張學(xué)博，王 豪，沈帥帥

（1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003；3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；4.河南神火煤電股份有限公司，河南 永城 476600）

0 引 言

斷層作為一種地質(zhì)構(gòu)造，嚴(yán)重危害到采煤工作面的順利推進(jìn)，甚至對井下作業(yè)人員的生命安全造成威脅。 早在20 世紀(jì)，國內(nèi)外就充分認(rèn)識到斷層的危害以及查明斷層破壞規(guī)律的重要性［1-2］，開始運(yùn)用理論研究和數(shù)值模擬來研究斷層的采動活化規(guī)律。 21 世紀(jì)以來，煤礦開采深度逐漸加大［3-4］，斷層成為開采過程中不容忽視的一個(gè)重要危險(xiǎn)源。 不論是在斷層上盤開挖還是下盤開挖，都會使垂直斷層面在自重體積力作用下表現(xiàn)出具有正斷層方式的錯動，錯距由上到下逐漸減少到0［5］。 斷層傾角越大，斷層越容易活化與突水［6］；斷層附近的水平位移呈現(xiàn)出馬鞍形，證實(shí)了斷層附近發(fā)生了滑移錯動［7］。 下盤采動對斷層的影響范圍更為集中，活化危險(xiǎn)性更高［8］。 覆巖重力以及采空區(qū)巖層下滑力疊加作用下容易使得斷層下盤巖體以某一軸線發(fā)生扭轉(zhuǎn)，增大了沖擊危險(xiǎn)性［9］。 逆斷層下盤工作面煤層直接頂斷層帶活化的可能性大于上盤工作面，高位巖漿巖斷層帶活化的可能性小于下盤工作面［10］。 通過數(shù)值模擬軟件分析礦體開挖過程中斷層屬性對斷層活化滑移量以及釋放能量的影響，發(fā)現(xiàn)斷層內(nèi)摩擦角對其影響最為強(qiáng)烈［11］；模擬不同水平應(yīng)力下斷層的滑移，提出水平應(yīng)力是煤層開采誘發(fā)斷層滑動的主要驅(qū)動力［12］。 開采層上方斷層先于開采層下方斷層“活化”［13］；對于落差較大、上下盤應(yīng)力差較大的斷層，活化非常強(qiáng)烈［14］。 煤體承載力的局部失效會引起斷層的滑移［15］，斷層滑移對工作面煤體的作用形式表現(xiàn)為非穩(wěn)態(tài)的沖擊和加卸載作用［16］。 垂直于斷層的工作面對斷層的擾動作用遠(yuǎn)小于平行于斷層的工作面，前者引起動力災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)要低得多［17-18］。 斷層滑移滯后于煤巖體中應(yīng)變能的劇烈釋放，應(yīng)變能峰值＂突降＂現(xiàn)象可作為判斷斷層滑移失穩(wěn)的前兆［19］。 斷層切割形成斷層煤柱與覆巖異形結(jié)構(gòu)，斷層傾向與阻隔效應(yīng)，以及硬厚巖層持久懸空對采動應(yīng)力及潛在沖擊危險(xiǎn)區(qū)均存在顯著影響［20］。 上述研究主要針對巖層應(yīng)力演化因素而開展研究，就斷層對采空區(qū)上層覆巖運(yùn)移破壞及滲透性的影響特性理解不夠。 筆者利用數(shù)值模擬方法，分析不同傾角和不同斷距的斷層對覆巖破壞及滲透性的影響，為煤礦回采工作面過斷層時(shí)巷道支護(hù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 地質(zhì)模型與模擬方法

以河南神火煤電股份有限公司薛湖煤礦25030工作面為工程背景。 該工作面位于礦井東翼25 采區(qū)，水平標(biāo)高-780 m，地面標(biāo)高+37.5 m，工作面標(biāo)高-725～-635 m。 工作面煤層厚度0.5 ～3.2 m，平均厚度2.2 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單；煤層傾角15°～2°，平均11°；走向長度1 022 m，傾斜長度195 m，面積174 442 m2。 工作面開切眼附近有巖漿巖侵入，造成煤層變薄，對回采有一定影響。 煤質(zhì)為貧煤，煤巖類型以亮煤為主，硬度較大，為Ⅱ～Ⅲ類，構(gòu)造煤不發(fā)育。 煤層頂?shù)装鍘r層情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装寮捌鋷r性組成Table 1 Roof and floor coal seam its lithologic composition

