逆断层上下盘开采冲击危险性模拟及实验研究

魏世明，王富莹，张泽升

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454000)

近年来随着煤矿开采深度的增加，冲击地压的频度和强度都在增加。冲击地压不仅危害程度大、影响面广，而且是诱发其他煤矿重大事故的根源[1]。断层冲击地压是指由于采矿活动引起断层的突然相对错动而猛烈释放能量的现象[2]，释放能量多、震级高是断层冲击地压的特点。影响断层冲击地压的因素众多，除了与断层类型[3，4]、开采顺序[5]等有关外，还受断层保护煤柱[6，7]、支承压力[8，9]等因素的影响。王学滨等[10]研究了断层类型对断层及其附近煤层应力的影响，借助数值模拟分别建立了正、逆断层模型，分析了下盘开采时的应力分布规律。赵毅鑫[11]等借助相似模拟实验研究了逆断层下盘开采对断层面错动失稳的影响，得出了回采扰动下断层的活化失稳特征。赵善坤[12]借助相似模拟实验，综合运用声发射监测、采场覆岩位移和采场应力监测系统，研究了采动影响下断层活化前后的覆岩运动特征、矿压显现规律和动力响应特征。闵飞虎等[13]借助数值模拟研究了逆断层开采过程中断层的动态活化规律，并阐明了断层活化位置与工作面推进距离、断层倾角之间的关系。王涛等[14]研究了正断层条件下推进方式对断层围岩应力演化规律的影响，对工作面分别沿断层上、下盘推进时的冲击地压危险性进行了分析。陈学华等[15]以东滩煤矿综放工作面为背景，运用微震监测、数值模拟和理论分析等方法，研究了断层区域的冲击地压危险性，得出了高危阶段的冲击地压机理。许磊等[16]借助数值模拟研究了正断层下盘开采时应力及滑移量变化规律，并对冲击地压的危险性进行了分析。任政等[17]结合现场微震监测数据与数值模拟对井下矿震活动分布规律及高震级事件能量释放水平进行了分析，得出了采动下矿震事件频次分布规律及对工作面冲击危险性的影响。上述研究主要围绕开采过程对断层的影响及断层活化特征等展开，但对逆断层上盘或下盘开采时冲击地压危险性对比的研究涉及较少。

义马矿区F16断层是一个横垮5个井田的近东西向压扭性逆冲断层，也是造成该矿区冲击地压频发的关键因素之一[18-21]。本文以耿村煤矿为背景，借助数值模拟、相似模拟实验等手段，开展逆断层条件下上、下盘开采时冲击地压发生的危险性。

1 逆断层上、下盘开采数值模拟研究

1.1 模型建立

借助FLAC3D三维数值模拟软件，以耿村煤矿F16断层为背景，建立逆断层三维数值模型。为避免开采过程的相互影响，开采只在断层单盘进行。模型尺寸为600m×200m×200m(长×宽×高)，共划分为204002个单元，37440个节点。模拟采深500m，故在模型上边界施加12.5MPa的垂直应力。模型前后施加水平约束，左右边界施加水平压应力，以模拟断层附近的构造应力，模型底部施加垂直位移约束。沿走向方向推进，断层面的模拟利用FLAC3D中的接触面命令，倾角取60°，落差5m。每种条件下进行5次开挖，分别距断层面80m、60m、40m、20m、10m。在断层面上布置3个监测点B1、B2、B3，分别位于下盘煤层顶板以上10m、煤层及底板以下10m，数值模型及测点位置具体如图1所示。

根据耿村煤矿工作面实际地质柱状图，并结合实际观测数值进行综合分析后确定各岩层力学参数，见表1。

图1 逆断层模型及测点分布

表1 模型各岩层力学参数

1.2 上盘开采围岩应力及变形过程分析

1.2.1 断层面应力变化

工作面布置在断层上盘，推进过程中断层面应力变化过程如图2所示。

图2 逆断层上盘开采断层面应力变化

由图2(a)可知，随着工作面向断层逐渐靠近，B1、B2处法向应力基本保持不变，B3处在工作面距断层小于40m后呈明显下降的趋势，这主要是由于工作面开采后形成采空区，在底板形成应力降低区，进而使底板处垂直应力减小所致。由图2(b)可知，断层面剪切应力变化过程可分为两个阶段，工作面距断层80～40m范围时，B1处应力先小幅减小后再增加，B2、B3处则一直减小；当工作面距断层40～10m时，三测点处应力均呈增加的趋势，B1、B3处增加明显，B2处增加幅度较小。由以上的分析可知，开采过程对断层面不同位置的应力影响程度不同，顶板和煤层处的法向应力基本保持不变，底板处在工作面距断层小于40m后下降；剪切应力在开采初期变化不明显，但当开采距断层小于40m后顶、底板处增加明显，特别是顶板位置。

