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摘要：淮南矿区某矿采区属倒转地层，灰岩含水层位于煤层顶板，断层的活化极易导通上部含水层，引发突水事故。面对急倾斜煤层开采深度不断增加的现状，采用FLAC3D数值模拟的方法，对急倾斜煤层深部开采对顶板浅部断层活化影响的规律进行了研究，总结了急倾斜煤层开采深度与断层活化之间的时空关系，验证了通过控制采高和隔离煤柱大小，可以有效降低急倾斜煤层开采对断层的扰动作用，对急倾斜煤层后期深部开采断层突水预测与防治具有重要的理论指导意义和工程应用价值。
关键词：急倾斜煤层；深部开采；数值模拟；断层活化
中图分类号：TD163 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）04（a）-0000-00
Abstract： A certain ore mining area of Huainan mining area belongs to inversion formation， limestone aquifer located seam roof， the activation of fault easily conduct the upper aquifer， leading to water inrush disaster. Facing the continuously increased mining depth status of steep seam， using FLAC3D numerical simulation method， In steep seam mining deep effect on the fault activation of roof is studied， Summarizes the temporal relationship between the depth of steep seam and fault activation， verified by controlling the mining height and isolated coal pillar size， can effectively reduce the disturbance of steep seam faults， It has important theoretical guidance significance and engineering application value to the later stage of steep seam deep mining fault water inrush prediction and prevention.
Keywords： steep seam； deep mining； numerical； fault activation
中图分类号：TD745
我国煤田水文地质条件复杂，在煤矿生产过程中，矿井突水事故频发。据资料统计，其中80%的煤矿突水事故是由断层导水引发的[1]。断层活化是指断层在原始不导水的状态下，受地下工程的扰动作用，导水系数增大而成为导水通道。断裂构造作为一种重要的突水通道，研究分析断层在采动影响下的活化反应，对煤矿的安全生产具有重要意义。对于断层活化的研究，学者们普遍认为，当断层面的切应力τ大于断层面的抗剪强度τn时，即τ≥τn时，断层就会沿断层面发生破裂，上下盘相对移动形成导水通道[2]。姜耀东等[3]把断层接触面以库伦剪切模型代替，研究了采动过程中断层接触面上应力时空演化规律和断层两盘的运动规律；卜万奎等[4]从断层倾角变化的角度研究了断层活化的规律。
虽然目前的研究已经对断层活化的机理和规律有了一定的认识[5]，但是对于如何预测和监测断层活化仍有很大的困难。急倾斜煤层的赋存特征和开采方式决定了其在开采过程中对断层活化的影响与水平煤层具有较大差别[6]。急倾斜煤层进行浅部开采时，扰动作用强度和影响范围有限，不具备诱发附近断层活化的能力；但是随着开采深度的增加，不平衡力积累到一定程度，就会导致浅部断层活化，导通含水层，引发断层突水事故。本文采用数值模拟软件FLAC3D，以急倾斜煤层为研究对象，对煤层深部开采诱发浅部断层活化进行了模拟和预测，并提出了预防和控制断层活化的后期开采方案。
