断层对采动应力的影响数值模拟研究_窦仲四.pdf

第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 近年来， 对断层 “活化” 诱因研究方法主要有理 论解析[1-5]、 数值模拟[6-12]、 相似模拟[13-14]3 种方法。赵 毅鑫等[15]采用库仑破裂应力增量为断层单元活化判 据，引入损伤因子评价断层面活化滑移破坏程度， 研究表明 采动诱发主应力偏转使得沿断层面剪应 力增加，而垂直于断层的正应力又受开采卸压和应 力偏转影响而减小。 李鹏飞等[16]通过 FLAC3D数值软件分析断层倾 角、 深度、 破碎带宽度等对断层 “活化” 活化， 表明 倾角越小、 采深越大、 破碎带越宽、 落差大的断层更 容易出现断层活化。吴基文等[17]基于相似物理材料 模拟试验得出断层 “活化” 是当断层煤柱宽度减小到 一定程度时， 断层面上、 下盘岩体会发生相对错动。 翟晓荣等[18]以龙东煤矿 F 张断层为原型进行相似模 拟实验， 表明 随着工作面的推进， 超前支撑应力在 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.039 断层对采动应力的影响数值模拟研究 窦仲四 1， 田诺成2， 吴基文3 （1．东华理工大学 地球科学学院， 江西 南昌 330013； 2．合肥工业大学 资源与环境工程学院， 安徽 合肥 230009； 3．安徽理工大学 地球与环境学院， 安徽 淮南 232001） 摘要 为研究断层对采动应力演化控制作用及发生滑移特征， 利用 FLAC3D软件对断层带两盘 的接触状态以库仑剪切模型的接触面单元代替， 模拟随着工作面沿断层倾向和沿断层走向推进 时断层接触面上法向应力和剪切应力的演化特征、 断层滑移危险性演化规律。结果表明 断层面 上法向应力和剪切应力的演化具有明显的时空特征， 且断层面上剪切应力对采动影响的敏感性 强于法向应力； 当工作面沿断层倾向或断层走向推进时， 开采层上方断层先于开采层下方断层 “活化” ， 开采层上方附近断层在采空区距离断层 20 m 时最容易出现 “活化” ， 开采层下方断层在 采空区距离断层小于 10 m 时滑移危险性最高； 相比之下， 工作面沿断层走向推进时开采扰动对 开采层附近断层产生的影响较工作面沿断层倾向推进时大。 关键词 逆断层； 法向应力； 剪切应力； 滑移危险性； 断层 “活化” ； 采动应力 中图分类号 TD325文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0174-05 Numerical Simulation Study on Influence of Faults on Mining Stress DOU Zhongsi1, TIAN Nuocheng2, WU Jiwen3 （1.School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330013, China；2.School of Resource and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China；3.School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China） Abstract To study the controlling effect of faults on the evolution of mining stress and the characteristics of slip occurrence, an interface element with a Coulomb shear model was used to simulate the interface at the fault by using FLAC3Dnumerical simulation software and the processes of face mining along fault trend and fault dip were simulated respectively. The development of normal stress and shear stress as well as slip risk at the fault was studied. Simulation results