結(jié)合礦井地質(zhì)報(bào)告，確定煤層及巖層模型的力學(xué)參數(shù)見表2。 結(jié)合工作面實(shí)際煤巖層情況及模擬需要，物理模型尺寸確定為600 m（長）×60 m（高）。假設(shè)斷層穿過整個(gè)煤巖層，模擬煤層埋深817.5 m，頂部均勻施加20.4 MPa 的垂直應(yīng)力，左右邊界水平位移設(shè)為0，下邊界垂直位移設(shè)為0。 采用摩爾-庫倫模型，左邊界留寬150 m 煤柱以消除邊界效應(yīng)，從150 m 處開挖長200 m 的工作面至350 m 處，每步開挖10 m，平衡后繼續(xù)開挖下一步。 為研究方便，分別在距離煤層底板2、14、21、28、41 m 處設(shè)置位移監(jiān)測線L1～L5（圖1）。

表2 煤層及覆巖力學(xué)性質(zhì)Table 2 Mechanical properties of coal seam and overburden strata

圖1 數(shù)值模擬地質(zhì)模型示意Fig.1 Schematic diagram of geological model for numerical simulation

UDEC 數(shù)值模擬軟件是一種離散元數(shù)值模擬軟件，針對非連續(xù)介質(zhì)的平面離散單元數(shù)值模擬方法，它已經(jīng)在巖土、采礦、地質(zhì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 該軟件應(yīng)用在巖土力學(xué)模擬方面具有優(yōu)勢，能夠模擬塊體的運(yùn)動，并且考慮塊體運(yùn)動可能出現(xiàn)的不連續(xù)現(xiàn)象，能較好地模擬巖層離層現(xiàn)象。 利用該軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，其具體流程方法如圖2 所示。

圖2 UDEC 數(shù)值模擬軟件流程Fig.2 Flow chart of UDEC numerical simulation software

2 斷層影響下的采空區(qū)上覆巖層動態(tài)破壞特性

選取傾角45°、水平斷距4 m、落差1 m 的正斷層，從150 m 處開挖，模擬得到工作面位于斷層前70、40、20 m 及過斷層10、30、60 m 時(shí)覆巖破壞特性。 由圖3 可以看出：

1）工作面距離斷層較遠(yuǎn)時(shí)（70、40 m），采空區(qū)覆巖未受到斷層擾動。 工作面推進(jìn)50 m 距斷層70 m時(shí)，第一次周期來壓，基本頂垮落至采空區(qū)。基本頂上部覆巖平均下沉量1.53 m，基本頂平均下沉量1.78 m。

2）隨著工作面不斷推進(jìn)，工作面逐漸接近斷層，距斷層20 m 時(shí)，斷層出現(xiàn)滑移，由圖3c 可以看出，斷層面所在位置以及附近的位移矢量，并不是垂直向下，而是出現(xiàn)斜向下的趨勢，下盤沿著斷層出現(xiàn)滑移比較明顯。 受到斷層下盤沿著斷層滑移錯位形成的支撐力，斷層面附近的上盤下沉量相較下盤出現(xiàn)明顯下降。

3）工作面過斷層10 m 處，開挖后采空區(qū)上方覆巖位移出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，即覆巖并不會在煤層采空后馬上出現(xiàn)位移，而是在采空區(qū)向前推進(jìn)后才開始逐漸下沉，并且上盤下沉量小于下盤，上盤平均下沉量為1.36 m，下盤平均下沉量為1.89 m。

4）工作面過斷層60 m，覆巖受到斷層的影響逐漸減弱，位移逐漸符合無斷層開采覆巖移動規(guī)律。此時(shí)采空區(qū)及上方覆巖位移趨于穩(wěn)定，斷層面附近上盤覆巖位移小于下盤，上盤楔形頭部的平均下沉量為1.5 m，下盤對應(yīng)位置的平均下沉量為1.89 m。覆巖位移在工作面過斷層40 m 左右的位置開始恢復(fù)正常，呈現(xiàn)與未受斷層擾動時(shí)相同的位移規(guī)律。

