正、逆断层上盘开采冲击地压危险性分析

魏世明， 王富莹， 张泽升， 靳梦帆

（1. 河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003；2. 煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454003）

0 引言

随着煤炭开采深度和开采强度的增加，矿井冲击地压等动力灾害日益加剧[1]。断层冲击地压是冲击地压的一种，是指由于采矿活动引起断层的突然相对错动而猛烈释放能量的现象，具有释放能量多、震级高等特点[2]，与一般冲击地压相比，断层冲击地压破坏性更强、影响范围更大。断层形式[3-4]、工作面开采方式[5]、断层保护煤柱[6]及支承压力[7]等对冲击地压的发生有着重要影响，众多学者对此开展了大量研究。王学滨等[8]研究了正、逆断层下盘开采时断层及其附近煤层应力的时空分布规律，但对于上盘开采的情况未涉及。王涛等[9]研究了正断层条件下推进方式对断层围岩应力演化规律的影响，对工作面分别沿断层上下盘推进时的冲击地压危险性进行了分析，但没有针对工作面开采时断层面的滑移量变化进行研究。赵毅鑫等[10]、闵飞虎等[11]、赵善坤[12]分别借助数值模拟、相似模拟实验等研究了逆断层下盘开采对断层面错动失稳的影响，并得出了回采扰动下断层活化失稳特征，但只考虑了逆断层下盘开采的情况。陈学华等[13]分析了综采工作面过正断层时的冲击地压危险性，但没有针对断层类型对冲击地压的影响进行深入分析。任政等[14]分析了采动影响下逆断层冲击地压的矿震时空分布规律，得出了采动下矿震事件频次分布规律及对工作面冲击地压危险性的影响，但主要针对逆断层条件，对正断层时的冲击地压危险性没有涉及。刘洪儒等[15]研究了正断层下盘工作面推进过程中，断层上下盘煤层支承压力、顶板垂直应力及塑性区分布情况。许磊等[16]研究了逆断层下盘工作面开采时的危险性，但对于上盘开采没有涉及。

上述研究大部分围绕下盘开采或单一断层形式展开，而对于不同断层上盘开采冲击地压危险性的对比研究较少涉及。鉴于此，本文以河南义马耿村煤矿12220工作面地质及开采条件为基础，分别借助理论分析、数值模拟及现场监测等方法，研究了正、逆断层上盘开采时断层面的应力及滑移量变化规律，分析了不同断层类型时冲击地压危险性。

1 正、逆断层上盘开采力学模型

正、逆断层上盘开采时，可通过构建力学模型对断层面进行受力分析[17]，如图1所示。

对断层岩块A受力状态进行分析，以得出断层受开采扰动的影响规律。沿垂直及水平方向的力学平衡方程为

式中：Pv，Ph分别为断层面对岩块A所施加的沿垂直、水平方向的作用力；T为断层面对岩块 B施加的水平力；Nτ，Nσ分别为煤层上的剪应力与正应力；Rτ，Rσ分别为上覆岩层的剪应力与压应力；M为岩块A的质量；g为重力加速度。

将Pv，Ph分别沿断层面进行分解，则沿断层面的垂直作用力Fσ、 剪切作用力Fτ分别为

式中θ为断层倾角，θ∈[0,π/2]。

断层岩块发生向上剪滑的力学条件为

式中φ为断层内摩擦角，φ∈[0,π/2]，θ+φ ∈[0,π]。

将式（2）代入式（3）可得

同理，断层岩块发生向下剪滑的力学条件为

可见，当工作面位于断层上盘时，是否发生剪滑与断层倾角、断层面内摩擦角及岩块受到的断层面作用力等因素密切相关。随着工作面逐渐靠近断层，受超前支承压力的影响，断层岩块的受力状态发生明显变化，进而影响Pv/Ph值，鉴于断层倾角θ、断层内摩擦角φ为常量，根据式（4）、式（5） 可判断断层发生剪滑的可能性将明显增加，进而使冲击地压发生的倾向性增加。但工作面距断层不同距离时岩块的受力状态不同，且应力变化复杂，基于此，开展了断层面应力及滑移量变化过程的数值模拟研究，以分析不同条件下冲击地压危险性。

2 正、逆断层上盘开采数值模拟分析

2.1 模型建立

借助FLAC3D三维数值模拟软件，以河南义马耿村煤矿F16断层为研究背景，根据该矿12220工作面地质条件，分别建立了正、逆断层模型。模型尺寸均为600 m×200 m×300 m（长×宽×高），共划分为204 002个单元、37 440个节点。模拟采深为500 m，在模型上边界施加12.5 MPa的垂直应力。正断层模型的前后和左右边界施加水平约束，模型底部施加垂直位移约束；逆断层模型的前后边界施加水平约束，左右边界施加水平压应力，以模拟逆断层时的水平构造应力，模型底部施加垂直位移约束。工作面沿走向方向推进，断层面的模拟利用FLAC3D中的接触面命令，接触面法向刚度为2.0×107Pa，剪切刚度为5.0×107Pa，黏聚力为6×103Pa，内摩擦角为20°，断层倾角均为60°，落差为5 m。