showed that the development of normal stress and shear stress at the fault has obvious spatial-temporal features and the sensitivity of shear stress on the fault surface is stronger than the normal stress. Fault above mining layer activates sooner than fault below mining layer when face advances along the fault trend or fault dip. Fault near the upper side of mining layer activates easiest when the distance of mined- out area and fault is 20 m and the slip risk of fault near the below of mining layer is highest when the distance of mined-out area and fault is less 10 m. By contrast with face advancing along the fault trend, mining disturbance makes a larger effect on fault near mining layer when face advances along the fault dip. Key words inverse fault； normal stress； shear stress； slip risk； fault activation； mining stress 基金项目江西省数字国土重点实验室开放基金资助项目 （DLLJ201903） 174 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 2工作面沿断层倾向开采时应力演化规律 表 1岩体物理力学参数 图 1三维数值模型 煤层底板下 30 m 处反应明显；当煤柱宽度减小至 30 m 时，底板集中应力达到最大值 127.64 kPa， 应 力集中系数 2.8； 煤柱宽度 20 m 时， 煤层底板深部 近断层带附近开始明显卸压，同时断层带两侧应力 变化出现明显差异，显示出断层带对应力传递的影 响，上下盘表现出不同的采动特征，容易造成断层 的 “活化” 。但是这些研究工作缺乏对开采过程中断 层面上法向应力和剪切应力的变化规律的分析， 尤 其是工作面沿逆断层走向开采时断层面上法向应力 和剪切应力演化规律的分析研究。而目前解析法和 相似物理材料模拟法还难以实现对开挖过程中断层 面应力状态的理论计算或仪器监测。 1模型建立与计算方案 1.1数值模型建立 建立的三维工程地质模型如图 1， 模拟长 （x 向） 373 m、 宽 （y 向） 250 m、 高 （z 向） 150 m， 共划分为 562 500 个单元， 592 722 个节点。 边界条件 模型前后左右固支， 限制水平运动； 模型底面固支， 限制垂向运动； 模型顶面为自由面， 不予约束。在模型顶面施加等效荷载， 模拟上覆岩 土层的自重荷载，在水平方向上施加由自重应力产 生的侧向应力。 断层模拟方法 考虑到逆断层断层带宽度较小， 断层带处采用接触面构建的。主要参数为法向刚 度 5.9 GN/m， 剪切刚度 7.1 GN/m， 内摩擦角 22， 黏 聚力 0.5 MPa。模型构建是基于莫尔-库伦判别准则 来判识岩体的破坏。 各岩层的物理力学参数见表 1。 1.2计算方案 当工作面沿断层倾向开采时，以距离模型左侧 边界 50 m 作为约束煤柱，工作面由远及近向断层 依次开采，直至开采接近断层。工作面宽度设为 150 m， 初次来压步距为 30 m， 周期来压步距为 20 m， 初次填充步距为 30 m， 周期填充步距为 20 m， 工 作面沿 x 向共推进 270 m，考察工作面由远及近向 断层推进过程中断层面应力、 位移演化规律。 当工作面沿断层走向开采时，以距离模型前侧 边界 50 m 作为约束煤柱，工作面宽度仍设为 150 m， 为便于与工作面沿断层倾向开采对比， 工作面沿 y 向共推进 150 m， 填充步距同上， 考察留设不同宽 度煤柱下断层面应力、 位移演化规律。 