王 林，王衛(wèi)軍，黃 俊，張永青

(湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院， 湖南湘潭市 411201)

超前支承壓力對(duì)斷層活化影響的數(shù)值分析*

王 林，王衛(wèi)軍，黃 俊，張永青

(湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院， 湖南湘潭市 411201)

應(yīng)用FLAC－3D對(duì)工作面前方的移動(dòng)支承壓力對(duì)斷層活化的影響作用進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明:在斷層上盤回采過(guò)程中，隨工作面推進(jìn)，斷層周圍的垂直應(yīng)力和剪應(yīng)力發(fā)生劇烈變化，在距離斷層帶45 m時(shí)，斷層已完全活化;支承壓力對(duì)斷層上下盤巖體位移量也產(chǎn)生顯著影響，且斷層上盤的應(yīng)力和位移變化量明顯大于斷層下盤應(yīng)力和位移的變化量。

斷層活化;超前支承壓力;FLAC－3D;應(yīng)力分布

礦井突水嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)，研究結(jié)果表明，79.5%的煤礦工作面頂?shù)装逋凰鹿逝c斷層相關(guān)。由于煤層開采后，處于自然平衡狀態(tài)的應(yīng)力場(chǎng)將發(fā)生改變，原巖應(yīng)力重新分布，而斷層對(duì)工作面前方的應(yīng)力分布產(chǎn)生極其顯著的影響，破壞工作面的安全生產(chǎn)。當(dāng)工作面的移動(dòng)支承壓力波及到斷層影響帶而發(fā)生斷層“活化”時(shí)，容易引起突水等地質(zhì)災(zāi)害。很多學(xué)者對(duì)斷層“活化”的機(jī)理進(jìn)行研究[1～3]，并且取得了豐碩的成果。但由于斷層賦存的復(fù)雜性、斷層產(chǎn)狀的多變性以及煤層開采條件不同，斷層“活化”機(jī)理呈現(xiàn)多樣性。本文利用FLAC－3D對(duì)某礦工作面前方的支承壓力對(duì)斷層“活化”進(jìn)行研究。

1 數(shù)值計(jì)算模型

本文利用FLAC－3D連續(xù)介質(zhì)有限差分程序[5]進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)某礦的地質(zhì)資料，建立的數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示，長(zhǎng)、寬、高分別是250，100和200 m，其中斷層的參數(shù)為法向剛度5.56GPa，切向剛度 5.56GPa，內(nèi)摩擦角 15°，內(nèi)聚力 1e3 Pa。其他巖層參數(shù)如表1所示。

采用摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行運(yùn)算，模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底面限制垂直移動(dòng)，上部設(shè)置為自由面。開采深度為500 m，在模型上部邊界的法向方向上施加10MPa的力。

模擬開挖前進(jìn)行初始應(yīng)力平衡，應(yīng)力平衡后垂直應(yīng)力分布見圖2。由圖2可知，在原巖應(yīng)力狀態(tài)下，受斷層的影響，分布在斷層周圍的垂直應(yīng)力變化幅度比較大，并且隨著與斷層帶距離的加大，垂直應(yīng)力的分布漸趨于平緩。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)?在地質(zhì)構(gòu)造作用后期，斷層帶周圍的巖體的應(yīng)力沒(méi)有得到完全釋放，使其積蓄大量的殘余應(yīng)力，因此導(dǎo)致處于斷層帶周圍巖體的應(yīng)力出現(xiàn)劇烈波動(dòng)的現(xiàn)象。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

表1 巖層參數(shù)

圖2 原巖應(yīng)力狀態(tài)下垂直應(yīng)力分布

工作面布置在斷層上盤，開切眼位置如圖1所示，逐步向斷層附近推移。模擬開挖的過(guò)程中，為了能夠了解工作面超前支承壓力對(duì)斷層帶的影響，在工作面推進(jìn)的過(guò)程中，對(duì)斷層上、下盤鄰近的單元體和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力和位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的單元體1、2位置如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

在工作面的推進(jìn)過(guò)程中，不同開挖步數(shù)的垂直應(yīng)力分布如圖3所示。由圖3可知，開挖第1步時(shí)，斷層帶周圍的應(yīng)力分布同原巖應(yīng)力狀態(tài)時(shí)應(yīng)力分布相同;當(dāng)開挖第9步時(shí)，由于受工作面超前支承壓力的影響，斷層帶周圍呈現(xiàn)應(yīng)力劇烈變化的現(xiàn)象，并且斷層帶附近的應(yīng)力明顯增大。隨開挖步數(shù)的增加，應(yīng)力變化逐步平緩，應(yīng)力峰值遠(yuǎn)離斷層帶。

