金 镖，左宇军,2,3，林健云，孙文吉斌，陈 斌

(1.贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室，贵州 贵阳 550025；3.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550025)

近年来，我国经济社会建设发展对煤炭资源的依存度有所下降，但从我国的能源结构和目前所处发展阶段来看，煤炭资源依然是我国的主体能源[1]。随着煤炭资源的逐年开采，浅部煤炭资源逐渐减少，国内外矿山进入深部资源开采状态[2-3]。断层是进入深部开采普遍面临的问题，在断层附近进行工作面回采时，断层受到开采活动影响，当回采工作面距离断层距离越来越近时，受开采活动影响断层活化的可能性越来越大，最终会导致滑移失稳并引发冲击地压等灾害的发生，给煤炭资源的安全开采带来巨大威胁。

许多学者对开采扰动下断层活化规律做了大量研究，卜万奎等[4-5]利用建立的力学模型，推导出断层带法向应力与切向应力计算公式；史应恩等[6]利用数值模拟与理论分析相结合的手段，研究了在工作面回采过程中，断层带的应力演化规律与活化特征；谢建敏等[7]利用数值软件，研究了断层倾角、内摩擦角对断层周边岩体应力分布的影响；师本强等[8]依据摩尔-库伦破坏准则，推导出了在单向压力下断层活化的判据及断层活化的临界倾角、临界开采深度；高琳[9]采用理论计算、数值模拟与相似材料模拟实验相结合的研究方法，研究了工作面向断层方向推进过程中，正断层活化规律及采动应力演化特征;姜耀东等[10]利用数值软件模拟了工作面向断层推进时，断层面上应力的演化规律；包冉等[11]利用FLAC3D软件，研究了断层落差对逆断层活化规律的影响；李志华等[12]利用3DEC数值模拟软件，研究了采动对断层面应力状态、断层滑移量、以及工作面前方超前支承压力的影响：张群[13]利用RFPA2D软件模拟了工作面过断层回采的过程，研究了断层活化与滑移的孕育、发生、发展的过程中断层带应力的演化规律；孟召平等[14]通过现场矿压观测系统与数值模拟相结合，研究了不同岩性的顶板在回采过程中，工作面的矿压分布特点；林健云等[15]利用FLAC3D软件，建立8种不同顶板岩性组合的数值模型，研究了在回采过程中，不同岩性组合顶板的应力与位移的变化规律。还有学者对不同岩性组合顶底板在采动影响下的变形及破坏规律进行了研究[16-18]。但目前在考虑断层顶板在不同岩性组合下，受开采扰动影响，断层带应力分布、位移分布规律的研究成果较少。本文利用FLAC3D软件建立了4种不同顶板岩性组合计算模型，探讨了在不同岩性组合下逆断层顶板应力分布、位移的变化规律，以及断层带应力演化特征，对分析断层区域覆岩为软硬互层岩体，顶板围岩稳定性控制及采取合理措施减低断层活化程度有重要的理论指导意义。

1 工程概况

矿井位于焦作煤田的东部，井田属第四系、据钻孔揭露，该地区主要地层有奥陶系中统马家沟组、石炭系中统本溪组、二叠系下统山西组。 其中二叠系下统山西组内二1煤层为主要可采煤层，煤厚4.73～6.77 m，平均6.16 m。矿区内11011工作面(图1)揭露F170断层，走向NE，倾向SE，断层倾角60°～75°，断层落差8 m，煤层埋深600 m，煤层平均厚度6 m，煤层直接顶泥岩，煤层底板砂质泥岩，11011回采工作面柱状图见图2。