整個(gè)過程中，下盤沉降位移主要以下沉為主，上盤受到斷層影響，楔形頭部受到斷層滑移的支撐，巖層垮落不充分，因而下沉量小于下盤。

開挖200 m 進(jìn)入平衡狀態(tài)后，可以認(rèn)為覆巖垮落已充分進(jìn)行。 對位移矢量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)未受斷層擾動時(shí)，在距離底板8 m 和29 m 高處，位移矢量的密集程度有明顯降低。 垮落帶基本垮落至采空區(qū)，上方巖層下落又逐漸壓緊，垮落帶內(nèi)部的間隙會被大幅度壓縮，而上方斷裂帶內(nèi)部存在裂隙，有一定的支撐作用，且上方彎曲下沉帶的巖層主要以彎曲變形為主，對下方斷裂帶的壓力相對于斷裂帶給垮落帶的壓力較小，因而其位移矢量相較垮落帶更加疏松。

結(jié)合已有研究結(jié)論，認(rèn)為垮落帶和斷裂帶分界線如圖4 所示。 在未受斷層擾動時(shí)，垮落帶高度為8 m，斷裂帶高度為29 m。 受到斷層影響時(shí)，斷層對上盤覆巖影響較大，上盤斷層附近垮落帶高度為14 m，斷裂帶高度為32 m。 斷層的存在，對斷層附近上盤覆巖的影響較大，使其下沉量減小，并使垮落帶和斷裂帶高度增加，垮落帶高度增加的更明顯。在工作面遠(yuǎn)離斷層之后，覆巖的下沉規(guī)律又恢復(fù)如初，呈現(xiàn)與下盤遠(yuǎn)端相同的下沉規(guī)律。

圖4 覆巖“三帶”劃分Fig.4 Division diagram of overburden “three zones”

3 斷層傾角及水平斷距對采空區(qū)上覆巖層破壞特性影響分析

3.1 斷層傾角對采空區(qū)上覆巖層破壞特性影響

將斷層傾角分別設(shè)置為15°、30°、45°、60°以及75°，斷層水平斷距設(shè)置為4 m。 記錄各個(gè)巖層位移監(jiān)測線L1～L5的下沉量，及開挖200 m 之后的上覆巖層位移（圖5）。

圖5 不同傾角開挖200 m 之后的上覆巖層位移及下沉量Fig.5 Overburden strata displacement and subsidence after excavation of 200 m at different dip angles

當(dāng)工作面從距斷層破碎帶較遠(yuǎn)處向斷層推進(jìn)，直至穿過斷層一段距離之后，巖層應(yīng)力得到充分釋放達(dá)到平衡狀態(tài)以后，有無斷層存在對巖層位移狀態(tài)影響很大。 斷層下盤滑移錯位容易在斷層面形成支撐，阻礙上盤覆巖的沉降，所以上盤下沉量相對于下盤在斷層附近有明顯的下降，下沉量差值最大可達(dá)1 m，在斷層傾角75 °時(shí)出現(xiàn)，此時(shí)斷層對開挖造成的危險(xiǎn)最大。 這種對上盤垮落帶的支撐作用在傾角越小時(shí)作用越大，在斷層傾角為45°時(shí)，斷層上方距底板2 m 高度處，覆巖位移出現(xiàn)明顯下降，由平均1.83 m 下降至平均1.3 m；但是斷層對整個(gè)上盤巖層影響的范圍，在15°左右達(dá)到影響范圍的最大值（水平和垂直方向），可以影響到距斷層水平距離50 m遠(yuǎn)處，上至上邊界。

3.2 水平斷距對采空區(qū)上覆巖層破壞特性影響

為研究斷層水平斷距對上覆巖層的采動影響，將斷層水平斷距設(shè)置為2、4、6、8、10 m，斷層傾角設(shè)置為45°，記錄各個(gè)巖層位移監(jiān)測線L1～L5的下沉量，不同水平斷距時(shí)模擬開挖200 m 后采空區(qū)上覆巖層移動破壞情況如圖6 所示。

