(diǎn)的距離計(jì)算公式，得出基于開采深度、煤層傾角、工作面傾角和煤層普氏系數(shù)的斷層防水煤柱計(jì)算公式。文獻(xiàn)[16]對大坪煤礦發(fā)生大型煤巖突出的破壞部位進(jìn)行了分析，計(jì)算了斷層附近巖體破裂前后的釋放能量(1.075 7×109J)。

綜上所述，以往相關(guān)研究很少涉及采場最大主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)對地塹狀斷層組活化的影響規(guī)律研究，因此本文針對開采擾動下地塹狀斷層組最大主應(yīng)力場的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行研究，采用數(shù)值計(jì)算分析的方法分析不同位置的監(jiān)測點(diǎn)最大主應(yīng)力方向的變化對剪應(yīng)力及剪應(yīng)力增量的影響情況，進(jìn)而分析最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)對地塹狀斷層組活化的影響規(guī)律。

1 地塹狀斷層組采動主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)規(guī)律

1.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

以淮南礦區(qū)劉莊煤礦為例，該礦井田中部F19斷層組，即F19與F19-7斷層在井田中部形成“地塹”，其中F19斷層為主斷層，F(xiàn)19-7斷層為其分支斷層。根據(jù)該礦開采設(shè)計(jì)，地塹內(nèi)設(shè)計(jì)有一采寬150m的工作面，本文通過數(shù)值仿真模擬手段研究該工作面開采時(shí)地塹狀斷層組的活化情況。

根據(jù)該礦地質(zhì)條件，地塹內(nèi)設(shè)計(jì)可采煤層為5煤層，5煤位于含煤段地層中下部，煤厚0～11.05m，平均厚度5.38m。F19斷層傾角72°，落差160m，延伸長度大于6.4km；F19-7斷層傾角55°，落差36m，延伸長度大于1.3km。F19斷層次生裂隙帶寬度最大為5.7m，平均為3.56m。F19-7斷層次生裂隙帶寬度根據(jù)現(xiàn)場壓水試驗(yàn)測試結(jié)果，寬度為1.2m。

以劉莊煤礦F19斷層組構(gòu)成“地塹”為主要研究對象，采用FLAC3D建立三維數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示，分析地塹內(nèi)工作面回采擾動下，F(xiàn)19斷層及其分支斷層F19-7附近應(yīng)力場的變化規(guī)律，研究地塹狀斷層組的采動活化規(guī)律。三維數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)設(shè)定如表1所示。

圖1 地塹型斷層組數(shù)值計(jì)算模型

表1 計(jì)算采用力學(xué)參數(shù)

根據(jù)模擬對象的尺寸，并考慮計(jì)算需要，使主要研究區(qū)域處于邊界效應(yīng)影響的范圍外，以消除邊界效應(yīng)的影響，數(shù)值計(jì)算模型尺寸為：寬×厚×高=600m×500m×131m，工作面推進(jìn)方向?yàn)閄軸正方向，應(yīng)變模式采用大應(yīng)變變形模式，模型底部限制垂直位移，模型前后和側(cè)面限制水平位移。整個(gè)模型由571 500個(gè)單元組成，包括599 168個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

1.2 主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)規(guī)律

模擬結(jié)果如圖2所示，該圖長剪頭方向即為工作面圍巖最大主應(yīng)力方向，由圖2可知，主應(yīng)力向地塹狀斷層組的上盤方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由于主應(yīng)力發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)后，主應(yīng)力方向指向趨向地塹狀斷層組的斷層面，斷層面上垂向應(yīng)力相應(yīng)增大，相當(dāng)于增加了斷層面的摩擦阻力，相當(dāng)于在一定程度上降低了斷層面發(fā)生剪切破壞的危險(xiǎn)性。

圖2 地塹結(jié)構(gòu)內(nèi)區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)

將圖2進(jìn)行局部放大，即可看到F19斷層附近主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)情況(見圖3)和F19-7斷層附近主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)情況(見圖4)。數(shù)值模型中，在工作面前方煤壁(F19斷層附近)布置監(jiān)測點(diǎn)A1、A2和A3；在工作面上方斷層附近，布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)B1、B2和B3；在底板斷層附近，布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)C1、C2和C3。

圖3 F19斷層附近主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)

圖4 F19斷層附近最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)情況

表2 F19斷層監(jiān)測點(diǎn)最大主應(yīng)力方向

由圖4和表2可知，位于A1與A3點(diǎn)之間的A2點(diǎn)的最大主應(yīng)力方向與垂向夾角為30°26′20″，相對于A1點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到22°54′58″，相對于A1與A3點(diǎn)的平均值9°36′55″，偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到20°49′25″； 位于B1與B3點(diǎn)之間的B2點(diǎn)的最大主應(yīng)力方向與垂向夾角為32°38′41″， 相對于B1點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到29°20′10″， 相對于B1與B3點(diǎn)的平均值6°47′37″，偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到25°51′4″； C1點(diǎn)的最大主應(yīng)力方向與垂向夾角為-10°20′1″， C3點(diǎn)的最大主應(yīng)力方向與垂向夾角為10°3′1″， 位于C1與C3點(diǎn)之間的C2點(diǎn)的最大主應(yīng)力方向與垂向夾角為26°18′53″，相對于C1點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到36°38′54″，相對于C1與C3點(diǎn)的平均值0°8′30″，偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到26°27′23″。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知，位于斷層面內(nèi)的A2、B2、C2點(diǎn)與斷層上盤、下盤監(jiān)測點(diǎn)相比，最大主應(yīng)力方向均發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)趨勢為垂直斷層面方向。

