魏世明， 王富瑩， 張澤升， 靳夢帆

（1. 河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003；2. 煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003）

0 引言

隨著煤炭開采深度和開采強度的增加，礦井沖擊地壓等動力災害日益加劇[1]。斷層沖擊地壓是沖擊地壓的一種，是指由于采礦活動引起斷層的突然相對錯動而猛烈釋放能量的現(xiàn)象，具有釋放能量多、震級高等特點[2]，與一般沖擊地壓相比，斷層沖擊地壓破壞性更強、影響范圍更大。斷層形式[3-4]、工作面開采方式[5]、斷層保護煤柱[6]及支承壓力[7]等對沖擊地壓的發(fā)生有著重要影響，眾多學者對此開展了大量研究。王學濱等[8]研究了正、逆斷層下盤開采時斷層及其附近煤層應力的時空分布規(guī)律，但對于上盤開采的情況未涉及。王濤等[9]研究了正斷層條件下推進方式對斷層圍巖應力演化規(guī)律的影響，對工作面分別沿斷層上下盤推進時的沖擊地壓危險性進行了分析，但沒有針對工作面開采時斷層面的滑移量變化進行研究。趙毅鑫等[10]、閔飛虎等[11]、趙善坤[12]分別借助數(shù)值模擬、相似模擬實驗等研究了逆斷層下盤開采對斷層面錯動失穩(wěn)的影響，并得出了回采擾動下斷層活化失穩(wěn)特征，但只考慮了逆斷層下盤開采的情況。陳學華等[13]分析了綜采工作面過正斷層時的沖擊地壓危險性，但沒有針對斷層類型對沖擊地壓的影響進行深入分析。任政等[14]分析了采動影響下逆斷層沖擊地壓的礦震時空分布規(guī)律，得出了采動下礦震事件頻次分布規(guī)律及對工作面沖擊地壓危險性的影響，但主要針對逆斷層條件，對正斷層時的沖擊地壓危險性沒有涉及。劉洪儒等[15]研究了正斷層下盤工作面推進過程中，斷層上下盤煤層支承壓力、頂板垂直應力及塑性區(qū)分布情況。許磊等[16]研究了逆斷層下盤工作面開采時的危險性，但對于上盤開采沒有涉及。

上述研究大部分圍繞下盤開采或單一斷層形式展開，而對于不同斷層上盤開采沖擊地壓危險性的對比研究較少涉及。鑒于此，本文以河南義馬耿村煤礦12220工作面地質(zhì)及開采條件為基礎，分別借助理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測等方法，研究了正、逆斷層上盤開采時斷層面的應力及滑移量變化規(guī)律，分析了不同斷層類型時沖擊地壓危險性。

1 正、逆斷層上盤開采力學模型

正、逆斷層上盤開采時，可通過構建力學模型對斷層面進行受力分析[17]，如圖1所示。

對斷層巖塊A受力狀態(tài)進行分析，以得出斷層受開采擾動的影響規(guī)律。沿垂直及水平方向的力學平衡方程為

式中：Pv，Ph分別為斷層面對巖塊A所施加的沿垂直、水平方向的作用力；T為斷層面對巖塊 B施加的水平力；Nτ，Nσ分別為煤層上的剪應力與正應力；Rτ，Rσ分別為上覆巖層的剪應力與壓應力；M為巖塊A的質(zhì)量；g為重力加速度。

將Pv，Ph分別沿斷層面進行分解，則沿斷層面的垂直作用力Fσ、 剪切作用力Fτ分別為

式中θ為斷層傾角，θ∈[0,π/2]。

斷層巖塊發(fā)生向上剪滑的力學條件為

式中φ為斷層內(nèi)摩擦角，φ∈[0,π/2]，θ+φ ∈[0,π]。

將式（2）代入式（3）可得

同理，斷層巖塊發(fā)生向下剪滑的力學條件為

可見，當工作面位于斷層上盤時，是否發(fā)生剪滑與斷層傾角、斷層面內(nèi)摩擦角及巖塊受到的斷層面作用力等因素密切相關。隨著工作面逐漸靠近斷層，受超前支承壓力的影響，斷層巖塊的受力狀態(tài)發(fā)生明顯變化，進而影響Pv/Ph值，鑒于斷層傾角θ、斷層內(nèi)摩擦角φ為常量，根據(jù)式（4）、式（5） 可判斷斷層發(fā)生剪滑的可能性將明顯增加，進而使沖擊地壓發(fā)生的傾向性增加。但工作面距斷層不同距離時巖塊的受力狀態(tài)不同，且應力變化復雜，基于此，開展了斷層面應力及滑移量變化過程的數(shù)值模擬研究，以分析不同條件下沖擊地壓危險性。

