于秋鴿，張華興，鄧偉男，張剛艷

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013)

斷層是礦山開采活動中經(jīng)常遇到的地質(zhì)構(gòu)造之一，斷層通常具有一定的寬度，斷層帶內(nèi)巖體主要以砂礫巖、角礫巖在伊利石、蒙阜石、伊蒙、混層、綠泥石以及少量的其他黏土類礦物，比如高嶺石和獨沸石的膠結(jié)作用下形成[1-2]，斷層帶巖體裂隙發(fā)育并且斷層帶巖體內(nèi)往往含水，斷層的存在破壞了巖層的連續(xù)性和完整性，一直以來都是影響煤礦安全開采的重要因素，比如沖擊礦壓、礦井突水、地表在斷層露頭處的臺階式下沉等很多礦井災(zāi)害與開采損害都是因為開采造成斷層活化導(dǎo)致的[3-5]。目前，關(guān)于采礦造成斷層活化機理的研究比較多，朱廣安等將斷層視為地層中的弱面，基于關(guān)鍵層理論建立了斷層面正應(yīng)力和剪應(yīng)力計算公式并認為開采造成的斷層面正應(yīng)力和剪應(yīng)力變化是斷層活化的直接原因[6]；黎良杰等認為斷層活化突水機理是因為斷層兩盤在關(guān)鍵層部分產(chǎn)生了過大的張開位移或在關(guān)鍵層部位導(dǎo)致強度破壞[7]；張華興、吳侃等認為在開采沉陷學(xué)中斷層活化是因為開采造成斷層面產(chǎn)生離層空間[8-9]。但以往的研究通常將斷層視為一個面而較少研究斷層帶巖體性質(zhì)對斷層活化的影響，并且通常不考慮水的作用，而水對巖體不僅有物理作用還具有化學(xué)作用[10]。斷層帶巖體一般比較破碎，存在很多原始裂隙，采動影響下的斷層活化應(yīng)是斷層帶巖體損傷累積而導(dǎo)致裂隙發(fā)育擴展的結(jié)果。本文以斷層帶巖體內(nèi)單個原始小裂隙為研究對象，利用斷裂力學(xué)建立水壓作用下斷層帶巖體裂隙發(fā)育擴展力學(xué)模型，分析斷層水的存在對斷層帶巖體裂隙損傷擴展的影響。

1 斷層帶巖體裂隙擴展判別準則

斷層帶巖體裂隙隨機分布，以圖1所示的斷層帶巖體中長度為2a的單個原始小裂隙為研究對象。

圖1 斷層帶巖體單裂隙力學(xué)模型

對裂隙面進行應(yīng)力狀態(tài)分析可知裂隙面所受正應(yīng)力σα和剪應(yīng)力τα分別為[11]：

(1)

式中，σx為采動造成的斷層帶巖體的水平應(yīng)力，MPa；σy為采動造成的斷層帶巖體的垂直應(yīng)力，MPa；α為裂隙與垂直方向的夾角，(°)。

由(1)式可知，裂隙面上既受正應(yīng)力，又受剪應(yīng)力，裂隙擴展規(guī)律應(yīng)屬于Ⅰ-Ⅱ型。針對于裂隙Ⅰ-Ⅱ型復(fù)合擴展，裂隙尖端應(yīng)力強度因子為[12]：

(2)

式中，KΙ為Ⅰ型裂隙擴展時裂隙尖端應(yīng)力強度因子，MPa·m1/2；KⅡ為Ⅱ型裂隙擴展時裂隙尖端應(yīng)力強度因子，MPa·m1/2；σ為裂隙面有效正應(yīng)力，MPa；τ為裂隙面有效剪應(yīng)力，MPa。

當(dāng)裂隙面有效正應(yīng)力為拉應(yīng)力時，裂隙擴展應(yīng)屬于拉剪擴展，當(dāng)裂隙面有效正應(yīng)力為壓應(yīng)力時，裂隙面擴展屬于壓剪擴展。針對于復(fù)合型裂隙擴展判別準則，有最大周向應(yīng)力理論，應(yīng)變能密度因子理論及能量釋放率理論，但這些準則普遍計算繁瑣，本文裂隙擴展采用工程中近似裂隙擴展準則。

針對Ⅰ-Ⅱ拉剪復(fù)合型，其裂隙擴展判別準則可表示為[13]：

KⅠ+KⅡ=KⅠc

(3)

式中，KⅠc為Ⅰ型裂隙擴展韌度，MPa·m1/2。

針對Ⅰ-Ⅱ壓剪復(fù)合型，其裂隙擴展判別準則可表示為[14]：

λKⅠ+|KⅡ|=KⅡc

(4)

式中，λ為壓剪參數(shù)，取決于巖石的壓剪特性，一般由實驗測定；KⅡc為Ⅱ型裂隙擴展韌度，MPa·m1/2。

2 水對斷層帶巖體裂隙擴展影響分析

當(dāng)斷層帶巖體裂隙內(nèi)存在壓力為p的孔隙水并且假定孔隙水沿裂隙各個方向的作用力相等時，裂隙面有效正應(yīng)力為：

(5)