监测点布置在断层面 y 向中心线开采层上方 10、 50 m 和开采层下方 10 m 处，分别标记为 A、 B、 C 监测点。 2沿断层倾向开采断层采动效应分析 2.1断层采动应力分析 工作面沿断层倾向开采时应力演化规律如图2。 工作面由远及近向断层推进时断层面上监测点 法向应力演化规律如图 2 （a） 。可以看出三监测点法 向应力演化规律具有明显不同的曲线形态，说明断 层面上法向应力的变化具有明显的时空特性。随着 岩性 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 内摩擦 角/ （ ） 黏聚力 /MPa 抗拉强 度/MPa 密度/ （g cm-3） 泥岩 砂岩 72煤 粉砂岩 灰岩 8.80 22.00 3.33 13.00 17.90 4.50 24.00 1.11 11.00 18.90 28 40 25 34 40 1.00 6.51 1.00 2.80 7.10 0.85 6.12 0.15 2.36 4.20 2.485 2.681 1.400 2.619 2.600 175 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 3工作面沿断层倾向开采时剪切应力与法向应力比值 工作面的推进，开采层上方 50 m 的 A 监测点法向 应力总体呈先逐渐减小后趋于平缓的趋势，当工作 面推进至距离断层 10 m 时，法向应力达到最小值 4.5 MPa，较初始值降低约 67；开采层上方 10 m 的 B 监测点法向应力总体呈先缓慢增加后快速减 小的趋势， 在工作面距断层 120～150 m 范围时法向 应力约为 13.9 MPa，在工作面距离断层 30 m 时达 到最大值 15.83 MPa， 应力集中系数为 1.14， 而后法 向应力快速减小，应力得到释放，工作面接近断层 时法向应力降低至 1.9 MPa，且小于 A 监测点在工 作面接近断层时的法向应力值；开采层下方 10 m 的 C 监测点法向应力在工作面距断层 150～50 m 范 围时法向应力约为 13.65 MPa，在工作面距离断层 10 m 时达到最小值 12.83 MPa，较初始值降低约 6， 而后增加到最大值 13.8 MPa。 工作面由远及近向断层推进时断层面上监测点 剪切应力演化规律如图 2 （b） 。A 监测点剪切应力呈 先增加后减小再增加的趋势， 在工作面距离断层 80 m 时剪切应力达到最大值 3.66 MPa， 剪切应力集中 系数为 1.22，在工作面距离断层 30 m 时达到最小 值 0.32 MPa，而后逐渐增加至 2.46 MPa； B 监测点 剪切应力演化规律较为复杂，在工作面距断层 40～ 150 m 范围时剪切应力总体呈逐渐减小的趋势， 而 后逐渐增加，在工作面距断层 20 m 时达到最大值 3.45 MPa， 略高于其原岩应力水平， 随后剪切应力快 速减小， 应力快速释放， 在工作面距断层 10 m 时达 到最小值 0.44 MPa； C 监测点剪切应力在工作面距 断层 70～150 m 范围时约为 3.21 MPa，表明受开采 活动影响较小，之后剪切应力随着工作面推进而呈 现逐渐增加趋势，在接近断层时达到最大值 6.36 MPa， 应力集中系数为 1.98。 对比图 2 （a） 和图 2 （b） 可以看出 法向应力曲线 （a） 的变化幅度明显小于剪切应力曲线 （b）变化幅 度， 以 C 监测点为例， 其法向应力在工作面距离断 层距离 70 m 时基本无变化， 直至距 50 m 时开始出 现轻微变化， 而其剪切应力在工作面距离断层 70 m 时开始出现明显变化。这充分说明随着工作面推 进，距断层一定范围之内，断层带上的剪应力先收 到影响， 随后法向应力才受到一定影响。 2.2断层滑移程度分析 依据摩尔-库伦定律知接触面的摩擦在很大 程度上由剪切应力与法向应力的比值决定的，因此 将模拟断层面上监测点剪切应力与法向引力的比值 作为衡量断层滑移危险性的指标，此指标值越大， 说明断层滑移危险性越大， 反之亦反。 随着工作面推进，监测点剪切应力与法向应力 的比值总体演化规律与监测点的剪切应力随工作面 距断层距离的总体演化规律近似，工作面沿断层倾 向开采时剪切应力与法向应力比值如图 3。 