2 正、逆斷層上盤開采數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

借助FLAC3D三維數(shù)值模擬軟件，以河南義馬耿村煤礦F16斷層為研究背景，根據(jù)該礦12220工作面地質(zhì)條件，分別建立了正、逆斷層模型。模型尺寸均為600 m×200 m×300 m（長×寬×高），共劃分為204 002個單元、37 440個節(jié)點。模擬采深為500 m，在模型上邊界施加12.5 MPa的垂直應力。正斷層模型的前后和左右邊界施加水平約束，模型底部施加垂直位移約束；逆斷層模型的前后邊界施加水平約束，左右邊界施加水平壓應力，以模擬逆斷層時的水平構造應力，模型底部施加垂直位移約束。工作面沿走向方向推進，斷層面的模擬利用FLAC3D中的接觸面命令，接觸面法向剛度為2.0×107Pa，剪切剛度為5.0×107Pa，黏聚力為6×103Pa，內(nèi)摩擦角為20°，斷層傾角均為60°，落差為5 m。

將工作面分別布置在正、逆斷層的上盤，通過分析應力分布及圍巖變形情況，得出不同斷層條件下沖擊地壓危險性。模擬工作面向斷層逐漸開采的過程，每次開采后至穩(wěn)定應力狀態(tài)再進行下一步開采，分別監(jiān)測斷層面的應力及滑移量變化，采用FLAC3D中的History命令記錄歷史數(shù)據(jù)。每種斷層條件下分別進行5次開采，與斷層面距離分別為80，60，40，20，10 m。在正斷層面上設置3個監(jiān)測點a1，a2，a3，分別位于下盤煤層頂板以上10 m、煤層中及底板以下10 m；逆斷層面的監(jiān)測點b1，b2，b3分別設置在下盤煤層頂板10 m、煤層中及底板下10 m。斷層模型及測點布置如圖2所示。

圖 2 斷層模型及測點布置Fig. 2 Fault model and layout of measuring points

力學參數(shù)的選取根據(jù)耿村煤礦12220工作面實際地質(zhì)柱狀圖，并結合實際觀測數(shù)值進行綜合分析后確定，具體參數(shù)見表1 。

2.2 正斷層上盤開采沖擊地壓危險性分析

2.2.1 斷層面應力變化

工作面布置在正斷層的上盤，隨著工作面逐漸靠近斷層，斷層面應力變化如圖3所示。從圖3（a）可看出，開采過程中a1，a2處法向應力變化不明顯，表明開采過程對煤層頂板和煤層本身法向應力影響較小；a3處應力在工作面距斷層小于40 m后急劇下降，表明工作面開采對底板產(chǎn)生了較為明顯的影響，這主要是由于工作面開采后形成采空區(qū)，在底板形成應力降低區(qū)，進而導致底板處的垂直應力下降。從圖3（b）可看出，斷層面剪切應力變化過程可分為2個階段：工作面距斷層80～40 m時，a1處剪切應力呈先降低后增大趨勢，a2，a3處則一直呈下降趨勢；當工作面距斷層40～10 m時，a1，a3處剪切應力明顯增加，a2處持續(xù)下降。剪切應力不同變化過程表明：開采最先導致煤層頂板處剪切應力變化，隨后是煤層，最后影響至底板，受開采影響，頂板、底板處剪切應力較為活躍。

表 1 模型各巖層力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of each stratum of the model

圖 3 正斷層上盤開采斷層面應力變化Fig. 3 Stress variation of fault plane when mining in hanging wall of normal fault