斷層水平斷距的大小對上覆巖層的影響，具體表現(xiàn)為上盤的下沉量受斷層水平斷距的影響，相對于無斷層影響時(shí)大幅減小。 斷層水平斷距的寬度，影響斷層正上方巖層位移，水平斷距越寬，垮落位移越大。 水平斷距越寬，斷層上盤受到斷層的支撐力越大，過斷層后上盤覆巖的位移越小，表現(xiàn)在圖中的開采距離100～150 m 附近的下沉量數(shù)值越小，水平斷距為10 m 時(shí)，上盤覆巖位移最小，平均為1.58 m。斷層水平斷距越寬，斷層上下盤下沉量差值越大，表現(xiàn)在圖6 中距底板2 m 高度的覆巖位移曲線上凸面積越小，工作面過斷層時(shí)危險(xiǎn)性越大。

圖6 不同水平斷距開挖200 m 之后的覆巖位移云圖及下沉量Fig.6 Overburden displacement and subsidence after excavation of 200 m at different horizontal separation

3.3 斷層傾角及水平斷距對上覆巖層滲透性綜合影響

上覆巖層孔隙率分布，代表著其內(nèi)部的孔隙和離層間隙的分布情況，查明孔、裂隙分布，需要計(jì)算破碎后的巖體體積與原巖體積的差值占破碎巖體體積的比例，用下式表示：

式中：φ為孔隙率；V1為原巖體積；V2為破碎巖體積；hi、hi+1分別為第i、i+1 層巖石下沉后高度；Hi、Hi+1分別為第i、第i+1 層巖石下沉前高度；Wi為第i層巖石下沉量；Mi為第i層原巖厚度。

計(jì)算結(jié)果顯示，在斷層影響下，孔隙率突然上升，這是因?yàn)閿鄬踊罨笙卤P對上盤的支撐作用，影響了上盤巖層的垮落，上盤巖層的應(yīng)力不能集中施加于斷層附近的破碎巖，因而不能完全壓實(shí)，孔隙率相對于鄰近的采空區(qū)呈現(xiàn)跳躍式的上升（圖7a）。水平斷距相同時(shí)，斷層傾角不同，這種跳躍式的增長影響的范圍不同，在75°時(shí)影響范圍和上升幅度較小。 斷層造成的孔隙率上升相當(dāng)于未受斷層影響時(shí)的5.08～10 倍，隨著斷層傾角的增加，斷層造成的垮落帶孔隙率上升幅度隨之減小。 斷層傾角越小，斷層對上方巖層的影響范圍和上升幅度就越大，對應(yīng)圖7 中曲線上凸的面積越大，且斷層的影響開始出現(xiàn)的位置距離越近，傾角15°時(shí)在距斷層40 m 就開始出現(xiàn)擾動，傾角75°時(shí)到接近斷層才開始出現(xiàn)擾動。

水平斷距不同時(shí)，斷層附近孔隙率上升幅度不同，相當(dāng)于未受斷層影響時(shí)的7.65 ～9.84 倍不等，隨著水平斷距的加大，斷層上方垮落帶垮落更充分，導(dǎo)致孔隙率雖有上升卻相對于水平斷距較窄時(shí)上升幅度更?。▓D7b）。 過斷層后，水平斷距不同，垮落帶垮落的情況也有差別：水平斷距越大，下盤對上盤支撐作用影響的范圍越遠(yuǎn)，導(dǎo)致斷層上方垮落帶出現(xiàn)較大的孔隙率，表現(xiàn)在圖7b 中的150 m 左右對應(yīng)的孔隙率回落較小，且回落至拐點(diǎn)的位置更靠后。 這種情況的出現(xiàn)，說明水平斷距越大，斷層上盤不同水平位置的垮落情況越是參差不齊，危險(xiǎn)性越大。