随着工作面推进 A 监测点变化曲线趋势是先 增加后减小再增加， 在工作面距离断层 60 m 时， 比 值首次达到最大值 0.37，此时此处的断层最易于首 次出现滑动,出现断层活化的可能性极高； B 监测点 剪切应力与法向应力的比值在工作面距离断层 20 m 时达到极大值 0.253， 此时此处的断层滑移危险性 最高， 随后比值快速减小， 在工作面距离断层 10 m 时达到最小值 0.06，在工作面接近断层时比值快速 增大至 0.69， 且大于 A 监测点在工作面接近断层时 的比值； C 监测点切应力与法向应力的比值随工作 面的推进呈现逐渐增加的趋势，说明整个过程中剪 切应力增加的趋势占主导， 在工作面距离断层 10 m 时达到最大值 0.46 后趋于稳定， 表征 C 监测点在工 作面距离断层 10 m 时最容易出现滑移，断层活化 的可能性最高。 随着工作面沿断层倾向推进，最先出现断层活 化的部位在开采层上方距开采层较远处，之后开采 层上方距开采层较近处活化危险性增大，开采层下 方距开采层较近处在工作面距离断 10 m 时活化危 险性最高。 工作面沿断层倾向开采时竖向滑移量演化规律 如图 4。 图 4 中曲线反应了与图 3 中相同的结论， 开 采层上方 50 m 的 A 监测点先于开采层上方 10 m 的 B 监测点和开采层下方 10 m 的 C 监测点出现滑 动， 在工作面接近断层时， 监测点 C 的竖向位移量 明显小于 A 监测点和 B 监测点的竖向滑移量。 3沿断层走向开采断层采动效应分析 3.1断层采动应力分析 176 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 6工作面沿断层走向开采时剪切应力与法向应力比值 图 5工作面沿断层走向开采时应力演化规律 图 4工作面沿断层倾向开采时竖向滑移量演化规律 工作面沿断层走向开采时应力演化规律如图5。 工作面沿断层走向推进时监测点法向应力演化 规律与工作面由远及近向断层推进时法向应力变化 规律十分相似， 但也有细微差别， 如图 5 （a） 。A 监测 点的法向应力在断层煤柱宽度为 20 m 时达到极小 值 4.34 MPa， 略小于工作面沿断层倾向开采距离断 层 20 m 时此监测点的法向应力，随着保留煤柱厚 度的减小，法向应力呈逐渐增加趋势，与工作面距 离断层 20 m 范围内法向应力趋于平缓的趋势略有 不同； B 监测点的法向应力在断层煤柱宽度为 30 m 时达到最大值 15.79 MPa， 应力集中系数为 1.11， 略 小于工作面沿断层倾向开采距离断层 30 m 时此监 测点的应力集中系数，而后法向应力快速减小， 应 力得到释放， 断层煤柱宽度为 0 m 时法向应力降低 至 3.63 MPa， 小于 A 监测点在断层煤柱宽度为 0 m 时的法向应力值，大于工作面沿断层倾向开采接近 断层时的法向应力值； C 点法向应力在工作面距断 层 50～150 m 范围内基本相等，基本未受到工作面 回采的影响，在断层煤柱宽度为 10 m 时达到最小 值 13.23 MPa，略大于工作面沿断层倾向开采距离 断层 10 m 时此监测点的法向应力，而后增加到 13.98 MPa， 接近其原岩应力水平。 监测点剪切应力演化规律与工作面由远及近向 断层推进时监测点剪切应力演化规律也十分相似， 但也有细微的差别， 如图 5 （b） 。A 监测点在断层煤 柱宽度为 80 m 时剪切应力达到最大值 3.49 MPa， 略大于工作面沿断层倾向开采距离断层 80 m 时的 剪切应力，在断层煤柱宽度为 30 m 时达到最小值 0.21 MPa，略小于工作面沿断层倾向开采距离断层 30 m 时的剪切应力； B 监测点在断层煤柱宽度为 20 m 时剪切应力达到最大值 5.08 MPa， 远高于其原岩 应力水平， 随后剪切应力快速减小， 应力快速释放， 在断层煤柱为 0 m 时达到最小值 2.00 MPa， 与工作 面沿断层倾向开采距离断层 0～20 m 范围时演变规 律不同； 当断层煤柱宽度大于 90 m 时， 剪切应力基 本无变化， 稳定在 3.20 MPa， 说明此范围内基本不 受工作面开采影响，随着断层煤柱的减小，剪切应 力逐渐增加， 在断层煤柱为 0 m 时达到最大值 6.43 MPa，略大于工作面沿断层倾向开采接近断层时的 剪切应力。同样对比断层面上监测点的法向应力和 剪切应力演化规律曲线可以看出，断层面上监测点 的剪切应力对工作面回采影响的敏感性略强于法向 应力。 3.2断层滑移程度分析 工作面沿断层走向开采时剪切应力与法向应力 比值如图 6。 顺断层倾向、 逆断层倾向 2 种方式开采下， 剪切 应力与法向应力的比值随工作面距断层距离的演化 规律总体近似。