采动影响下断层活化诱发冲击机理研究_张文柯.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.019采动影响下断层活化诱发冲击机理研究张文柯1，2，杨刚3，李志强1，2（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；3.贵州鲁中矿业有限责任公司，贵州 毕节 552102）摘要 针对采掘扰动时断层区冲击灾害频繁发生的现状，运用理论分析、数值模拟以及工程实践等方法，研究断层区的冲击机制。建立了断层摩擦系数力学模型，理论推导得出断层静摩擦系数和断层动态摩擦系数的公式。公式表明断层静摩擦系数与断层倾角、围岩侧压系数有关，断层动摩擦系数随工作面推进距离的变化而变化。采用 FLAC3D数值模拟软件模拟了煤层开采过程中断层应力增量的变化规律，发现当工作面向断层推进时，断层应力增量先缓慢降低后迅速上升至峰值；当工作面过断层后，断层动摩擦系数先迅速下降后波动式上升至一常数。研究表明，星村矿 3303 工作面冲击的主要诱发因素为采动影响下断层活化，断层周围煤岩体能量积聚应力集中。现场实践表明，通过采取大直径钻孔卸压、顶板预裂爆破等防冲措施，有效降低了冲击危险性，保证了工作面的顺利回采。关键词 采动；断层活化；冲击矿压；断层摩擦系数；平衡结构；数值模拟中图分类号TD324文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0061-040引言断层活化是指岩体中的断层（节理）在采动影响下产生滑动的现象，主要表现为断层由粘结状态变为开裂状态，断层周围介质做适应性调整运动，同时伴随巨大的能量释放，造成人员伤亡和财产损失1-2。断层区域是冲击危险多发区，当超前支承压力与断层附近的高应力发生叠加时，则叠加后的应力高峰区位置会在采动的影响下释放较大弹性能，更容易诱发冲击的发生3。近年来，随着开采深度的增加以及开采条件的复杂性，断层冲击矿压事故明显增多。长期以来，我国学者对断层影响下的采矿活动做了相关研究，取得了一系列成果。李振雷等4提出了断层区断层煤柱型冲击矿压的概念及其力学机制，断层附近采掘时产生断层煤柱，断层滑动和煤柱破坏可诱发冲击矿压；李志华等5研究认为，断层带附近的冲击矿压危险主要是由于顶板而形成的，当工作面接近断层带时，这种危险比其它区域高得多，其主要影响因素是断层破坏了顶板的连续性，加速了顶板的下沉速度，从而导致顶板型冲击矿压；姜耀东等6模拟研究了采动影响下断层活化规律，指出断层法向应力的变化总是早于剪切应力，相比上盘开采，下盘开采时采动对断层的影响范围更为集中，活化危险性更高；许磊等7研究了正断层地质构造下剪切应力与法向应力随工作面的推进逐渐增大，剪切应力变化高于法向应力，距离断层面越近，诱发冲击危险性增大。但目前现有的文献在断层冲击矿压方面研究的较少，且研究内容和方法相对单一，实际经验较多，缺乏理论与实践的相互佐证。本文以星村煤矿3303 工作面为实例，采用理论建模和数值计算相结合的方法，研究了采动影响下断层活化规律，提出了断层静摩擦系数及断层动态摩擦系数的概念，得出了断层摩擦系数动态变化是导致断层滑动失稳诱发冲击的结论。这为矿井后续开采和冲击矿压预测防治提供了理论指导和应用基础。1断层滑动失稳准则研究表明8，断层活化实际是断层面上的剪应力达到并超过其抗剪强度而引起的失稳现象。因而，对于断层稳定性的评估，在确定断层面上的应力状态的同时，还应了解断层滑动失稳准则。基于岩石断裂力学9，可以把断层看作是受双轴压的斜裂纹，建立如图 1 所示的力学模型。将断层简化为无限大弹性板内的一条 Griffith 裂纹，板边缘受到均匀双轴压力 1和 2，断层方向和 1作用方向的夹角为，以平行于断层方向为 x 轴、断层方向的中垂线为 y 轴，建立直角坐标系 xOy。