2.2.2 斷層面滑移量變化

隨著工作面推進，斷層面滑移量變化如圖4所示。從圖4（a）可看出，3個測點處垂直方向滑移量在工作面距斷層80～40 m范圍內(nèi)均呈增加趨勢，在工作面距斷層小于40 m后，a1處增加趨勢最為明顯，最終峰值約為23 mm，a2處次之，a3處則呈小幅減小趨勢。從圖4（b）可看出，a1，a2處水平方向滑移量呈持續(xù)增加趨勢，a3處則呈先減小后小幅增加趨勢，a1處滑移量在工作面距斷層10 m時達到峰值，約為10 mm。

圖 4 正斷層上盤開采斷層面滑移量變化Fig. 4 Variation of slippage of fault plane when mining in hanging wall of normal fault

根據(jù)以上分析可知，在開采過程中頂板和煤層處斷層面滑移量增加最為明顯，底板處雖有小幅度變化，但變化不明顯，表明開采時頂板和煤層附近斷層面最易出現(xiàn)滑移，進而導致斷層活化，并最終誘發(fā)沖擊地壓，而底板處受影響程度小于頂板和煤層。

2.3 逆斷層上盤開采沖擊地壓危險性分析

2.3.1 斷層面應力變化

工作面布置在逆斷層的上盤，開采過程中斷層面應力變化如圖5所示。從圖5（a）可看出，隨著工作面向斷層逐漸靠近，b1，b2處斷層面法向應力基本保持不變，b3處在工作面距斷層80～40 m時基本無變化，但當距離小于40 m后明顯下降，這是由于工作面開采后形成的采空區(qū)所致。從圖5（b）可看出，斷層面剪切應力變化過程可分為2個階段：當工作面距斷層80～40 m時，b1處剪切應力先小幅減小后再增加，b2，b3處則一直減??；工作面距斷層40～10 m時，3個測點處剪切應力均呈增加趨勢，b1，b3處增加明顯，b2處增加幅度較小。開采過程中頂板和煤層處的法向應力基本保持不變，底板處法向應力在工作面距斷層小于40 m后下降；剪切應力在開采初期變化不明顯，但當工作面距斷層小于40 m后，頂板、底板處剪切應力增加明顯，特別是頂板位置，表明受開采影響，頂板處剪切應力較為活躍，最易出現(xiàn)剪切式破壞。

2.3.2 斷層面滑移量變化

隨著工作面推進，逆斷層面滑移量變化如圖6所示。從圖6（a）可看出，3個測點處垂直方向滑移量在工作面距斷層80～40 m范圍內(nèi)均呈增加趨勢，在工作面距斷層小于40 m后，b1處增加趨勢最為明顯，b2處次之，b1處在工作面距斷層10 m時達到峰值，約為24 mm，b3處呈小幅減小趨勢。從圖6（b）可看出，水平方向滑移量與垂直方向滑移量變化具有相似性，即b1，b2處滑移量持續(xù)增加，b3處小幅減小，在工作面距斷層小于40 m后，b1，b2處滑移量相差不大，在工作面距斷層10 m時達到峰值，約為9 mm。由以上分析可知，在工作面逐漸向斷層靠近的過程中，頂板和煤層處斷層面滑移量增加明顯，底板處呈一定幅度減小趨勢，表明工作面開采過程中煤層頂板和煤層附近的斷層活化危險性大于底板，同時存在沖擊地壓發(fā)生的危險。

圖 6 逆斷層上盤開采斷層面滑移量變化Fig. 6 Variation of slippage of fault plane when mining in hanging wall of reverse fault

2.4 正、逆斷層上盤開采沖擊地壓危險性對比

正、逆斷層對工作面開采的影響程度不同，通過對該2種條件下上盤開采過程的數(shù)值模擬分析，可得出不同條件下沖擊地壓危險性。

（1） 應力變化方面：正、逆斷層條件下工作面上盤開采時斷層面法向應力變化規(guī)律一致，即頂板和煤層處基本無變化，底板處呈明顯下降趨勢，特別是在工作面距斷層小于40 m后，底板處下降趨勢更明顯，這主要是由于采空區(qū)導致煤層底板在一定范圍內(nèi)形成應力降低區(qū)，進而使斷層面處法向應力降低；正斷層上盤開采時頂板和底板處剪切應力分別在距斷層小于60，40 m后呈明顯增加趨勢，煤層處剪切應力一直呈下降趨勢，而逆斷層條件下3個測點處剪切應力均呈小幅下降后再呈增加趨勢，表明逆斷層條件下煤層處剪切應力變化更為活躍。