圖3 不同開挖步數(shù)的垂直應(yīng)力分布

由圖4、圖5可知，當(dāng)工作面與斷層距離較遠(yuǎn)時(shí)，隨工作面推進(jìn)，垂直應(yīng)力基本相同，剪應(yīng)力的變化幅度基本一致;隨工作面向前推進(jìn)，當(dāng)開挖第9步時(shí)(工作面距離斷層45 m)，斷層上下盤的垂直應(yīng)力呈降低的趨勢(shì)，斷層上下盤的剪應(yīng)力隨工作面推進(jìn)呈增加趨勢(shì);當(dāng)工作面距離斷層帶30 m左右時(shí)，剪應(yīng)力逐漸減小;當(dāng)距離接近10 m時(shí)，斷層上盤的剪應(yīng)力呈反向增加。在監(jiān)測(cè)的斷層上下盤單元體的應(yīng)力變化過(guò)程中，斷層上盤應(yīng)力變化速度比斷層下盤的應(yīng)力變化速度要快。

圖4 斷層上下盤垂直應(yīng)力變化

圖5 斷層上下盤剪應(yīng)力變化

在斷層上下盤的鄰近位置取節(jié)點(diǎn)對(duì)水平方向(X)、垂直方向(Z)的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 斷層節(jié)點(diǎn)X方向位移

圖7 斷層節(jié)點(diǎn)Z方向位移

由圖6、圖7可知，隨工作面的推進(jìn)，斷層上盤節(jié)點(diǎn)的位移變化量明顯比斷層下盤節(jié)點(diǎn)的位移變化量要大;當(dāng)開挖第9步(工作面距離斷層45 m)時(shí)，X方向位移和Z方向位移變化量開始發(fā)生顯著變化，隨工作面推進(jìn)，位移逐漸增加;當(dāng)工作面當(dāng)距離斷層帶30 m左右時(shí)，位移變化量均達(dá)到最大值;隨工作面的繼續(xù)推進(jìn)，斷層上下盤的位移量均逐漸減小。

對(duì)圖3～圖7進(jìn)行分析，當(dāng)工作面距離斷層帶很遠(yuǎn)時(shí)，工作面與斷層帶間的巖體未全部受到應(yīng)力的影響，仍處于原巖應(yīng)力狀態(tài);隨工作面的推進(jìn)，工作面超前支承壓力開始擾動(dòng)斷層帶附近的殘余應(yīng)力場(chǎng)，由于斷層上、下盤巖體的力學(xué)差異性，應(yīng)力及位移出現(xiàn)不同的變化規(guī)律，且斷層帶上、下盤的巖體在高應(yīng)力的作用下發(fā)生破壞;在斷層完全活化后，斷層帶周圍的應(yīng)力峰值降低，從而使應(yīng)力變化規(guī)律與位移變化量又趨于一致。

因此，工作面前方的支承壓力不僅對(duì)斷層周圍巖體的應(yīng)力分布產(chǎn)生明顯影響，而且對(duì)斷層上下盤巖體的位移量也產(chǎn)生顯著影響。

3 結(jié)論與展望

(1)工作面前方的移動(dòng)支承壓力擾動(dòng)斷層周圍的應(yīng)力分布。在斷層上盤開采過(guò)程中，工作面距離斷層帶45 m左右的距離時(shí)，斷層活化;斷層活化過(guò)程中，斷層上、下盤鄰近巖體的應(yīng)力和位移的變化量、變化率均表現(xiàn)為斷層上盤明顯大于斷層下盤。

(2)若斷層貫穿含水層，由于水化作用，斷層帶附近巖體的強(qiáng)度將降低。受工作面采動(dòng)影響導(dǎo)致斷層活化后，含水層內(nèi)的承壓水將通過(guò)斷層沿著裂隙的擴(kuò)展，當(dāng)承壓水達(dá)到工作面前方時(shí)，如果不采取加固措施(注漿等)，可能導(dǎo)致工作面突水事故的發(fā)生。

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湖南省科技廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2009FJ2005).

2010－12－23)

王 林(1985－)，男，山東威海人，碩士研究生，主要從事巷道圍巖控制研究，Email:wanglin850524@163.com。