2 数值计算模型

图1 11011工作面采掘工程平面图

图2 11011工作面柱状图

图3 三维数值计算模型

图4 断层活化监测点布置图

本文根据河南某矿地质采矿条件为基础，建立了4种煤层顶板不同岩性组合下逆断层与工作面空间关系的FLAC3D三维数值计算模型选中粒砂岩为硬岩，泥岩为软岩，断层模型如图3所示，模型尺寸长×宽×高=300 m×170 m×140 m，包含了87 200个单元，94 710个节点。边界条件：模型前后、左右为水平位移约束，底部为垂直位移约束，上部600 m岩层采用10 MPa的均布载荷替代，水平方向施加12 MPa水平应力，选择Mohr-Coulomb破坏准则。工作面从左边界30 m处向右推进，每次开挖10 m。在煤层顶板上方10 m和30 m断层带处设置A监测点和B监测点(图4),以便模拟分析在不同岩性组合下逆断层采动应力演化与断层活化特征，模型岩层力学参数来自矿井资料见表1。

表1 模型岩层力学参数

3 逆断层工作面采动应力演化特征

在不同岩性组合下，工作面距逆断层的距离为70 m、40 m、10 m时，围岩垂直应力分布如图5所示。

由图5可知，断层带内的垂直应力明显低于原岩应力，这是由于断层的切割对围岩应力的传播起到了阻隔作用，破坏了围岩应力的连续性传播。当逆断层下盘工作面推进到70 m时，煤层前方出现应力集中区，在岩性组合为软硬硬软时，围岩垂直应力为14.6～17.7 MPa，岩性组合硬软软硬时垂直应力为14.4～21.6 MPa，岩性组合软软硬硬时垂直应力为15.1～20.6 MPa，岩性组合硬硬软软时垂直应力为13.9～18.7 MPa。当工作面继续推进到40 m时，由于工作面与断层距离的减少，采动应力逐渐增大，顶板垂直应力与煤层支承压力的集中程度得到了进一步的提高，在岩性组合为软硬硬软时，围岩垂直应力为18.7～27.3 MPa,岩性组合为硬软软硬时垂直应力为17.1～39.6 MPa，岩性组合为软软硬硬时垂直应力为20.2～39.5 MPa，岩性组合为硬硬软软时围岩垂直应力为16.8～28.3 MPa；煤层顶板断层开始出现应力集中区，随着采动应力的增加，断层带内集聚大量的弹性应变能，断层破碎带处应力进一步增加，断层逐步开始活化。随着工作面的进一步推进，当距断层10 m时，煤层工作面垂直应力因断层滑移运动而得到释放。在岩性组合为软硬硬软时，围岩垂直应力为17.6～25.4 MPa，硬软软硬时垂直应力为17.1～33.1 MPa，上软下硬时垂直应力为25.3～31.4 MPa，硬硬软软时垂直应力为19.3～24.4 MPa。不同岩性组合条件下，顶板围岩垂直应力大小关系为：硬硬软软<软硬硬软<硬软软硬<软软硬硬。

4 逆断层工作面顶板运动特征

不同岩性组合下工作面与逆断层的距离为70 m、40 m、10 m时，围岩垂直位移分布如图6所示。

随着煤层的回采，工作面顶板受采动应力的影响，逐渐出现裂隙而下沉。断层的存在破坏了岩层原有的连续性，使岩层的强度减弱，在工作面不断靠近断层时，不同岩性组合下顶板的运移会呈现不同的规律。由图6可知，在工作面距断层70 m时，开采扰动对顶板影响很小，在岩性组合为软硬硬软时，顶板最大下沉量为111.1 mm，岩性组合为硬软软硬时38.8 mm，岩性组合为硬硬软软时126.6 mm，岩性组合为软软硬硬时34.3 mm。当工作面距断层40 m时，顶板受采动应力影响变大，顶板下沉量增大，岩性组合为软硬硬软时，顶板最大下沉量为315.9 mm，岩性组合为硬软软硬时300.9 mm，岩性组合为硬硬软软时404.8 mm，岩性组合为软软硬硬时212.7 mm。当工作面距断层10 m时，受开采扰动的影响，顶板下沉量急剧增大，岩性组合为软硬硬软时，顶板最大下沉量为1 167.2 mm，岩性组合为硬软软硬时1 007.2 mm，岩性组合为硬硬软软时2 465.9 mm，岩性组合为软软硬硬时878.9 mm。在不同岩性组合顶板条件下，顶板垂直位移大小关系为：软硬硬软<软软硬硬<硬软软硬<硬硬软软。