将工作面分别布置在正、逆断层的上盘，通过分析应力分布及围岩变形情况，得出不同断层条件下冲击地压危险性。模拟工作面向断层逐渐开采的过程，每次开采后至稳定应力状态再进行下一步开采，分别监测断层面的应力及滑移量变化，采用FLAC3D中的History命令记录历史数据。每种断层条件下分别进行5次开采，与断层面距离分别为80，60，40，20，10 m。在正断层面上设置3个监测点a1，a2，a3，分别位于下盘煤层顶板以上10 m、煤层中及底板以下10 m；逆断层面的监测点b1，b2，b3分别设置在下盘煤层顶板10 m、煤层中及底板下10 m。断层模型及测点布置如图2所示。

图 2 断层模型及测点布置Fig. 2 Fault model and layout of measuring points

力学参数的选取根据耿村煤矿12220工作面实际地质柱状图，并结合实际观测数值进行综合分析后确定，具体参数见表1 。

2.2 正断层上盘开采冲击地压危险性分析

2.2.1 断层面应力变化

工作面布置在正断层的上盘，随着工作面逐渐靠近断层，断层面应力变化如图3所示。从图3（a）可看出，开采过程中a1，a2处法向应力变化不明显，表明开采过程对煤层顶板和煤层本身法向应力影响较小；a3处应力在工作面距断层小于40 m后急剧下降，表明工作面开采对底板产生了较为明显的影响，这主要是由于工作面开采后形成采空区，在底板形成应力降低区，进而导致底板处的垂直应力下降。从图3（b）可看出，断层面剪切应力变化过程可分为2个阶段：工作面距断层80～40 m时，a1处剪切应力呈先降低后增大趋势，a2，a3处则一直呈下降趋势；当工作面距断层40～10 m时，a1，a3处剪切应力明显增加，a2处持续下降。剪切应力不同变化过程表明：开采最先导致煤层顶板处剪切应力变化，随后是煤层，最后影响至底板，受开采影响，顶板、底板处剪切应力较为活跃。

表 1 模型各岩层力学参数Table 1 Mechanical parameters of each stratum of the model

图 3 正断层上盘开采断层面应力变化Fig. 3 Stress variation of fault plane when mining in hanging wall of normal fault

2.2.2 断层面滑移量变化

随着工作面推进，断层面滑移量变化如图4所示。从图4（a）可看出，3个测点处垂直方向滑移量在工作面距断层80～40 m范围内均呈增加趋势，在工作面距断层小于40 m后，a1处增加趋势最为明显，最终峰值约为23 mm，a2处次之，a3处则呈小幅减小趋势。从图4（b）可看出，a1，a2处水平方向滑移量呈持续增加趋势，a3处则呈先减小后小幅增加趋势，a1处滑移量在工作面距断层10 m时达到峰值，约为10 mm。

图 4 正断层上盘开采断层面滑移量变化Fig. 4 Variation of slippage of fault plane when mining in hanging wall of normal fault

根据以上分析可知，在开采过程中顶板和煤层处断层面滑移量增加最为明显，底板处虽有小幅度变化，但变化不明显，表明开采时顶板和煤层附近断层面最易出现滑移，进而导致断层活化，并最终诱发冲击地压，而底板处受影响程度小于顶板和煤层。

2.3 逆断层上盘开采冲击地压危险性分析

2.3.1 断层面应力变化

工作面布置在逆断层的上盘，开采过程中断层面应力变化如图5所示。从图5（a）可看出，随着工作面向断层逐渐靠近，b1，b2处断层面法向应力基本保持不变，b3处在工作面距断层80～40 m时基本无变化，但当距离小于40 m后明显下降，这是由于工作面开采后形成的采空区所致。从图5（b）可看出，断层面剪切应力变化过程可分为2个阶段：当工作面距断层80～40 m时，b1处剪切应力先小幅减小后再增加，b2，b3处则一直减小；工作面距断层40～10 m时，3个测点处剪切应力均呈增加趋势，b1，b3处增加明显，b2处增加幅度较小。开采过程中顶板和煤层处的法向应力基本保持不变，底板处法向应力在工作面距断层小于40 m后下降；剪切应力在开采初期变化不明显，但当工作面距断层小于40 m后，顶板、底板处剪切应力增加明显，特别是顶板位置，表明受开采影响，顶板处剪切应力较为活跃，最易出现剪切式破坏。

2.3.2 断层面滑移量变化

随着工作面推进，逆断层面滑移量变化如图6所示。从图6（a）可看出，3个测点处垂直方向滑移量在工作面距断层80～40 m范围内均呈增加趋势，在工作面距断层小于40 m后，b1处增加趋势最为明显，b2处次之，b1处在工作面距断层10 m时达到峰值，约为24 mm，b3处呈小幅减小趋势。从图6（b）可看出，水平方向滑移量与垂直方向滑移量变化具有相似性，即b1，b2处滑移量持续增加，b3处小幅减小，在工作面距断层小于40 m后，b1，b2处滑移量相差不大，在工作面距断层10 m时达到峰值，约为9 mm。由以上分析可知，在工作面逐渐向断层靠近的过程中，顶板和煤层处断层面滑移量增加明显，底板处呈一定幅度减小趋势，表明工作面开采过程中煤层顶板和煤层附近的断层活化危险性大于底板，同时存在冲击地压发生的危险。

