吴建兰

（大同煤矿集团有限公司煤峪口矿地测科，山西 大同037041）

煤炭是重要的能源形式，在煤炭的开采过程中，由于断层的存在，容易产生矿井的水害事故，对煤炭的安全生产造成严重的威胁。在发生的水害事故中，绝大部分多数是由于采动作用的存在，造成断层的活化，从而造成了断层的突水[1]。在进行煤矿的开采过程中，断层是影响覆岩稳定性的重要因素，由于采动作用的存在，使得煤层的上覆岩层的稳定性遭到破坏，形成了矿山压力作用于断层上，引起断层的应力重新分布，即有可能引起断层的活化。对断层在采动作用下的变形进行分析[2]，可以据此对煤矿开采过程中的断层防水提供依据，防止煤矿发生突水事故，提高煤矿开采的安全性。

1 断层采动作用模型的建立

对煤矿开采中采动作用对断层的影响作用进行分析，采用FLAC 3D软件进行数值模拟，在进行建模的过程中，模型的准确性是反应结果的重要因素。由于岩体环境的复杂性，在建模过程中，无法将全部因素进行考虑，对于地质模型的建立进行一定的简化，重点考虑底板的破坏因素，考虑模型的边界效应，选择相应的边界条件，并依据实际工况的开挖顺序。

建立模拟地质模型，断层带的宽度为8 m，落差为130 m，呈75°倾角分布，工作面的宽度为150 m，建立地质模型尺寸为300 m×250 m×120 m（长×宽×高），岩层倾角为0°，对地质模型进行网格划分处理[3]，得到所建立的地质模型如图1所示。

对所建模型的边界进行设定，底部为固定约束，左右及前后位置边界限制，顶部为自由边界，并在模型的顶部施加覆岩载荷，对模型的施加渐变的内部应力，以此来分析地板岩体的应力及变形情况[4]。在模拟过程中，设定模型的开采条件为一次采全高开采，工作面推进90 m，初次来压30 m，由此对回采对断层的影响进行分析。

图1 地质模型的建立

2 断层采动作用仿真分析

对开采推进过程中的顶板岩体的位移及变形进行仿真分析，设定不同的断层煤柱宽度，通过数值分析，研究在回采过程中的底板的应力分布、垂向位移等因素，由此来对断层的影响进行判定，作为断层是否发生断层活化的依据。在模拟过程中，选定煤柱的预留宽度分别为70 m、50 m及30 m，随着工作面的推进，顶底板会产生不同的应力变化及变形，分析工作面推进90 m时煤层顶底板的变化规律[5]，进行对断层采动效应的影响研究。

2.1 不同煤柱宽度下主应力仿真结果分析

如图2所示为在不同煤柱宽度下的主应力的变化情况，从图2中可以看出，随着煤炭开采的挖掘，由于支撑力及覆岩压力的存在，在工作面的两端存在着应力集中的现象，且随着开采过程的进行，集中应力存在的范围逐渐增加，并且应力集中程度也逐渐加剧，在采空区煤层的顶底板位置处出现卸压的现象，并且由于断层的存在，从图2中可知，在断层煤柱为30 m时，工作面的应力集中位于超前的位置，出现在断层带上，不利于断层带的租税，且采空区顶板处于受拉状态，随着工作面的推进，受拉应力的范围逐渐增加，同时底板也存在一定的卸压区，主应力的最大值为拉应力的底鼓区[6]。

图2 不同煤柱宽度下主应力变化

2.2 不同煤柱宽度下剪应力仿真结果分析

如图3所示为不同煤柱宽度下的剪应力的变化情况，从图3中可以看出，在进行煤炭开采时，工作面的两端形成剪应力区，其中右下端及左上端的位置处，为压剪性破坏区，而工作面的右上端及左下端的位置处为拉剪性破坏区，且随着煤层的开采，剪应力的范围逐渐增加，煤柱宽度的减小，右下端位置处的压剪性破坏区的范围增加，逐渐靠近断层带，当煤柱宽度为30 m时，剪应力进入到断层带中，造成断层带周边的底板受剪切破坏，容易造成断层带的突水事故。

2.3 不同煤柱宽度下垂直位移仿真结果分析

如图4所示为不同煤柱宽度下的垂直位移的变化情况，从图4中可以看出，在煤层开采的过程中，随着工作面的推进，采空区顶板的位移量逐渐增加，并在底部出现了底鼓，由于断层带的存在，使得断层带两侧的位移量变化不一致，呈现出一定的差别，断层上盘的位移大，造成断层带的错动，容易引发断层的活化；且随着工作面的推进，下盘的位移逐渐增加，使得相对的错动变小，从而逐渐趋于稳定。工作面进行开采的初期阶段是断层带错动产生的危险期，同时也是发生突水灾害的危险期。随着煤柱宽度的减小，断层逐渐开始出现活化的趋势，当煤柱宽度减小到30 m时，断层带出现明显的位移差，此时断层出现活化，容易引发突水灾害。

图3 不同煤柱宽度下剪应力变化

图4 不同煤柱宽度下垂直位移变化

3 结语

在煤炭的开采过程中，由于断层的存在，容易引发矿井的突水灾害，对煤矿的安全生产造成影响。采用FLAC 3D软件，针对实际的工程地质条件，建立工程地质模型，对开采过程中顶底板的主应力、剪切应力及垂直位移进行模拟，从而对断层的采动效应作用进行分析。通过仿真运算的结果显示，在煤层开采的过程中，不同的煤柱宽度下，随着煤柱宽度的减小，断层逐渐受到开采产生的采动效应的影响，在煤柱宽度减小的过程中，断层受到的采用作用影响逐渐增加，使得断层容易发生活化现象，断层带附近的顶底板的垂直位移出现了两侧明显的差异，并且在煤柱宽度减小的过程中，这种位移差逐步加大，加剧了断层的活化，容易引起突水事故。在进行煤矿的开采过程中，要依据实际的地质条件，结合断层带的分布，合理的制定预留煤柱的宽度，避免断层的活化，保证煤矿的开采安全。