图5 工作面与断层间距为70 m、40 m、10 m时垂直应力分布云图

图6 工作面与断层间距为70 m、40 m、10 m时垂直位移分布云图

图7 工作面开采时A监测点断层应力状态

5 逆断层开采时断层活化规律

5.1 断层带应力演化特征

图7为工作面向断层推进时，通过FLAC3D数值模拟软件记录断层带上A监测点的应力变化曲线图。由7图可知，断层带上A监测点法向应力与剪切应力有不同的变化规律。在距断层30～70 m时，随着工作面的推进，断层带法向应力缓慢变化，当距断层10～30 m时，断层带法向应力明显增大，在距断层10 m达到了峰值，在岩性组合为软硬硬软时15.8 MPa、硬软软硬时9.8 MPa、软软硬硬时12.4 MPa、硬硬软软时14.3 MPa。而断层带监测点A处切向应力与法向应力有明显不同的变化规律，当工作面距断层距离为40～70 m时，随着工作面的不断推进，断层带应力逐渐开始变化，A监测点的切向应力在工作面距断层20～40 m内时，在岩性组合为软硬硬软和硬硬软软时，断层带切向应力出现降低的趋势，在20 m处达到了最小值1.2 MPa，而在岩性组合为硬软软硬与软软硬硬时，断层带切向应力不断增加。当工作面距断层10～20 m时，A监测点切向应力迅速增大，断层活化程度剧烈，岩性组合为软硬硬软与硬硬软软时，A监测点的切向应力最大值为9.6 MPa、硬软软硬时4.5 MPa、软软硬硬时7.3 MPa。根据数据分析发现，在不同岩性组合下逆断层受采动应力影响而引发断层活化的可能性大小关系为：软软硬硬<硬软软硬<软硬硬软<硬硬软软。通过图7(a)与图7(b)对比发现，在工作面向断层方向推进时，断层受采动应力影响，断层带A监测点的切应力与法向应力表现出不同的应力变化规律。

如图8(a)所示，当工作面距断层50～70 m时，断层带应力变化很小，断层未发生活化，当工作面继续推进至20～50 m范围时，顶板岩性组合为硬硬软软、软硬硬软与岩性组合为硬软软硬、软软硬硬的应力变化趋势截然不同。在顶板岩性为硬硬软软、软硬硬软时，断层带B监测点法向应力增加速度加快，在工作面向断层推进时，断层不断受采动应力的影响，断层活化程度也逐渐增大，在工作面距断层20 m，顶板岩性组合为硬硬软软、软硬硬软的法向应力达到了最大值13.7 MPa，此时断层活化程度最大，在距断层10～20 m，断层受采动影响而发生滑动，采动应力得到了释放，B监测点法向应力减少到9 MPa。在岩性组合为硬软软硬、软软硬硬时，工作面距断层10～50 m范围内，随着工作面的不断推进，B监测点法向应力一直呈上升趋势，在距断层10 m时，法向应力达到了最大值11.8 MPa。由图6(b)可知，断层带法向应力与切向应力变化规律不同，在岩性组合为硬硬软软、硬软软硬、软硬硬软时，断层带B监测点的法向应力整体呈增大趋势，而在岩性组合为软软硬硬时，断层带B监测点的法向应力先减小后增大。当工作面距断层50～70 m时，断层带切向应力变化缓慢，随着工作面的持续推进，在距断层10～50 m范围时，顶板岩性组合为硬硬软软、软硬硬软断层带B监测点的切向应力开始快速增加，在距断层10 m时，达到了最大值11.5 MPa，切向应力力集中系数为3.8。而在岩性组合为硬软软硬时，工作面距断层20～50 m，断层带B监测点法向应力缓慢增加，断层活化程度逐渐增大，当工作面距断层10～20 m时，随着工作面的持续推进，B监测点的切向应力急剧增加，在10 m时增加到最大值9.2 MPa，断层活化程度剧烈。在岩性组合为软软硬硬时，当工作面距断层30～50 m，随着煤层不断回采，切向应力急剧降低，在工作面距断层30 m，B监测点切向应力降低到最小值0.5 MPa，在距断层10～30 m范围内，随着工作面与断层距离的不断减小，切向应力开始迅速增加，在10 m时达到了最大值8.2 MPa，断层活化危险性最大。