圖7 垮落帶孔隙率分布Fig.7 Porosity distribution of caving zone

如圖8a、圖8b 所示，斷裂帶在斷層的影響下也出現(xiàn)孔隙率上升，在斷層附近出現(xiàn)大幅上升。 水平斷距相同而斷層傾角不同時(shí)，斷層附近斷裂帶孔隙率上升幅度相當(dāng)于未受斷層影響時(shí)的8.38 ～20.64倍，最為明顯的是45°，上升幅度相當(dāng)于未受擾動時(shí)的20.64 倍，孔隙率在斷層附近出現(xiàn)顯著增加，呈現(xiàn)的趨勢符合斷層傾角越大，孔隙率越大。 另一方面，斷層傾角相同而水平斷距不同時(shí)，斷層附近的斷裂帶孔隙率上升幅度為未受斷層影響時(shí)的10.65 ～20.60倍，水平斷距4 m 時(shí)上升幅度最大，呈現(xiàn)的趨勢符合水平斷距越大，孔隙率越小。 斷層所在采空區(qū)正上方垮落帶和斷裂帶的下沉量測線L6和孔隙率分布如圖9、圖10 所示。

圖8 斷裂帶孔隙率分布Fig.8 Porosity distribution of fracture zone

圖9 斷層所在采空區(qū)正上方垮落帶和斷裂帶的下沉量測線Fig.9 Subsidence measuring line of caving and fracture zones over goaf where the fault is located

由圖10a 可以看出：斷層正上方垮落帶孔隙率與傾角關(guān)系總體呈逐漸先上升后下降趨勢，隨著傾角的增大，斷層對上方覆巖的支撐作用先上升后下降，在45°達(dá)到最大；而斷裂帶的孔隙率隨著角度的增加呈逐漸上升趨勢；斷層傾角越大，過斷層后斷層垮落帶垮落越嚴(yán)重，同時(shí)斷裂帶出現(xiàn)更多不穩(wěn)定巖塊，大大增加了垮落危險(xiǎn)性。

垮落帶覆巖孔隙率與斷層水平斷距關(guān)系大體上呈先上升后下降趨勢（圖10b）。 水平斷距越寬，斷層對上方覆巖的支撐作用就越小，覆巖垮落之后被壓得越緊實(shí)，而斷裂帶孔隙率隨水平斷距的增加略微上升。 結(jié)合垮落帶孔隙率變化規(guī)律，說明水平斷距越寬，工作面過斷層垮落危險(xiǎn)性更大。

圖10 斷層正上方孔隙率變化Fig.10 Porosity changes over fault

4 結(jié) 論

1）正斷層下盤開采，在斷層前方30 m 開始，斷層內(nèi)部開始出現(xiàn)自上而下滑移，對上盤巖層形成一定的支撐作用，阻礙上盤巖層的沉降，下盤的位移明顯大于上盤。 同時(shí)斷層上方“三帶”出現(xiàn)波動：未受斷層影響時(shí)，垮落帶高度為8 m，斷裂帶高度為29 m；受到斷層影響，垮落帶高度14 m，斷裂帶高度為32 m。

2）斷層傾角越大，斷層對上盤覆巖支撐作用的影響范圍越小，斷層滑移形成的錯位越嚴(yán)重，對開采危險(xiǎn)性越大。 且斷層的影響開始出現(xiàn)的位置距離越近，傾角15 °時(shí)在距斷層40 m 就開始出現(xiàn)擾動，傾角75 °時(shí)到斷層附近才開始出現(xiàn)擾動。 斷層水平斷距越寬，斷層上盤受到斷層的支撐力越大，過斷層后上盤覆巖的位移越??；斷層水平斷距越寬，斷層下盤下沉量越大，工作面過斷層時(shí)危險(xiǎn)性越大。

3）斷層導(dǎo)致附近孔隙率呈現(xiàn)跳躍式的上升，斷層傾角越大，孔隙率上升幅度越小；隨著斷層傾角的增加，斷層正上方垮落帶孔隙率呈先上升后下降趨勢，在45 °達(dá)到最大，而斷裂帶孔隙率隨著斷層角度的增加呈逐漸上升趨勢；隨著斷層水平斷距的增加，垮落帶覆巖孔隙率大體上呈先上升后下降趨勢，而斷裂帶的孔隙率略微上升。

4）綜合來看，斷層傾角越大，水平斷距越寬，過斷層時(shí)覆巖垮落危險(xiǎn)性更大；斷層傾角越小，水平斷距越小，采空區(qū)垮落帶裂隙發(fā)育更充分，可能成為瓦斯逸散的優(yōu)勢通道。