图 6 逆断层上盘开采断层面滑移量变化Fig. 6 Variation of slippage of fault plane when mining in hanging wall of reverse fault

2.4 正、逆断层上盘开采冲击地压危险性对比

正、逆断层对工作面开采的影响程度不同，通过对该2种条件下上盘开采过程的数值模拟分析，可得出不同条件下冲击地压危险性。

（1） 应力变化方面：正、逆断层条件下工作面上盘开采时断层面法向应力变化规律一致，即顶板和煤层处基本无变化，底板处呈明显下降趋势，特别是在工作面距断层小于40 m后，底板处下降趋势更明显，这主要是由于采空区导致煤层底板在一定范围内形成应力降低区，进而使断层面处法向应力降低；正断层上盘开采时顶板和底板处剪切应力分别在距断层小于60，40 m后呈明显增加趋势，煤层处剪切应力一直呈下降趋势，而逆断层条件下3个测点处剪切应力均呈小幅下降后再呈增加趋势，表明逆断层条件下煤层处剪切应力变化更为活跃。

（2） 滑移量变化方面：正、逆断层条件下上盘开采时断层面滑移量变化规律具有一致性，即顶板和断层处呈明显增加趋势，底板处呈减小趋势，数值方面也无明显差异，表明正、逆断层条件下上盘开采时断层活化程度受断层类型的影响不明显。

（3） 从冲击地压危险性上分析：逆断层上盘开采时煤层处剪切应力有小幅度增加趋势，与正断层持续下降趋势有一定差别，逆断层上盘开采时冲击地压危险性稍高于正断层。

3 耿村煤矿12220工作面冲击地压危险性分析

3.1 工作面概况

耿村煤矿12220采煤工作面位于西二采区西翼，2-3煤轨道下山西侧，北临已回采的（2-3）12200工作面运输平巷，西至耿杨矿区边界断层。工作面回风平巷标高为+184～+188 m，工作面运输平巷标高为+144～+155 m，地面标高为+620～+651 m，平均采深约为500 m。工作面走向长度为881 m，倾斜长度为191 m，煤层倾角为8～12°。工作面上覆岩层存在平均168 m厚的坚硬巨厚砾岩层，采掘过程中容易造成该层砾岩失稳诱发冲击地压。此外，工作面运输平巷掘进过程中在420～460 m之间揭露F16逆断层，断层活动的影响将会增加该工作面发生冲击地压的危险性[18]。

3.2 冲击地压危险性分析

为分析工作面开采时的冲击地压危险性，借助微震法对工作面开采过程中微震信号进行监测分析。在工作面回风平巷和运输平巷分别安装6个ESG微震监测探头，每个探头之间的距离为150 m，以实时记录该区域煤岩动力事件发生的时间、频次及能量大小，通过对微震信号的分析进而可确定震源位置及震级。工作面微震监测探头布置如图7所示。以工作面开采当年的6月份为例，对每2 d最大能量事件进行监测，结果如图8所示。结果表明，从6月13日开始，震动能量呈增大趋势，此时工作面推进距离由400 m至450 m左右，工作面距前方断层约20 m；随着工作面继续推进，工作面距断层小于20 m时，能量上下波动，表明微震发生频繁，冲击地压危险性较大，而当工作面推进过断层后较长时间，能量开始呈下降趋势，即此时冲击倾向性减小。根据以上分析可知，工作面在推进过程中发生冲击地压危险性受断层影响较大，特别是工作面距断层小于20 m时冲击地压危险性最大，与数值模拟结果较一致。

图 7 工作面微震监测探头布置Fig. 7 Layout of microseismic monitoring probes in working face

图 8 微震监测能量变化Fig. 8 Variation of energy of microseismic monitoring

4 结论

（1） 理论分析结果表明，正、逆断层上盘开采时断层是否发生剪滑与断层倾角、断层内摩擦角及岩块受到的断层面作用力等因素密切相关，且工作面越靠近断层，发生剪滑的危险性越大。

（2） 数值模拟结果表明，在工作面开采过程中，当工作面距断层距离小于40 m后发生剪滑及冲击地压的危险性逐渐增加，距断层10 m时的危险性最大，最易发生剪滑的位置为断层面的煤层顶板和煤层处，煤层底板受开采影响程度明显小于顶板；断层类型对冲击地压危险性有一定的影响，逆断层开采时的冲击地压危险性高于正断层。

（3） 现场监测结果表明，当工作面距断层小于20 m时，微震发生频繁，冲击地压危险性逐渐增大，与数值模拟结果一致，验证了数值模拟分析的合理性。