0 引言
我国矿产资源十分丰富，占世界总储量的13.3%。但随着开采量的不断增大，煤矿的开采深度和开采范围也不断地加大，煤岩冲击失稳等动力灾害问题日渐突出[1-4]，而复杂地质构造尤其断层构造是诱发冲击地压的主要因素。1738年，第一次冲击地压灾害发生在英国的南史塔福煤田。迄今为止，其危害几乎遍布于世界各个采矿国家，我国煤矿冲击地压极为严重，自1933年抚顺胜利矿发生冲击地压以来，我国已有约50处矿井累计发生过4 000多次冲击矿压灾害，已经造成数以百计的人员伤亡，巷道破坏达30余千米。随着矿井开采深度的不断加深，发生冲击地压的危险性也在逐步增加，发生强度越来越大，发生次数越来越多。冲击地压作为采矿诱发的地震，虽然震级不如普遍意义上的地震，但因为其震中距地表近，属浅表层地震，其局部危害性非常严重[5-6]。冲击地压灾害事故如此频繁的产生与煤田赋存断层的动力失稳有着密切关系[7-9]。朱兴珊等[10]通过数值模拟研究认为断层带是发生岩石冲击的能量来源，且周期来压、断层带宽大、断层倾角大等情况会使产生冲击的危险性增加。潘一山等[11]通过建立扰动响应稳定性判别准则求解冲击地压，研究表明：断层冲击地压具有间歇性，开采活动引起断层正应力减少或剪应力增加，都会诱发导致断层冲击地压。李志华等[12]研究了采动影响下断层滑移诱发煤岩体冲击的机制，认为工作面由断层下盘向断层推进时，发生断层冲击地压的危险性较高。姜耀东等[13]模拟断层回采过程发现，断层带上的应力分布具有明显的时空分布特征，断层法向应力的变化总是早于剪切应力的变化。针对断层受多种因素扰动影响的研究较少，来考虑到开采前，断层在地质构造挤压下会预先存在不同程度应力集中，因此笔者采用数值模拟方法，分别研究了无工作面开采扰动和有工作面开采扰动下断层应力场和能量场的分布特征，分析了工作面不同推进方式以及不同断层物理力学属性对断层响应的影响。通过计算断层周围应力场、能量场2大表征指标，探讨断层落差、倾角以及沿上盘和下盘开采对断层构造应力场和能量场分布的影响特征。
1 工程概况
义马煤田为单一向斜构造，大地构造属华北板内崤熊构造区北带西端，南以陕石-义马逆断层为界，东北以岸上平移断层和西北的扣门山断层、灰山断层等为界[14-15]。矿区内衍生有大量走向、倾向、斜交断层和褶曲等构造，煤层分叉合并现象严重，如图1所示。
图1 义马矿区地质构造
Fig.1 Geological map of Yima Mining Area
义马煤田千秋矿在开采过程中被F16近东西向压扭性逆冲断层破坏，造成局部直立和陡倾，是冲击地压的频发区域。根据现场资料显示，F16逆冲断层主要对冲击地压和矿山压力显现具有重要的影响作用，千秋矿21221运输巷曾发生“11·3”冲击地压事件， 21221工作面采掘工程平面如图2所示。地应力现场探测结果显示[14]，千秋矿最大主应力为水平应力，其最大值为22.87 MPa，最小值为17.51 MPa。
图2 21221工作面
Fig.2 No.21221 working face
义马煤田2煤、2-1煤伪顶为砂质泥岩，厚度约为0.2 m；直接顶为泥岩，裂隙和节理发育，易破碎，厚度4.4～42.2 m，平均厚度24 m，岩性致密、均一、裂隙不发育，由东向西逐渐加厚；2-3煤顶板以中粒砂岩为主，厚0～27 m。2煤、2-1煤、2-3煤基本顶为坚硬砾岩，厚度380～600 m，平均厚度约为550 m；直接底为深灰色泥岩，厚度约为4 m。底板岩性复杂，由砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩及含砾相土岩组成，厚度0.30～32.81 m，如图3所示。工作面顶底板岩层和断层力学参数见表1和表2。
图3 义马矿区岩层综合柱状
Fig.3 Columnar section of rock strata of Yima Mining Area
表1 21221工作面顶底板岩层力学参数
Table 1 Mechanical parameters of rock strata of No.21221 working face
岩层岩性厚度/m容重/(kN·m-3)抗压强度/MPa基本顶砾岩148.827.045直接顶泥岩24.021.7302号煤煤9.614.416基本底粉砂岩9.626.030
表2 F16断层参数
Table 2 Parameters of F16 fault
断层属性走向倾向倾角平均落差逆断层N110°W南偏西30°～75°5m
2 断层原岩应力场和能量场分布特征
根据千秋矿21221工作面和F16断层地质概况，建立的数值模型沿工作面走向长480 m，高120 m，宽4 m。F16断层倾角为45°，落差为4 m。每个模型沿断层在至上盘煤层垂直距离28 m处设置第1个监测点，之后沿竖向每隔8 m设置1个监测点，共设置6个监测点(从上至下依次为1—6号监测点)，如图4所示。
