固液耦合模式下采动诱发断层界面应力变化规律的模拟研究

张培森 ,杨 健 ,王明辉 ,王 浩

(1.山东科技大学资源与环境工程学院，山东 青岛 266590；2.矿山灾害预防控制-省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590；3.山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021)

由于煤炭为一次性能源，随着煤炭开采深度及强度的不断加大，浅部的资源已频临枯竭，煤炭开采以15～30m/a的速度向深部发展，当前采深大于600m的已占30%，超过千米的深井达39处，预计到2030年我国很多煤矿的开采深度将达到1000～1500m。深部煤层的赋存条件也越趋复杂，开采难度大大提高，煤矿事故，特别是断层突水事故是当前深部开采所面对的主要难题之一[1-2]。

采动诱发断层活化是采矿学科中典型的非线性力学问题，是指含煤地层中的断层在采动影响下产生滑移的现象[3]。断层活化使得断层带以及两盘靠近断层的部位产生新的裂隙，原有的裂隙进一步扩大，最后形成突水通道，为工作面突水提供了重要的条件[3]。长期以来，国内不少学者对断层突水进行了大量的研究[1-10]，也取得了很多有价值的成果，并进行了大量有关断层突水的相似材料模拟试验、理论分析及数值模拟研究，而有关固液耦合模式下采动诱发断层界面应力变化对断层活化突水的影响研究却不多。本文以五沟煤矿F16断层地质条件为背景，采用大型岩土类数值模拟软件FLAC3D的固液耦合模式对采动诱发断层界面应力变化规律进行数值模拟研究，为断层安全防水煤岩柱的留设及断层突水防治提供理论参考。

1 模型建立及计算方案

1.1 模型构建及计算参数选取

五沟煤矿F16断层落差为70m，开采煤层为10煤，平均厚度为4m。计算模型选取工作面的推进方向为X轴，工作面的倾斜方向为Y轴，模型的竖直方向为Z轴。考虑到边界效应和计算速度因素，最终确定计算模型大小为600m×10m×200m。根据研究目的，对断层、煤层及煤层直接顶和直接底网格进行加密处理，具体网格划分如图1所示。模型四周边界均施加水平位移约束，底边界均施加水平位移及垂直位移约束，上部边界为自由面，老顶上方载荷与上覆岩层的重力(∑γh)有关。

经过大量岩石力学试验以及工程类比可知，Mohr-Coulomb准则能很好的反映出岩石破坏的特性，故本次计算选取MOHR模型及FL_ISO模型进行分析。

计算采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则判断岩体的破坏。

式中：σ1、σ3分别是最大和最小主应力;φ、c分别是摩擦角和粘结力。当fs>0时，材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下，岩体的抗拉强度很低，因此，可根据抗拉强度准则(σ3≥σt)判断岩体是否产生拉断破坏。

根据现场的地质调查和相关试验研究所提供的岩石力学试验数据，在考虑岩石尺度效应的基础上，模拟计算采用的主要岩层的物理力学参数见表1。

图1 模型网格划分

表1 主要岩层的物理力学参数

1.2 计算方案

针对五沟煤矿F16断层的地质条件，本文拟采用三维有限差分数值软件FLAC3D的固液耦合模式对采动诱发断层界面应力变化规律进行数值模拟研究。断层界面应力变化规律与多种因素有关，在分析现有研究资料的基础上，本文重点分析断层倾角、断层破碎带宽度及承压水水压不同时在断层上盘煤层开采过程中断层界面应力变化规律。

本次计算方案共分析11个计算工况，分为三类：第一类为断层破碎带宽度为4m，含水层水压为3MPa保持不变的前提下，断层倾角分别为30°、40°、50°、60°、70°；第两类为断层倾角为70°，含水层水压为3MPa保持不变的前提下，断层破碎带宽度分别为4m、6m、8m；第三类为断层破碎带宽度为6m，断层倾角为70°保持不变的前提下，含水层水压分别为2MPa、3MPa、4MPa。