能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1612023 年 2 月Feb.,2023图 1构造应力场中断层受力模型远场主应力在单元体上产生的应力为：x=1cos2+2sin2y=1sin2+2cos2xy=（1-2）sincos|式中：x、y为正应力，xy为剪应力；1为垂直应力，2为水平应力；为断层面倾角。考虑到断层面上作用有摩擦力 f分布，所以断层面受到的等效剪应力为 e=xy-f。在实际情况中，由于地质环境复杂，断层往往具有较强的非均匀性，因此 f是非均匀分布的函数。根据速率-状态相关摩擦准则10，f的具体表达式可以简化为：f=动N=0+aLnvv0+bLnv0Dc()N（2）ddt=1-v0Dc式中：v 为滑动速率，v0为参考速率；为状态变量；0、a、b、Dc为实验常数；N为法向应力；f为滑动速率为 v 时的摩擦应力。速率-状态摩擦本构关系认为，摩擦状态的改变与速率的变化存在一定的关系。速率效应主要包括 2 个部分：瞬时突变效应，即式中 aLn（v/v0）部分，速率的突变引起摩擦系数的迅速变化。稳态平衡效应，即式中 bLn（v0/Dc）部分，是稳定连续变化的，不随速率的突变而引起突变，摩擦系数随着滑动距离的增加而下降，最终达到一稳定值。由式（2）可知，断层摩擦系数 动是一动态变量，与断层滑动速率有关。工作面距断层越近，断层滑动速率越大。断层摩擦系数随工作面推进距离的变化趋势曲线如图 2 所示。图 2 中，静为静摩擦系数；0为滑动稳态摩擦系数；max为滑动失稳摩擦系数峰值；0为围岩稳定摩擦系数；为滑动失稳摩擦系数峰值与围岩稳态摩擦系数之差。图 2断层摩擦系数随工作面推进距离变化曲线静=xyy=（1-2）sincos1sin2+2cos2=1-21tan+2cot=1-ktan+kcos（3）式中：k 为围岩侧压系数；2=k1。由式（3）可以看出：断层静摩擦系数 静是断层本身所具有的力学性质，与断层摩倾角 和围岩侧压系数 k 相关。当断层摩倾角 一定时，断层静摩擦系数 静有一临界值，动值大于此临界值时，断层动态滑动。当侧压系数 k 一定时，断层动态滑动对应的 值范围一定。上述曲线可以分为 3 个阶段：滑动稳态阶段。随着工作面与断层距离的缩小，断层摩擦系数由静摩擦系数 静开始逐渐减小，变化缓慢，最后趋于一稳定的极限值 0。滑动失稳阶段。摩擦系数瞬时突变，由 0迅速增加达到峰值 max后又迅速衰减至之前稳定滑动状态下的值，而后又呈现波动式上升，直至趋于一新的稳定值 0，此时断层围岩系统处于非稳定状态。围岩稳定阶段。断层不再发生滑动，断层滑动速度趋于 0，此时断层围岩系统处于稳定状态。综上所述，采掘活动的影响导致了断层摩擦系数的动态变化，当断层区煤岩体的动态摩擦系数超大于断层静摩擦系数时，断层就会发生滑动失稳，从而诱发冲击矿压灾害。2断层活化三维数值分析数值模拟采用美国 Itasca 公司开发的 FLAC3D数值模拟软件。本次数值模拟岩层属性参照位于星村煤矿 3303 面的星 14 钻孔资料。2.1数值计算模型建立三维计算模型如图 3 所示。模型模拟的开采范围走向长 1 100 m、倾向长 350 m。三维模型共张文柯，等采动影响下断层活化诱发冲击机理研究（1）1122xyO静00max稳态失稳稳定工作面推进距离/m摩擦系数622023 年 2 月Feb.,2023划分 39 000 个单元、39 596 个节点。图 3三维计算模型及网格边界条件：模型 Z 方向上部为自由面，施加竖向荷载模拟上覆岩层的自重荷载；模型 Z 方向底限制垂直移动；模型 X、Y 方向限制水平移动。工作面开采深度 1 200 m，在模型上边界施加 30 MPa 垂直应力，水平方向施加 45 MPa 水平应力。2.2断层应力增量的提取断层冲击矿压的直接原因是受采动影响，随着工作面不断向断层推进，会引起断层的活化。由第二节可知，当 1、k 已知时，可通过式（1）计算求得正应力 N。