图4 数值计算模型
Fig.4 Numerical calculation model
2.1 断层滑移趋势
为模拟原有构造应力作用，对模型施加一定的水平推力，大小为10 MPa，模型受水平推力作用后整个上盘岩体表现出一种向上“抛”的趋势，下盘岩体大部分表现出水平移动趋势，边界处表现出竖直向上的运动趋势。断层面两侧岩层位移方向相反，表现为逆断层的特性。图5为挤压之后模型的位移等值线图，上盘岩体整体向上滑移。由图5可得，上下盘岩体都有发生向上的位移。但是下盘岩体向上的位移普遍小于上盘岩体，上下盘产生相对滑移，使得逆断层进一步活化发育。
图5 模型位移等值线
Fig.5 Model displacement contour map
2.2 断层应力分布
图6为水平推力作用后断层法向应力分布，水平推力作用后切向应力分布与图6类似。由图6可得，断层附近应力分布较远处工作面有一定的应力波动，断层附近应力较远处工作面应力有一定的应力集中，但不明显。
图6 断层法向应力分布
Fig.6 Fault normal stress distribution
2.3 原岩应力分布
在原有构造应力作用的基础上受水平推力作用后整个模型的应力场表现为，在距离断层较远处，应力相对均衡，沿竖直方向从上到下呈现出一定规律的递增分布。
2.4 原岩能量分布
煤岩体破坏之前，内部力保持平衡，由于外部力的施加，外力势能可转化为形变势能，进而储存于煤岩体的内部。由于应力和应变服从胡克定律，所以单元体的形变势能可以全部用应力表示。假设煤岩体受3个方向的主应力，则单位体积下煤岩体的形变势能，即应变能密度计算如下：
其中，u为煤岩体应变能密度；σ1、σ2、σ3分别为煤岩体所受的第1、第2、第3主应力；E为煤岩体的弹性模量；μ为泊松比。利用Fish语言写出应变能密度表达式并嵌入计算程序便得到应变能分布特征。
计算得，整个采场的能量分布相对比较均衡。与应力场分布特征类似，整体沿竖直方向从上到下呈现出一定规律的递增分布。
3 断层属性对断层滑移特征的影响
断层滑移量是断层活化的一个重要判据，同时也是断层在煤矿开采过程当中发生进一步错动的重要标尺。断层之间的法向应力是断层构造中的上下盘相互作用的一个重要表征量,同时切向应力是表征断层的上下盘岩体发生相对错动的一个重要指标，是断层传递力的作用的又一体现，切向应力的大小直接关系着断层是否会进一步发生破坏。
3.1 断层落差
断层落差不仅决定着断层的性质，还决定着断层的规模，断层落差的大小反映了断层切割岩层的程度。以初始逆断层数值模型为基础，在初始模型的基础上建立以落差为变量倾角不变的6个模型进行数值模拟：倾角统一为45°，落差分别为0、4、8、12、16、20 m，模拟结果如图7所示。
图7 落差变化对滑移量和应力影响
Fig.7 Effect of drop change on slip and stress
由图7可得：落差对断层滑移量的影响较小，断层发生滑移时，靠近煤层的断层首先发生滑移；落差与断层法向应力呈正相关：落差越大，法向应力越大；随着断层落差的增加，切向应力先增大后减小，大落差断层比小落差断层更易发生滑移失稳。
3.2 断层倾角
断层的倾角表征了断层的倾斜程度，呈现了断层的大致形态和走向，是描述断层的一个重要指标。在初始模型的基础上，保持参数和落差(4 m)不变，仅改变断层倾角，倾角分别为：15°、30°、45°、60°、70°和80°，模拟全部开挖过程，探究断层倾角对断层滑移量、断层面上的应力分布的影响(图8)。
由图8可得：倾角对滑移量存在明显的影响：倾角越小，断层越不容易发生滑移；倾角越小，最终滑移量越少；倾角越大，所受到的法向应力越大；随着断层倾角的增加，断层切向应力先减小后增加，断层倾角与断层滑移失稳呈正相关。
3.3 沿上盘和下盘开采
沿上盘和下盘开采是煤矿开采的推进方式，从生产工艺和技术手段的角度考虑，一般选择上盘开采。从地质构造和断层破坏的角度，上盘开采是否也是最佳的开采方式成为探讨的重要内容之一(图9)。
图8 倾角变化对滑移量和应力影响
Fig.8 Influence of dip change on slip and stress
图9 上下盘开采对滑移量和应力影响
Fig.9 Effect of stress and amount of slippage and upper and lower plates mining
根据图9可得：上、下盘不同的推进方式对滑移量有明显的影响，下盘开采比上盘开采更容易产生断层滑移，法向和切向应力都更大，更容易诱发冲击地压灾害。
4 断层应力及能量场分布特征
4.1 应力场的分布特征