A 监测点剪切应力与法向应力的比 值随断层煤柱的减小呈现先增加后减小再增加最后 177 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 7工作面沿断层走向开采时竖向滑移量演化规律 缓慢减小的趋势，与其剪切应力的演化规律略有差 别， 在断层煤柱宽度为 60 m 时， 比值首次达到极大 值 0.35， 同样此时的断层最易于首次出现滑动； B 监 测点剪切应力与法向应力的比值在断层煤柱宽度为 20 m 时达到极大值， 此时此处的断层滑移危险性最 高，随后减小再快速增加，与工作面沿断层倾向开 采距离断层 10 m 时不同，在断层煤柱宽度为 10 m 时，比值虽达到极小值，但比值仍明显大于其初始 值。C 监测点切应力与法向应力的比值随断层煤柱 宽度减小呈现的变化趋势与其剪切应力的变化趋势 近似，比值在断层煤柱宽度为 10 m 处达到最大值 0.45 后趋于稳定， 说明 C 监测点在断层煤柱宽度为 10 m 时最容易出现滑移。 随着工作面沿断层倾向推进，最先出现断层活 化的部位在开采层上方距开采层较远处，随后开采 层上方距开采层较近处活化危险性增大，开采层下 方距开采层较近处在工作面距离断层 10 m 时活化 危险性最高。 工作面沿断层走向开采时竖向滑移量演化规律 如图 7。 图 7 中曲线反应了与图 6 中相同的结论， 开 采层上方 50 m 的 A 监测点先于开采层上方 10 m 的 B 监测点和开采层下方 10 m 的 C 监测点出现滑 动，在工作面接近断层时， A 监测点和 B 监测点的最 终滑移量十分接近， 并远大于 C 监测点的竖向滑移 量。对比工作面沿断层倾向开采和沿断层走向开采 监测点竖向滑移量可以发现，在采空区与断层距离 相同的条件下， 沿断层走向开采时开采层上方 10 m 的监测点和开采层下方 10 m 的 C 监测点竖向滑移 量略大于沿断层倾向开采时 B、 C 监测点的竖向滑 移量，说明沿断层走向推进时工作面回采对开采层 附近断层产生的影响较工作面沿断层倾向推进大。 4结论 1） 无论是沿断层倾向开采还是沿断层走向开 采， 开采层上方断层先于开采层下方断层活化， 开采 层上方附近断层在采空区距离断层 20 m 时最容易 出现活化， 开采层下方断层在采空区距离断层 10 m 时滑移危险性最高。 2） 随着工作面推进， 断层带上剪切应力先于法 向应力出现变化。 3） 工作面沿断层走向推进对开采层附近断层产 生的影响较工作面沿断层倾向推进时大，为采场附 近巷道布置及断层保护煤柱提供理论依据。 参考文献 ［1］ 鲁海峰， 沈丹， 姚多喜， 等．断层影响下底板采动临界 突水水压解析解 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2014 （6） 887－895． ［2］Jiang B, Huang D, Zhu X, et al． Canonical variate analysis－based contributions for fault identification ［J］ ． Journal of Process Control, 2015, 26 17－25． ［3］ 林远东， 涂敏， 刘文震， 等．基于梯度塑性理论的断层 活化机理 ［J］ ．煤炭学报， 2012， 37 （12） 2060－2064． ［4］ 张卫强， 孙强， 朱术云， 等．采动条件下顶板逆断层失 稳－活化机制分析 ［J］ ．煤矿安全， 2013， 44 （3） 179. ［5］ 姜耀东， 王涛， 赵毅鑫， 等．采动影响下断层活化规律 的数值拟研究 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2013， 42 （1） 1－5． ［6］ 赵华安， 赵光明， 孟祥瑞．断层影响下合理煤柱尺寸留 设数值模拟分析 ［J］ ．中国安全生产科学技术， 2014， 10 （11） 27－33． ［7］ 曹兰柱， 王珍， 王东， 等． 露天矿含断层逆倾软岩边坡 滑移模式及稳定性研究 ［J］ ．安全与环境学报， 2018， 18 （2） 457－461． ［8］ 李凯， 茅献彪， 陈龙， 等．采动对承压底板断层活化及 突水危险性的影响分析 ［J］ ．力学季刊， 2011， 32 （2） 261-268. ［9］ Adams M, Kempka T, Chabab E, et al． An innovative 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