此时，N为一定值，断层处的摩擦力f与 动成正比，通过相应地应力增量可知断层摩擦系数的动态变化。所以，利用 hist 命令，记录了回采过程中断层应力增量的历史值。根据断层应力增量历史值绘制曲线，便可以反映出工作面距断层不同距离时断层应力变化趋势，相应地也可以反映出断层摩擦系数的动态变化趋势。2.3模拟结果分析断层应力增量历史值曲线如图 4 所示。（a）工作面距断层较远（b）工作面靠近断层（c）工作面过断层（d）工作面远离断层图 4断层应力增量历史值曲线图 4（a）为工作面推进距断层 170、150、130、110、90 m时断层应力增量的历史值。从图 4（a）中可以看出，当工作面距断层较远时，断层应力增量开始逐渐减小，之后趋向于一常数，即模型运算平衡后断层应力增量不再变化。断层应力总体变化较小，最大应力增量幅值仅为 0.13 MPa。图 4（b）为工作面推进距断层 70、60、50、40、30、20、10 m时断层应力增量的历史值。从图 4（b）中可以看出，随着工作面推进距离的减小，断层应力增量逐渐增加，曲线直线上升段斜率越来越大，尤其是当工作面距断层 20、10 m 时，这种变化更为明显。此时断层动摩擦系数迅速增大，断层滑动动态失稳诱发冲击矿压的危险性就逐步增加。图 4（c）为工作面推进过断层 10、20、30、40、50、60 m 时断层应力增量的历史值。当工作面过断层10 m时，断层应力增量急剧降低了 45 MPa；当工作面过断层 20 m时，断层应力增量进一步下降，降低了 5 MPa；当工作面过断层 30、40、50、60 m时，断层应力增量呈波动式变化，曲线先上升后下降，总体波动幅度较小，变化峰值仅为 1 MPa。图 4（d）为工作面远离断层推进过断层 80、100、120、140、160 m时断层应力增量的历史值。从图 4（d）中可以看出，当工作面远离断层时，断层应力增量基本无变化。图 5 为断层应力增量随工作面推进距离的变化曲线。由图 5 可知，采掘活动对断层的扰动作用明显，工作面开采临近断层时断层活化，断层应力SF108 断层监测点3 煤XYZ170 m150 m130 m110 m90 m监测时步/10205101520监测时步/1020510152070 m60 m50 m40 m30 m20 m10 m0-0.02-0.04-0.06-0.08-0.1-0.12-0.14应力增量/MPa121086420应力增量/MPa监测时步/1020246810121416182060 m50 m40 m30 m20 m10 m50-5-10-15-20-25-30-35-40-45应力增量/MPa监测时步/1020510152080 m100 m120 m140 m160 m86420-2应力增量/MPa能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1632023 年 2 月Feb.,2023增量突变。图 5采动对断层应力增量的影响33303 工作面防冲实践3.1工作面概况星村矿 3303 工作面现已回采结束。本工作面处于 DF21 断层（H=9 m，5070）边缘，东南方为三采区轨道上山、三采区回风上山、三采区运输上山。轨道顺槽靠近 DF21 断层，掘进过程中小构造发育，回采过程中揭露横跨整个工作面的 SF108 断层（H=5.5 m，60）。3303 工作面埋深超过 1 200 m，工作面主采 3#煤，平均煤厚 8.5 m，平均倾角 8，综放开采。3#煤层上覆岩层基本上以砂岩为主，砂岩顶板容易聚积大量的弹性能，开采的 3#煤具有强冲击倾向性，工作面附近断层发育，断层冲击危险较高。3303 工作面回采巷道布置如图 6 所示。图 63303 工作面回采巷道布置3.2断层活化型冲击矿压的防控目前，通过相关项目的研究，针对星村煤矿冲击矿压问题，已经确立了星村煤矿深部工作面冲击项目研究目标，并形成了星村煤矿深部工作面冲击矿压危险监测和控制技术体系，其措施已在