根据摩擦定律，接触面的摩擦性质取决于剪切力与正压力的比值，因此，为考察断层两盘活化的可能性，取断层面上剪切应力与法向应力的比值作为考察指标[22，23]。绘制B1、B2、B3测点处随工作面推进的变化规律，如图3所示。由图3可知，B1处剪切应力与法向应力比值在工作面距断层80～60m时减小，40m时开始明显增加；B2处在工作面距断层80～40m时明显减小，40～10m时增加，B3处在80～20m时减小，10m时增加。对比三测点处法向应力与剪切应力变化趋势，由于法向应力变化幅度较小，因此，应力比值与剪切应力的变化趋势相一致，结果表明逆断层上盘开采，当工作面距断层小于或等于40m时，断层活化的危险性增加，至距断层10m时最易活化，区域位于煤层顶板处。

图3 逆断层上盘开采剪切应力与法向应力比值

工作面推进过程中垂直方向的应力分布如图4所示。由图4可知，断层面造成了工作面前方应力传播的不连续，在断层面附近形成了明显的应力集中，距断层较远时应力集中沿断层面的分布范围较大，随着工作面的逐渐靠近，集中区域主要分布在煤层顶板和煤层处。应力集中将导致断层面剪切应力与法向应力比值的变化，说明断层易活化并诱发冲击地压的发生，且与断层的距离越小冲击地压发生的危险性越高。

图4 逆断层上盘开采垂直应力分布(Pa)

1.2.2 断层面滑移量变化

随着工作面推进断层面滑移量变化过程如图5所示。由图5(a)可知，三测点处垂直方向滑移量在工作面距断层80～40m范围内均呈增加趋势，在距断层小于40m后B1处增加趋势最为明显，B2处次之，均在距断层10m时达到峰值，B1处峰值约为23mm，而B3处呈小幅减小；由图5(b)可知，水平方向滑移量与垂直方向的变化具有相似性，即B1、B2处滑移量一直增加，B3处小幅减小，当距离小于40m后B1、B2处滑移量相差不大，在工作面距断层10m时达到峰值约为9mm。由以上的分析可知，在工作面逐渐向断层靠近的过程中，顶板和煤层处断层面滑移量增长明显，底板处呈一定幅度的减小，表明工作面开采导致煤层顶板和煤层附近断层面滑移量变化明显，距断层10m时滑移量变化达到峰值，最易导致断层的活化并诱发冲击地压的发生，而底板处受影响程度小于顶板和煤层。

图5 逆断层上盘开采滑移量变化

1.3 下盘开采围岩应力及变形过程分析

1.3.1 断层面应力变化

图6 逆断层下盘开采断层面应力变化

工作面布置在断层下盘，推进过程中断层面应力变化如图6所示。由图6(a)可知，随着工作面逐渐靠近断层，B2、B3处法向应力基本保持不变，B1处法向应力呈逐渐减小的趋势，这主要是由于上覆岩层垮落致使顶板处垂直应力减小，进而导致断层面的法向应力减小；由图6(b)可知，与上盘开采时应力变化过程相似，剪切应力的变化也可以分为两个阶段，在工作面距断层80～40m时，B1处剪切应力呈小幅度减小，B2处先增加后减小，B3处则一直增加，但三点数值变化均不明显；在工作面距断层40～10m时，三点应力值均呈增加的趋势，B1处增加最为明显。以上分析表明，开采过程对煤层和底板处断层面法向应力的影响不明显，但对顶板影响较大，导致法向应力减小趋势明显，剪切应力在工作面距断层小于40m后均呈明显增加的趋势。