2 计算结果分析

开采煤层位于断层上盘，考虑到边界效应，工作面从x=100m处开挖推进。从左向右，向断层推进，直到距离断层50m时回采工作结束。在断层上下盘同一水平布置布设一对监测点，通过分析这一对监测点应力的变化来研究断层界面的应力变化规律。

2.1 断层倾角不同对断层界面应力场变化规律的影响

图2～6分别描述了断层倾角不同时，在煤层开采过程中，断层界面上同一标高处不同监测点上的正应力及剪应力随计算时步增加而变化的情况。

图2 断层倾角为30°时煤层开采过程中断层界面上的应力变化曲线

图3 断层倾角为40°时煤层开采过程中断层界面上的应力变化曲线

图4 断层倾角为50°时煤层开采过程中断层界面上的应力变化曲线

图5 断层倾角为60°时煤层开采过程中断层界面上的应力变化曲线

图6 断层倾角为70°时煤层开采过程中断层界面上的应力变化曲线

从图2～6中可以看出，在距离断煤交线50m时，断层的上盘界面所受的正应力大于下盘断层界面所受的正应力，断层上盘界面所受的剪应力大于断层下盘界面所受的剪应力；随着断层倾角的增加，在工作面推进至断层50m时，断层上、下盘界面所受的正应力逐渐减小，而断层上、下盘所受的剪应力一开始随着断层倾角的增加而增加，在断层倾角超过50°之后又随着断层倾角的增加而减小。

2.2 断层破碎带宽度不同对断层界面应力场变化规律的影响

图7～9分别描述了断层破碎带宽度不同时，在煤层开采过程中，断层界面上同一标高处不同监测点上的正应力及剪应力随计算时步增加而变化的情况。

图7 断层破碎带宽度为4m时煤层开采过程中断层界面上的应力变化曲线

图8 断层破碎带宽度为6m时煤层开采过程中断层界面上的应力变化曲线

图9 断层破碎带宽度为8m时煤层开采过程中断层界面上的应力变化曲线

从图7～9中可以看出，在工作面距离断层50m时，断层上盘界面所受的正应力大于断层下盘界面所受的正应力，断层上盘所受的剪应力大于断层下盘所受的剪应力；随着断层破碎带宽度的增大，在断层破碎带宽度从4m增加到8m时，断层上、下盘界面所受的正应力越来越大，而断层上、下界面所受的剪应力逐渐减小。

2.3 含水层水压不同对断层界面应力场变化规律的影响

图10～12分别描述了含水层水压不同时，在煤层开采过程中，断层界面上同一标高处不同监测点上的正应力及剪应力随计算时步增加而变化的情况。

图10 含水层水压为2MPa时煤层开采过程中断层界面上的应力变化曲线

图11 含水层水压为3MPa时煤层开采过程中断层界面上的应力变化曲线

图12 含水层水压为4MPa时煤层开采过程中断层界面上的应力变化曲线

从图10～12中可以看出，在距离断煤交线50m时，断层的上盘界面所受的正应力大于断层下盘界面所受的正应力，断层上盘界面所受的剪应力大于断层下盘界面所受的剪应力；随着含水层水压的增加，在工作面推进至断层50m时，断层上、下盘界面所受的正应力逐渐增大，断层上、下盘所受的剪应力也随之增加。

3 结论

1)在相同工况条件下，断层的上盘断层界面所受的正应力大于下盘断层界面所受的正应力，断层上盘界面所受的剪应力大于断层下盘界面所受的剪应力；断层倾角越大，在工作面推进相同距离时，断层上、下盘界面所受的正应力越趋减小，而断层上、下盘所受的剪应力一开始随着断层倾角的增加而增加，在断层倾角超过50°之后又随着断层倾角的增加而减小。

2)断层破碎带宽度越大，断层上、下盘界面所受的正应力越大，而断层上、下界面所受的剪应力逐渐减小。

3)随着含水层水压的增加，在工作面推进至断层50m时，断层上、下盘界面所受的正应力逐渐增大，断层上、下盘所受的剪应力也随之增加；水压越大，断层突水危险性就越大。

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