由式(2)、(5)可知：當(dāng)斷層帶巖體含水時將會導(dǎo)致裂隙面有效正應(yīng)力σ減小，裂紋尖端的應(yīng)力強度因子KI增大。

當(dāng)斷層帶巖體裂隙為未閉合裂隙時，裂隙水壓力對裂隙面上的剪切力沒有影響；當(dāng)斷層帶巖體裂隙為閉合裂隙時，裂隙水壓力將在裂隙面產(chǎn)生反方向的剪切應(yīng)力τ水為：

τ水=(σα-p)tanφ+c

(6)

因此未閉合和閉合裂隙面有效剪應(yīng)力為：

(7)

由式(2)、(7)可知：當(dāng)斷層帶巖體裂隙為未閉合裂隙時，孔隙水壓力對裂隙尖端應(yīng)力強度因子KⅡ不產(chǎn)生影響；當(dāng)斷層帶巖體裂隙為閉合裂隙時，孔隙水壓力將導(dǎo)致裂隙尖端應(yīng)力強度因子KⅡ增大。由式(3)、(4)可知：無論斷層帶巖體裂隙是拉剪還是壓剪擴展，當(dāng)裂隙尖端應(yīng)力強度因子增大時，裂隙將更容易擴展，也就是說當(dāng)斷層帶巖體含水時對斷層損傷活化具有促進作用。

3 數(shù)值模擬驗證

根據(jù)峰峰礦區(qū)某礦工作面具體采礦地質(zhì)條件建立數(shù)值模型，工作面走向長600m，傾斜長100m，煤層平均厚度5m，平均埋深525m，煤層傾角0°，松散層厚度20m。在工作面西北部揭露正斷層，斷層落差10m，傾角70°，斷層帶寬度5.6m。斷層走向近似與工作面傾向平行，留設(shè)斷層保護煤柱50m，工作面近似垂直于斷層走向推進。斷層與工作面的相對位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 斷層與工作面相對位置關(guān)系

根據(jù)工作面附近鉆孔資料，工作面上覆巖層及實測巖性參數(shù)如表1所示。

建立模型大小為1328.98m×300m×625m(長×寬×高)，考慮到沉陷影響范圍，模型四周各留設(shè)一定寬度的保護煤柱，模型除了上邊界外全部采用固定約束，建立三維地質(zhì)模型如圖3所示。

表1 工作面上覆巖層及其巖性參數(shù)

圖3 工作面三維地質(zhì)模型

為了研究斷層帶巖體含水情況對斷層面離層空間的影響，在圖3所示的斷層帶巖體中注水，分別取斷層帶巖體和其余層狀巖體的滲透率為1.02×10-10m2，1.02×10-12m2；水的密度為1kg/m3；水的體積模量為0.1GPa[15]。孔隙水壓力p采用FLAC3D內(nèi)置fish語言設(shè)定，代碼如下：

def_pp

_pnt=gp_head

loop while _pnt#null

if gp_group(_pnt，1)='duanceng' then

_xpos=gp_xpos(_pnt)

_ypos=gp_ypos(_pnt)

_zpos=gp_zpos(_pnt)

_zbz=h；設(shè)置斷層帶水頭高度為h

if _zpos>_zbz then

gp_pp(_pnt)=0

gp_sat(_pnt)=0

else

gp_pp(_pnt)=(_zbz-_zpos)*(9.8)*1000

gp_sat(_pnt)=1

endif

else

gp_pp(_pnt)=0

gp_sat(_pnt)=0

endif

_pnt=gp_next(_pnt)

end_loop

end

@_pp

采用固液耦合模式分析采動作用下斷層帶巖體是否含水對斷層帶巖體損傷活化的影響。在開采沉陷中，斷層活化在地表的表現(xiàn)形式為地表在斷層露頭處產(chǎn)生臺階式下沉，故而本文以地表在斷層露頭處的下沉值大小來反映斷層帶巖體含水情況對斷層活化的影響。斷層帶巖體不同含水情況對應(yīng)的地表下沉值如圖4所示。

圖4 斷層帶巖體不同含水情況下的地表下沉曲線

由圖4可知，當(dāng)斷層帶巖體含水時，煤層開采造成的地表在斷層露頭處的臺階下沉落差更大，這也說明斷層帶巖體含水時，斷層帶巖體在采動影響下更容易損傷活化，文獻[16]利用現(xiàn)場實測也發(fā)現(xiàn)斷層原生水的存在對斷層活化具有促進作用，進一步驗證了研究結(jié)果正確性。

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)斷層帶巖體裂隙面既存在正應(yīng)力又存在剪應(yīng)力時，斷層帶巖體裂隙擴展屬于Ⅰ-Ⅱ型，基于斷裂力學(xué)推導(dǎo)得到Ⅰ-Ⅱ型裂隙擴展時裂隙尖端應(yīng)力強度因子表達式。

(2)斷層帶巖體裂隙擴展與裂隙尖端應(yīng)力強度因子正相關(guān)，當(dāng)斷層帶巖體裂隙為未閉合裂隙時，斷層原生水的存在僅使Ⅰ型裂隙尖端強度因子增加；當(dāng)斷層帶巖體裂隙為閉合裂隙時，斷層原生水的存在使Ⅰ、Ⅱ型裂隙尖端強度因子都增加。

(3)利用FLAC3D內(nèi)置fish語言對斷層帶巖體進行固液耦合計算，當(dāng)斷層帶巖體含水時，采動造成斷層露頭處的地表臺階下沉值更大，說明在采動影響下斷層原生水的存在對斷層活化具有促進作用。