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过断层工作面覆岩运移与变形破坏规律

2024-08-10 32 上传者：管理员

摘要：为探究开采扰动对断层的动态响应特征，理论分析了过断层工作面诱发断层破坏的损伤机制，通过在FLAC3D中引入损伤变量，量化了断层的损伤演化趋势，并进一步研究了覆岩的变形特征。结果表明：引入的损伤判据与变量可以有效地量化评价断层的损伤破坏程度。损伤增长率存在单峰值特点，在距离断层100 m时，损伤增长率达到最大，约为84%,后续开采过程中主要呈现波动形变化特征，而工作面附近所受的剪应力以及垂直位移呈现出快速增加的特征。

关键词：
开采扰动
损伤变量
数值模拟
断层滑移
煤系地层
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断层构造普遍分布在煤系地层中，工作面开采邻近断层时，将会衍生复杂的采动应力变化形式以及覆岩运移特征[1-3]。

煤层开采的扰动应力与断层带活化的耦合作用将会导致覆岩的大规模运移，李振雷等[4]通过建立断层闭锁与解锁的滑移力学模型，分析了断层冲击、煤柱与耦合冲击的作用机制。蒋金泉等[5]运用数值模拟方法分析了工作面过逆断层过程中的采动应力演化状态。李志华等[6]针对断层对覆岩运动的影响总结了顶板沿断层带的滑移，回转失稳破坏规律。

以上研究多为理论研究与定性分析，工作面采动应力对断层带活化的定量研究较少，因此，为定量分析工作面开采过程中，扰动应力对断层的损伤影响，以山西兰花同宝煤矿15105工作面为例，通过在数值模拟中引入损伤变量，构建过断层工作面数值模型，探究断层对扰动条件的损伤响应机理，分析覆岩运移规律与变形破坏特征。

1、工程地质与现场钻测概况

1.1工程概况

兰花同宝煤矿井田褶曲形态均较宽缓，煤层倾角较小。井田内，由钻孔控制及井下揭露的断层共3条，其中正断层F1倾角75°,落差30 m.井田内延伸长度800 m,逆断层F2倾角70°,落差18 m,井田内延伸长度为100 m,逆断层F3倾角75°,落差18 m,井田内延伸长度1 340 m.断层揭露时未见涌水，产状变化不大，但对采区有一定影响。矿井现阶段主要开采15105工作面，煤层厚度1.19～4.11 m,平均2 m,多含0～3层泥岩夹矸，煤层产状变化较小，煤层顶板为K2灰岩，底板为砂质泥岩、铝土岩、粘土岩。

1.2现场钻屑量分析

为针对性地治理断层诱发地质灾害的隐患，将断层前后50 m范围内划定为重点防范区域，通过钻屑方法对断层带进行监测分析，得到重点防范区域与正常区域的平均钻屑量如图1所示。受到工作面超前支承压力与断层剪切滑移应力的影响，重点防范区域的钻屑量增加梯度约为0.25 kg/m,明显大于正常区域钻屑量的增加梯度(约为0.19 kg/m),表明工作面开采对于断层有损伤影响，煤矿的安全生产工作中存在潜在的地质构造危害。

图1不同区域下平均钻屑量差异性

2、过断层工作面诱发断层损伤机制

地下构造应力场对断层的赋存状态与安全生产具有较大影响，工作面开采后，覆岩发生移动变形，原岩应力重新分布，断层上下盘的平衡状态改变，断层损伤逐渐积累，导致断层发生剪切滑移变形释放能量，将会致使工作面受到强烈的动压影响[7-8]。

根据图2所示的工作面过断层示意图，开采扰动应力、地应力、断层自身物理力学性质是影响断层发生剪切滑移变形的主要因素，其中地应力主要包括岩层自身重力与地下构造应力。开采扰动应力主要受到工作面布置方式、煤层厚度、井下开采范围，距离断层的距离等因素影响。断层力学性质主要包括断层的法向与切向刚度、内聚力、内摩擦角等因素的影响。

图2工作面过断层条件下断层滑移变形

3、过断层工作面数值模型

3.1数值模拟的建立

为模拟工作面开采对断层的影响，根据山西兰花同宝煤矿15105工作面的地质情况，采用FLAC3D数值模拟软件建立长度为340 m,宽度为250 m,高度为90 m的数值模型，构建模型的示意图如图3(a)所示。固定模型的底部边界，固定模型的左右前后的位移边界。在模型中设置4个监测点，分别为A、B、C、D,如图3(b)所示。根据工作面的埋深进行计算，在模型上部施加10 MPa的地应力，在模型的上下盘之间设置接触面结构模拟断层，设置断层的法向刚度为20 GPa,切向刚度为10 GPa,内聚力为0.5 MPa.数值模型采用摩尔库伦强度准则，数值模拟岩性参数如表1所示。

图3数值模拟模型示意

表1数值模拟岩性参数

3.2断层损伤变量的引入

采用FLAC3D中的接触面单元模拟矿井地层中的断层构造，在FLAC3D有限元模型中，接触面由3个节点的三角形单元组成，接触面主要通过接触面连接节点传递作用力。数值模拟中接触面的模型采用库伦剪切本构模型，根据此模型可得到断层发生损伤与滑动变形所需的切向力，即接触面节点发生相对滑动所需的切向力Fmax[9]:

Fmax=CA+tanφFn(1)