圖5 F19-7斷層附近主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)情況

工作面前方煤壁(F19-7斷層附近)處布置監(jiān)測點(diǎn)為E1、E2和E3；在工作面上方斷層附近，布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)為F1、F2和F3；在底板斷層附近，布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)為G1、G2和G3。監(jiān)測點(diǎn)最大主應(yīng)力變化情況如圖6所示，監(jiān)測點(diǎn)最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)角度如表3所示。

圖6 F19-7斷層附近最大主應(yīng)力方向變化情況

由圖6可知，位于E1與E3點(diǎn)之間的E2點(diǎn)的最大主應(yīng)力方向與垂向夾角為21°10′37″，相對于E1點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到13°22′22″，相對于E1與E3點(diǎn)的平均值10°21′55″，偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到10°48′42″。

表3 F19-7斷層監(jiān)測點(diǎn)最大主應(yīng)力方向

由表3可知位于F1與F3點(diǎn)之間的F2點(diǎn)的最大主應(yīng)力方向與垂向夾角為11°19′53″，相對于F1點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到11°19′53″，相對于F1與F3點(diǎn)的平均值2°35′50″，偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到8°44′3″；位于G1與G3點(diǎn)之間的G2點(diǎn)的最大主應(yīng)力方向與垂向夾角為15°39′32″，相對于G1點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到38°41′32″，相對于G1與G3點(diǎn)的平均值-11°46′3″，偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到27°25′35″。

根據(jù)F19-7斷層監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)可知，位于斷層面內(nèi)的E2、F2、G2點(diǎn)與斷層上盤、下盤監(jiān)測點(diǎn)相比，最大主應(yīng)力方向均發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)趨勢為垂直斷層面方向。

對比地塹狀斷層組中F19斷層和F19-7斷層面內(nèi)的最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)情況發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)19斷層監(jiān)測點(diǎn)的最大主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度相對較大。

2 主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)對斷層活化的影響

地塹狀斷層組活化的過程較為復(fù)雜，其于斷層組附近采動應(yīng)力的關(guān)系密切，其活化失穩(wěn)往往以壓剪破壞為主，為了分析斷層組受力狀況，選取過斷層面的單元體作為分析對象，以該單元體受到的主應(yīng)力方向?yàn)檩S，沿著斷層面進(jìn)行應(yīng)力分解，可知斷層面的法向正應(yīng)力和平行于斷層面的剪應(yīng)力[17]

σ=σ1cos2β+σ3sin2β

(1)

(2)

式中：σ1和σ3為單元體承受的最大和最小主應(yīng)力，β為最大主應(yīng)力與斷層面的夾角。

由式(2)此可知，當(dāng)最大主應(yīng)力方向與斷層面方向交角為45°時(shí)，斷層面所受的剪應(yīng)力最大。由于工作面回采是一個(gè)動態(tài)過程，剪應(yīng)力增量的大小是影響斷層活化的一個(gè)關(guān)鍵因素，為了研究主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)對斷層組剪應(yīng)力增量的影響規(guī)律，假設(shè)最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差為常數(shù)，對式(2)求導(dǎo)可得

τ′=cos2β(σ3-σ1)

(3)

基于此，可得出主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)對斷層面剪應(yīng)力和剪應(yīng)力增量的影響規(guī)律(見圖7和圖8)。

圖7 最大主應(yīng)力方向與斷層面剪應(yīng)力分布規(guī)律

圖8 最大主應(yīng)力方向與斷層面剪應(yīng)力增量分布

由圖7可知，當(dāng)β在45°～90°之間變動時(shí)，隨著最大主應(yīng)力方向與斷層面方向交角增大，剪應(yīng)力減量隨著角度的增大而減少。

由式(3)可知，當(dāng)β在0°～45°之間變動時(shí)，隨著最大主應(yīng)力方向與斷層面方向交角變小，剪應(yīng)力增量越來越大。因此，當(dāng)工作面底板存在強(qiáng)含水層，最大主應(yīng)力與斷層面交角在45°左右時(shí)，斷層所受的剪應(yīng)力增大，最易發(fā)生斷層活化突水。

當(dāng)斷層面與最大主應(yīng)力近似垂直或平行時(shí)，斷層所受剪應(yīng)力減少，但隨著主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)，斷層面剪應(yīng)力增量增大。由此可知，位于地塹狀F19斷層組內(nèi)的工作面回采時(shí)，斷層面最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)方向趨向垂直斷層面方向，斷層面所受剪應(yīng)力和剪應(yīng)力增量逐漸最小，因此發(fā)生采動突水的幾率降低。

3 結(jié)論

(1)地塹狀斷層組內(nèi)工作面回采時(shí)，工作面圍巖內(nèi)的主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)方向趨向垂直斷層面。

(2)根據(jù)主應(yīng)力方向監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，位于地塹狀斷層面內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)與斷層組上盤、下盤監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)相比，斷層面內(nèi)的主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)角度相對較大，斷層面內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)最大偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到27°25′35″。

(3)主應(yīng)力方向與斷層面交角在45°左右時(shí)，斷層所受的剪應(yīng)力增量最小，剪應(yīng)力相對較大。劉莊礦位于地塹狀F19斷層組內(nèi)的工作面回采時(shí)，斷層面內(nèi)的主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)方向趨向垂直斷層面方向，斷層面所受剪應(yīng)力和剪應(yīng)力增量逐漸減少，從采動應(yīng)力角度，可知地塹狀F19斷層組發(fā)生活化突水的幾率相對較低。