5.2 断层滑移危险性分析

由图9可知，刚开始开采阶段，断层滑移量变化缓慢。随着工作面的不断推进，断层两盘相对下沉量增大，断层活化程度增加。工作面距断层20 m内时，断层两盘滑移量急剧增加，断层活化危险性增大。断层带A监测点和B监测点位移变化规律大致相同，而B监测点下沉量更大，说明断层上方高位处先发生活化失稳。而在岩性组合为硬硬软软时，断层在采动应力影响下，更容易发生活化失稳。

图8 工作面开采时B监测点断层应力状态

图9 断层两盘相对下沉量

6 工作面向断层推进期间微震事件特征

6.1 微震监测系统的设计与组建

为了掌握11011回采工作面在开采过程中断层活化情况，在工作面前方运输顺槽与回风顺槽每隔100 m布置一组微振检波器(14-2000HZ)对断层附近岩体进行实时监测，图10为11011工作面，IMS微振监测系统监测点布置示意图，图11为IMS微震工作站内部示意图。

图11 微震工作站内部图

图12 三分量传感器

6.2 工作面过断层期间微震事件特征

图13为11011工作面向断层方向推进过程中微震事件空间分布图，图中小球表示发生的微震事件。受开采扰动的影响，断层区域岩体会出现微裂隙、随着工作面的持续推进，断层受到的扰动随之增加，断层区域内出现大量微裂隙，裂隙扩展剧烈并逐渐贯通，岩体内集聚的大量应变能开始释放，IMS微震监测系统可以监测到工作面F170断层活化失稳诱发的震源空间位置。由图13可知，开采工作面周边区域是发生矿震事件的主要地带，初始阶段以小能量微震事件为主，随着工作面的推进，矿震震源的空间分布向着F170断层移动，当工作面距断层50 m时，工作面区域的震源数量大量增加，断层开始发生活化，当工作面距断层30 m时，断层区域震源急剧增加，工作面前方断层带附近，大能量震源开始出现，此时断层带受开采扰动影响剧烈，断层附近煤岩体发生大量微破裂，断层开始滑动失稳。对比可知，数值模拟结果与现场微震监测到的断层活化规律相吻合。

图13 11011工作面推进过程中微震事件分布图

7 结 论

1) 在不同岩性组合条件下，当工作面向断层方向不断推进时，逆断层顶板围岩垂直应力大小关系为：硬硬软软<软硬硬软<硬软软硬<软软硬硬。

2) 受开采扰动的影响，工作面越靠近断层，断层受到的扰动影响越剧烈，在距断层10～20 m时，断层活化危险性最高，而在岩性组合为硬硬软软时，断层更易发生活化失稳。

3) 当工作面与断层距离为10～20 m范围时，煤层上方30 m，断层带B监测点活化程度比A监测点更高，说明断层带上方高位处B监测点先发生活化。

4) 随着工作面的推进，断层受开采扰动的影响也越大，断层附近区域岩体微裂隙越多，断层附近区域微震事件越多，断层活化越剧烈，在工作面接近断层时，应做好安全防护措施预防灾害事故发生。