式中：C为接触面的粘聚力，MPa;φ为接触面的内摩擦角，°;A为接触面的面积，m2;Fn为接触面的法向应力，MPa.当接触面节点承受的切向应力大于最大切向应力时，接触面将会发生滑移变形，即判定接触面节点进入损伤状态，断层发生塑性破坏，损伤单元的示意如图4所示。

图4断层接触面结构损伤单元体

在FLAC3D中通过Fish语言引入损伤变量理论，用以定量化评价工作面开采对于断层的扰动影响，引入的损伤变量形式为：

D=Sd/So(2)

式中：D为损伤系数；Sd为接触面单元损伤的节点数；So为接触面单元的总结点数。

在工作面推进过程中，断层受到采动应力以及自身分布状态的影响，在微观视角下，其内部结点的受力情况不同而发生复杂的损伤演化，在宏观视角下，随着损伤的不断积累，最终形成断层结构的整体破坏。在数值模拟中，可以根据公式(1)在云图中可视化判断断层结构的损伤情况，并可以利用公式(2)定量化地评价断层的损伤演化规律。

4、过断层工作面矿压现象规律分析

4.1开采条件下断层损伤演化规律

随着工作面逐渐向断层方向推进，断层的损伤区域逐渐扩展，当工作面距离断层120 m时，断层首先在顶部发生塑性破坏，当工作面推进至断层60 m附近时，断层逐渐发生剪切滑移运动，塑性区进一步扩展，工作面推进至断层20 m附近时，断层的损伤区域出现非连续性扩展。在断层滑移应力的叠加影响下，工作面的支承压力也逐渐攀升(图5)。

根据图6所示的损伤演化曲线，在工作面初始的开采阶段，断层的稳定性较好，损伤程度较低；当工作面推进到120 m后，工作面距离断层的距离逐渐减小，断层的塑性破坏程度逐渐增加。损伤增长率存在单峰值特点，在距离断层100 m时，损伤增长率达到最大，约为84%,后续开采过程中主要呈现波动形变化特征。随着工作面的持续开采，损伤程度逐渐积累，在推进到工作面位置时，损伤程度约为88%.综合分析可知，数值模拟中引入的损伤判据与损伤变量可以有效地量化评价断层的损伤破坏程度。

图5工作面推进过程中断层损伤区域演化规律

图6工作面开采过程中断层的损伤演化规律

4.2开采条件下覆岩运移与变形规律

断层条件下工作面开采导致的原岩应力改变的主要因素之一是采动应力导致断层上下盘发生剪切滑移变形，分析开采过程中断层附近岩层的剪应力与位移分布特征具有重要意义，因此，绘制图7所示的覆岩剪应力与位移云图。

根据图7可知，煤层距离工作面较远时，工作面的正前方出现应力集中现象，但应力集中区并未波及到断层。相应的，断层附近并未出现相对位移，采动应力对断层的影响较小，断层仍处于平衡状态。当工作面继续推进到距离断层20 m时，工作面前方的扰动应力已经波及到断层区域，断层上下盘出现剪应力差值，同时，工作面附近所受的剪应力也快速增加，垂直位移也明显增加。

图7工作面推进过程中覆岩剪应力与位移云图

为探究断层在工作面推进过程中的滑移变形，绘制断层A、B、C、D监测点的断层滑移曲线如图8所示。根据图8所示，不同测点位置的断层滑移量存在明显差异。当工作面距离断层100 m时，测点A的滑移量开始增加；当距离断层20 m时，断层各测点滑移量迅速增加，其中顶板测点B的滑移量达到最大值0.15 m,而底板的滑移量最小。综合分析可知，距离工作面越近的断层岩体损伤滑移量越大，距离越远的断层损伤滑移量越小。

图8工作面推进过程中不同层位断层滑移变形规律

5、结语

1)根据山西兰花同宝煤矿的现场实测数据，重点防范区域的钻屑量增加梯度明显大于正常区域钻屑量的增加梯度，表明工作面开采对于断层有损伤影响，矿井存在潜在的地质构造危害，并理论分析了过断层工作面诱发断层损伤机制的影响因素。

2)在数值模拟中引入损伤判据与损伤变量，量化分析工作面推进过程中断层的损伤演化趋势，断层的塑性破坏程度随工作面的推进而增加。损伤增长率存在单峰值特点，在距离断层100 m时，损伤增长率达到最大，约为84%,后续开采过程中主要呈现波动形变化特征。

3)对覆岩的运移与变形规律进行分析，当工作面推进至断层附近时，断层上下盘出现剪应力差值，同时，工作面附近所受的剪应力也快速增加，垂直位移也明显增加。距离工作面越近的断层岩体损伤滑移量越大，距离越远的断层损伤滑移量越小。

参考文献:

[1]姜耀东,王涛,赵毅鑫.采动影响下断层活化规律的数值模拟研究[J].中国矿业大学学报,2013,42(1):1-5.

[2]刘凯.软岩巷道过断层围岩破坏机理及支护技术研究[J].晋控科学技术,2022(4):15-17.

[3]周永贵.马脊梁矿8117工作面过断层相似模拟分析研究[J].同煤科技,2019(6):29-31.

[4]李振雷,窦林名,蔡武,等.深部厚煤层断层煤柱型冲击矿压机制研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(2):333-342.

[5]蒋金泉,武泉林,曲华.硬厚岩层下逆断层采动应力演化与断层活化特征[J].煤炭学报,2015,40(2):267-277.

[6]李志华,窦林名,牟宗龙,等.断层对顶板型冲击矿压的影响[J].采矿与安全工程学报,2008(2):154-158,163.