实践证明，分析研究冲击地压区域内的应力场与能量场分布状态是防治冲击地压的基础，一般情况下，应力高的区域更容易聚积弹性能[16-18]。因此，在一定的采矿区域，分析确定应力分布和应力集中程度的大小，就可分析出冲击地压危险程度，为开采时冲击地压的防治打下基础。
整个开挖过程每开挖20 m垮落一次，共分24次垮落。选取了刚开挖、过断层前、过断层中、过断层后以及开挖结束5个重要的采场应力分布进行分析(图10)。由图10得知，在整个上盘开采过程中，上盘形成自然垮落应力集中区，受断层影响较小。采空区由于卸压应力较小，工作面前方大约20 m处由于超前支承压力[19]的影响，始终存在一个应力集中区。开挖结束后，在断层附近下盘区域由于顶板垮落沉积作用出现应力集中区域。
工作面开挖过程中，通过6个监测点对断层的应力分布和变化进行监测[20]，工作面前方的应力集中区域以及工作面后方的采空区的卸压区域随着开挖过程向前推进，导致整个采场应力场出现如图11所示的变化。
工作面通过断层前，即推进距离为80～100 m，应力集中区域刚开始接触断层，出现了法向和切向应力都突增的现象，如图11a所示。工作面距离断层约30 m处切向应力突降，可以判断此时断层发生了一定的滑移失稳[14]。由于工作面前方的应力集中区域和采空区卸压区域的存在，整个断层应力分布呈现出：工作面过断层前，支承压力逐渐增加，过断层时保持平稳，过断层后先逐渐减小后逐渐增大，最后断层应力场趋于稳定。
图10 工作面应力场分布
Fig.10 Stress field distribution of working surface
Ⅰ—过断层前；Ⅱ—过断层时；Ⅲ1—过断层后1阶段；Ⅲ2—过断层后2阶段；Ⅵ—开挖结束
图11 工作面推进过程中应力变化
Fig.11 Stress change diagram during working face excavation
4.2 能量场的分布特征
工作面前方煤体中应变能密度分布演化特征如图12所示。初始开采时，工作面附近能量场分布与无断层赋存时分布基本相同，采空区顶板和底板有少量能量积聚。断层面能量分布不均匀，由上到下能量增大，但差异并不明显。
采空区由于卸压能量有一定程度的降低，工作面前方的应力集中区能量积聚明显，并与顶板能量积聚区始终贯通。过断层时，采空区由于顶板下沉挤压作用，能量开始出现积聚。开挖结束时，采空区的能量集聚区与顶板能量积聚区贯通，结合图10，贯通时断层法向和切向应力都发生了突增，此时断层发生活化的可能性较大。
图12 工作面能量场分布
Fig.12 Face energy field distribution
5 结论
1)大落差断层比小落差断层更易发生滑移失稳，断层倾角与断层滑移失稳呈正相关，下盘开采比上盘开采更容易产生断层大面积滑移和诱发冲击地压灾害。
2)整个断层应力分布呈现出：工作面过断层前，支承压力逐渐增加，过断层时保持平稳，过断层后先逐渐减小后逐渐增大。当工作面距离断层约30 m处时易诱发滑移失稳。
3)能量场的分布在工作面前方的应力集中区能量积聚现象明显，并与顶板能量积聚区始终贯通。然而由于卸压，采空区内能量降低较为明显，工作面上方的顶板应力得到释放，释放瞬间断层压力急剧增大，断层活化的可能性最大。
[1] 姜耀东，赵毅鑫，刘文岗,等.煤岩冲击失稳的机制和实验研究[M].北京：科学出版社，2009.
[2] 袁 亮，姜耀东，何学秋，等.煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警关键技术研究进展[J].煤炭学报,2018,43(2):306-318.
YUAN Liang，JIANG Yaodong，HE Xueqiu,et al.Research progress of precise risk accurate identification and monitoring early warning on typical dynamic disasters in coal mine[J].Journal of China Coal Society，2018,43(2):306-318.
[3] 王宏伟，邓代新，姜耀东，等.断层构造失稳突变诱发冲击地压机制研究[J].煤炭科学技术，2018，46(7):165-170.
WANG Hongwei，DENG Daixin，JIANG Yaodong，et al.Study on the mechanism of impact ground pressure induced by instability of fault structure [J].Coal Science and Technology，2018，46(7):165-170.