（2） 滑移量變化方面：正、逆斷層條件下上盤開采時斷層面滑移量變化規(guī)律具有一致性，即頂板和斷層處呈明顯增加趨勢，底板處呈減小趨勢，數(shù)值方面也無明顯差異，表明正、逆斷層條件下上盤開采時斷層活化程度受斷層類型的影響不明顯。

（3） 從沖擊地壓危險性上分析：逆斷層上盤開采時煤層處剪切應力有小幅度增加趨勢，與正斷層持續(xù)下降趨勢有一定差別，逆斷層上盤開采時沖擊地壓危險性稍高于正斷層。

3 耿村煤礦12220工作面沖擊地壓危險性分析

3.1 工作面概況

耿村煤礦12220采煤工作面位于西二采區(qū)西翼，2-3煤軌道下山西側(cè)，北臨已回采的（2-3）12200工作面運輸平巷，西至耿楊礦區(qū)邊界斷層。工作面回風平巷標高為+184～+188 m，工作面運輸平巷標高為+144～+155 m，地面標高為+620～+651 m，平均采深約為500 m。工作面走向長度為881 m，傾斜長度為191 m，煤層傾角為8～12°。工作面上覆巖層存在平均168 m厚的堅硬巨厚礫巖層，采掘過程中容易造成該層礫巖失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓。此外，工作面運輸平巷掘進過程中在420～460 m之間揭露F16逆斷層，斷層活動的影響將會增加該工作面發(fā)生沖擊地壓的危險性[18]。

3.2 沖擊地壓危險性分析

為分析工作面開采時的沖擊地壓危險性，借助微震法對工作面開采過程中微震信號進行監(jiān)測分析。在工作面回風平巷和運輸平巷分別安裝6個ESG微震監(jiān)測探頭，每個探頭之間的距離為150 m，以實時記錄該區(qū)域煤巖動力事件發(fā)生的時間、頻次及能量大小，通過對微震信號的分析進而可確定震源位置及震級。工作面微震監(jiān)測探頭布置如圖7所示。以工作面開采當年的6月份為例，對每2 d最大能量事件進行監(jiān)測，結果如圖8所示。結果表明，從6月13日開始，震動能量呈增大趨勢，此時工作面推進距離由400 m至450 m左右，工作面距前方斷層約20 m；隨著工作面繼續(xù)推進，工作面距斷層小于20 m時，能量上下波動，表明微震發(fā)生頻繁，沖擊地壓危險性較大，而當工作面推進過斷層后較長時間，能量開始呈下降趨勢，即此時沖擊傾向性減小。根據(jù)以上分析可知，工作面在推進過程中發(fā)生沖擊地壓危險性受斷層影響較大，特別是工作面距斷層小于20 m時沖擊地壓危險性最大，與數(shù)值模擬結果較一致。

圖 7 工作面微震監(jiān)測探頭布置Fig. 7 Layout of microseismic monitoring probes in working face

圖 8 微震監(jiān)測能量變化Fig. 8 Variation of energy of microseismic monitoring

4 結論

（1） 理論分析結果表明，正、逆斷層上盤開采時斷層是否發(fā)生剪滑與斷層傾角、斷層內(nèi)摩擦角及巖塊受到的斷層面作用力等因素密切相關，且工作面越靠近斷層，發(fā)生剪滑的危險性越大。

（2） 數(shù)值模擬結果表明，在工作面開采過程中，當工作面距斷層距離小于40 m后發(fā)生剪滑及沖擊地壓的危險性逐漸增加，距斷層10 m時的危險性最大，最易發(fā)生剪滑的位置為斷層面的煤層頂板和煤層處，煤層底板受開采影響程度明顯小于頂板；斷層類型對沖擊地壓危險性有一定的影響，逆斷層開采時的沖擊地壓危險性高于正斷層。

（3） 現(xiàn)場監(jiān)測結果表明，當工作面距斷層小于20 m時，微震發(fā)生頻繁，沖擊地壓危險性逐漸增大，與數(shù)值模擬結果一致，驗證了數(shù)值模擬分析的合理性。