下盘开采时剪切应力与法向应力的比值如图7所示。由图7可知，B1处比值在工作面距断层80～40m时持续下降，由于法向应力和剪切应力在此范围内均减小，说明剪切应力的减小幅度小于法向应力，法向应力的减小占主导，40～10m时应力比值明显增加，主要由法向应力减少、剪切应力增加所致；B2、B3处应力比值由于法向应力变化较小，与图6(b)中剪切应力的变化相一致，以剪切应力变化为主。上述表明，逆断层下盘开采，当工作面距断层小于40m时，煤层顶板处的应力变化最为活跃，断层活化的危险性开始增加，至距断层10m时达到峰值，最易发生断层的活化并诱发冲击地压的发生，煤层处次之，底板处受影响最小。

图7 逆断层下盘开采剪切应力与法向应力比值

下盘开采时垂直方向的应力云图如图8所示。由图8可知，与上盘开采相似，断层阻断了工作面前方的应力传播路径并造成了应力集中，距断层较远时集中范围沿断层面分布，工作面逐渐靠近时顶板区域集中程度最为明显，同时，上覆岩层垮落又会导致断层的松动，因此，开采过程中断层将受应力集中与岩层垮落的双重影响，再根据图7中剪切应力与法向应力比值的变化，说明靠近顶板位置的断层最易活化并失稳，进而诱发断层冲击地压的发生，同样，工作面距断层越近冲击地压发生的危险性越高。从上、下盘对比，下盘开采时危险性明显高于上盘开采。

1.3.2 断层面滑移量变化

开采过程断层面滑移量变化具体如图9所示。由图可知，无论垂直方向还是水平方向，B1处滑移量均呈明显增加的趋势，特别是当工作面与断层距离小于40m后，增加趋势明显，距断层10m时达到峰值，断层面开始出现较大幅度的移动，垂直方向峰值约为55mm，水平方向约为32mm，B2、B3处水平方向滑移量呈小幅度变化，以上分析表明当工作面距断层10m时滑移量达到峰值，是上盘开采时滑移量的2.4～3.6倍，将直接导致顶板处断层的活化并使围岩产生大幅度的相对滑移，同时诱发冲击地压的发生。

图8 逆断层下盘开采垂直应力分布(Pa)

图9 逆断层下盘开采滑移量变化

2 逆断层下盘开采相似模拟实验分析

根据耿村煤矿实际地质条件，模拟12220工作面，进行逆断层下盘开采的相似模拟实验研究。选择1500mm×300mm×1000mm(长×宽×高)平面应力模型，取几何相似比1∶200，容重相似比1∶1.5，则应力相似比为1∶300，模型设计煤层以上总高度100cm，模拟采深500m，煤厚6m，断层落差5m，断层倾角60°。上覆岩层通过重物施加25kPa载荷以补偿实际300m埋深。相似材料采用河沙作为骨料，以石膏和碳酸钙作为胶结物，通过改变骨料和胶结物的配比，获得多种不同抗压强度的相似材料。根据表1中各岩层的强度参数，确定模型中各层的配比及用量，具体见表2。

表2 相似材料配比及用量

工作面布置在下盘，由左至右依次推进，切眼位置距断层180m。根据实验结果，向断层方向推进过程中导致了断层面应力、位移变化及断层的活化，并诱发了断层冲击地压。

2.1 断层面应力变化

为监测上覆岩层支承压力及断层面应力变化，在模型内部共埋设了20个压力传感器。10个传感器埋设于距煤层顶板15cm处用于监测支承压力的变化，除两端间距为15cm外，其余间距均为10cm，编号分别为S01—S10#；沿断层面布置10个传感器用于监测断层面应力变化，间距均为10cm，其受力面朝向上盘一侧，编号分别为F01—F10#，距煤层最近的F01#传感器位于煤层上方10cm处，在模型中的分布具体如图10所示。

图10 压力传感器在模型中的位置(mm)