[4] WANG Hongwei,JIANG Yaodong,XUE Sheng，et al.Assessment of excavation damaged zone around roadways under dynamic pressure induced by an active mining process[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2015,77(4):265-277.
[5] LI Chunrui，KANG Lijun，QI Qingxin，et al.Probe into relationship between zonal fracturing and rock burst in deep tunnel[J].Journal of China Coal Society，2010，35(2):185-189.
[6] 姜耀东，潘一山，姜福兴，等.我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治[J].煤炭学报，2014，39(2)：205-213.
JIANG Yaodong，PAN Yishan，JIANG Fuxing，et al.State of the art review on mechanism and prevention of coal bumps in China[J].Journal of China Coal Society，2014，39(2):205-213.
[7] WANG Hongwei，JIANG Yaodong，XUE Sheng，et al.Influence of fault slip on mining-induced pressure and optimization of roadway support design in fault-influenced zone[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2016，8(5):660-671.
[8] 王宏伟，姜耀东,高仁杰.长壁孤岛工作面冲击失稳能量场演化规律[J].岩土力学，2013，34(S1):479-485.
WANG Hongwei，JIANG Yaodong，GAO Renjei.Evolution law of impact instability energy field in longwall island working face [J].Geotechnical，2013，34(S1):479-485.
[9] 窦林名，何 江，曹安业，等.煤矿冲击矿压动静载叠加原理及其防治[J].煤炭学报，2015,40(7)：1469-1476.
DOU Linming，HE Jiang，CAO Anye,et al.Rock burst prevention methods based on theory of dynamic and static combined load induced in coal mine[J].Journal of China Coal Society，2015，40(7):1469-1476.
[10] 朱兴珊，徐凤银.回采工作面断层附近岩石突出数值模拟研究[J].山东矿业学院报，1995，14(3):26-27.
ZHU Xingshan，XU Fengyin.Numerical simulation study on rock near fault of mining face [J].Shandong Mining Institute，1995，14(3):26-27.
[11] 潘一山，王来贵.断层冲击地压发生的理论与试验研究[J].岩石力学与工程学报.1998.12(6):642-649.
PAN Yishan，WANG Laigui.Theoretical and experimental study on the generation of fault rock burst[J].Journal of Rock Mechanics and Engineering，1998，12(6):642-649.
[12] 李志华，窦林名，曹安业，等.采动影响下断层滑移诱发煤岩冲击机理[J].煤炭学报，2011，36(1)：68-73.
LI Zhihua，DOU Linming，CAO Anye，et al.Mechanism of fault slip induced rock burst during mining[J].Journal of China Coal Society，2011，36(1):68-73.
[13] 姜耀东,王 涛,赵毅鑫.采动影响下断层活化规律的数值模拟研究[J].中国矿业大学学报，2013，42(1):1-5.
JIANG Yaodong，WANG Tao,ZHAO Yixin.Numerical simulation study on fault activation law under mining influence [J].Journal of China University of Mining & Technology，2013，42(1):1-5.
[14] 王宏伟，姜耀东，邓代新，等.义马煤田复杂地质赋存条件下冲击地压诱因研究[J].岩石力学与工程学报，2017，36(S2):4085-4092.
WANG Hongwei，JIANG Yaodong，DENG Daixin，et al.Study on the induced pressure of rock burst under complex geological conditions in Yima coalfield [J].Journal of Rock Mechanics and Engineering，2017，36(S2):4085-4092.
[15] 曹代勇，宁树正，郭爱军，等.中国煤田构造格局及其基本特征[J].矿业科学学报.2016.1(1):1-8.
CAO Daiyong.NING Shuzheng.GUO Aijun，et al.Structural pattern and basic characteristics of coalfields in China [J].Journal of Mining Science and technology，2016，1(1):1-8.
[16] 李克信，李甲栋，孙利辉.孤岛工作面遇断层采动应力分布规律研究[J].煤炭科学技术,2012,40(7):13-16.
LI Kexin，LI Jiadong，SUN Lihui.Study on the distribution law of mining stress in fault face of island working face [J].Coal Science and Technology，2012,40(7):13-16.
[17] 王宏伟，姜耀东，杨 田，等.断层构造赋存条件下采动应力场分布特征研究[J].煤炭工程，2016，48(1):92-94,98.
WANG Hongwei，JIANG Yaodong，YANG Tian，et al.Study on distribution characteristics of mining stress field under the condition of fault structure[J].Coal Engineering，2016，48(1):92-94,98.
[18] 黄琪嵩，程久龙.层状底板采动应力场的解析计算模型研究[J].矿业科学学报，2017，2(6):559-565.
HUANG Qisong，CHENG Jiulong.Analytical calculation model for mining stress field of layered floor [J].Journal of Mining Science，2017，2(6):559-565.