本文只讨论沿断层面附近的应力变化。鉴于传感器受力面垂直于断层面，因此，所测为断层面正应力。将各参数按对应相似比进行换算后，分别选择模型下部的F03#、F04#及模型上部的F09#、F10#传感器进行分析，结果如图11所示。由图11(a)可知，当工作面距断层100m时，应力值开始增加，表明开采已对断层产生影响，直至距断层30m时达到最大值，在距断层10m时应力值陡然下降至负值，并随工作面的继续开采呈明显下降趋势，表明上覆岩层垮落后导致顶板应力的释放，断层具有活化的倾向；由图11(b)可知，在距断层的100～60m范围内应力值呈较大幅度增加的趋势，此后陡然下降至负值并持续减小，与F03#传感器具有相似的变化规律；由图11(c)可知，在工作面距断层30m时应力值开始增加，直至工作面开采过断层80m后仍呈增加的趋势，表明在此阶段断层始终于应力集中状态；根据图11(d)，在工作面距断层的100～-80m阶段，应力值持续增加，即开采导致的应力集中程度变大，与F10#传感器变化规律相一致。

图11 断层面不同位置正应力变化

由以上的分析可知，随着工作面逐渐靠近断层，断层面法向应力最初呈明显增加的趋势，表明超前支承压力造成了断层的应力集中，工作面越靠近断层集中程度越明显；工作面持续开采后应力值又陡然下降，表明上覆岩层垮落导致应力释放，断层开始呈现活化的倾向；距煤层顶板越近的位置越易受到采动的影响，应力值变化的幅度越明显。监测结果与数值模拟中逆断层下盘开采时垂直应力的分布云图相一致。

2.2 断层面位移变化

沿断层面每间隔一定距离布置一个位移测点，以监测开采过程中断层面位移的变化，结果如图12所示。当工作面开采至距断层10m时，断层面上距煤层顶板以上20m、30m两测点附近的位移开始陡然增加，增量值约2400mm和1800mm，且随着开采的逐渐进行位移值持续增加，其他测点位置无明显变化，表明工作面开采至距断层10m时断层开始活化，岩层瞬时的突然滑移造成了大面积的围岩破坏，与数值模拟结果相一致。

图12 断层面不同位置滑移量变化

2.3 断层活化过程

当工作面推进距离为80m时，距断层100m，顶板发生初次来压，推进距离分别为100m、150m时发生了第1次、第2次周期来压，当工作面推进距离为170m时，距断层10m，煤层顶板处岩层沿断层面发生滑动切断，在采动过程中发生岩层的瞬时破坏并发出巨大声响和震动，表明断层活化并导致了冲击地压的发生，老顶岩块沿煤壁旋转下沉，断层两盘发生分离，形成一条裂隙；上盘岩层除产生微小的裂隙外，基本保持稳定。工作面继续推进时，两测点处的位移变化持续增加。断层活化过程如图13所示。

图13 断层活化过程(开采距断层10m)

3 结 论

1)数值模拟结果表明，逆断层上盘开采时受煤层采空的影响，当工作面距断层40～10m时在煤层底板处断层面法向应力呈一定程度的减小，而下盘开采时受上覆岩层垮落的影响，顶板处法向应力呈下降趋势；当工作面距断层40～10m时，无论上盘或下盘开采，剪切应力均呈一定程度的增加，在工作面距断层10m时达到峰值，以剪切应力与法向应力比值作为判别断层活化的指标，表明工作面距断层40～10m范围时，从应力变化的角度，断层活化的危险性增加，当工作面距断层10m时顶板处应力变化最为活跃。

2)根据数值模拟结果，逆断层上盘开采时煤层顶板和煤层本身处的断层面滑移量变化最为明显，下盘开采时煤层顶板处变化最为明显，当工作面距断层10m时滑移量达到峰值，下盘开采时顶板处的最大滑移量是上盘开采的2.4～3.6倍，表明下盘开采最易导致断层的活化，冲击危险性要高于上盘开采。

3)相似模拟实验结果表明，逆断层下盘开采时极易对断层造成应力集中，而当工作面逐渐靠近时上覆岩层的垮落又使应力释放，使断层具有活化的倾向，且距煤层顶板越近的位置越易受到采动的影响，应力变化的幅度越明显；当工作面距断层10m时导致了断层的活化并最终诱发了冲击地压的发生，煤层顶板以上约20～30m位置断层离层最为明显，表明顶板位置断层活化的危险性最大，与数值模拟结果相一致。

4)逆断层上盘开采与下盘开采相对比，下盘开采时断层活化的危险性高于上盘开采，工作面距断层的危险距离为40～10m，距断层10m时最易导致断层活化并诱发冲击地压的发生，活化区域为煤层顶板以上20～30m范围。