1 FLAC3D计算原理简介
FLAC3D采用了拉格朗日连续介质法（Fast Lagrangian Analysis of Continua），同时还采用了混合离散法和动态松弛法，可以模拟和记录地质体在达到屈服极限时发生的破坏和塑性流动情况，分析渐进式破坏和模块失稳，并且适合于模拟大变形；其根据已知应变增量，可以方便地求得应力增量、不平衡力并跟踪系统的演化过程；由于计算过程中不会形成刚度矩阵，所以运算所需内存很小。除此之外，FLAC3D还具有内嵌的程序语言FISH，使用户可以自行开发系统，增强了程序的灵活性，充分扩展了软件的自身功能。[7]
煤层在采动过程中，破坏了周围岩石的应力平衡，在重力和地应力的作用下，岩石向采空区移动，在不发生破坏的情况之下，相邻岩石的位移变化相差不大，而断层带作为软弱接触面，当采动造成的不平衡力达到临界值时，断层就会在岩石移动过程中沿断层面发生断裂，使断层上、下两盘发生错动和滑移，增大了断层上、下两盘的位移差，即断层进入活化状态。本文基于FLAC3D强大的数值模拟和监测记录功能，监测在急倾斜煤层开采到不同深部时断层上、下盘的相对位移量，研究预测在不同煤层开采强度下的断层活化情况。
2 计算模型建立
2.1 工程概况
淮南矿区某矿为二叠系急倾斜煤层，地面标高+20m。受推覆构造作用，煤田地层发生倒转，总体呈倾伏倒转褶曲形态，主要可采煤层地层倾角为50°～80°，煤层顶底板岩石主要为砂岩、泥岩和砂质泥岩，第四系厚度140m。倒转翼灰岩含水层成为煤层顶板，可采煤层均位于倒转褶曲带下翼，灰岩不仅上覆于煤系地层上方，而且是矿井主要水害威胁含水层。该矿急倾斜煤层自上而下分水平进行开采，每一水平的段高为30米，水平之间留设5m的隔离煤柱，开采方法为伪倾斜柔性掩护支架采煤法，沿伪倾斜布置采煤工作面，工作面伪倾斜角度为30°。受区域推覆构造影响，研究区域小断层较发育，其中有正断层位于煤层顶板，切割倒转翼太原组灰岩含水层。距离煤层约220m。煤层目前已开采至-480m水平，继续进行深部开采可能会引发该断层的活化，导通太原组灰岩含水层，引发突水事故。本文选择了该煤层底板至太原组灰岩，埋深140m～740m的地层范围，建立了包含断层的三维地质模型。 2.2 模型建立及参数选择
数值模拟过程中共建立了三组模型，通过模拟不同的工作面段高和隔离煤柱大小，研究煤层深部采动下对浅部断层活化的影响。三组模型的工作面参数分别为：工作面段高30m，保留5m煤柱；工作面段高30m，保留6m煤柱；工作面段高25m，保留5m煤柱。三维模型根据研究区域范围内的勘探线地质剖面图建立。模型尺寸为x=600m，y=200m，z=600m，最大模拟深度740m，每组模型的煤层厚度3m，东西走向，煤层倾角70°。断层落差10m，方位角205°，倾角70°，延伸到-130m～-480m。模型顶部压力用等效载荷代替，顶部为第四系地层，取平均密度 ，平均厚度 ，则 （负号代表方向向下）。三维模型如图1所示。
结合地层综合柱状图，为了简化网格剖分的工作量，同时充分体现各层之间的力学性质的差异，将岩性、力学性质和分布厚度相近或相同的岩层划归为一个层组，合并后岩层自上到下可划为13个层组，根据该煤矿岩石力学试验资料以及邻近煤矿的资料，获取岩层物理力学参数，如表1所示。假设岩石各向同性、均质且符合摩尔-库伦（Mohr—Coulomb）弹塑性模型介质，模型底部限制垂直移动，前后和左右限制水平方向位移。模型共划分了201560个单元，233751个节点。
数值模型选取沿煤层走向的中线y=100m处取xz平面垂直切片，作为数值模拟研究的分析断面，为了监测整个断层的活化情况，在断层上、下盘以垂直深度间隔50m选取8对监测点（见图2），通过记录监测点的位移量，计算每对监测点的位移差，来研究断层的活化规律。
3 数值计算与分析
3.1 模拟过程
按照煤矿实际开采情况，模拟开采标高-200m至-700m的煤层，监测和记录煤层往深部开采过程中每个监测点的水平位移量和垂直位移量，计算断层上盘与下盘的位移差，绘制位移差曲线，以此来判断断层的活化情况。
为了方便后文叙述，图1中标明了断层带附近的监测点在模型中的位置及标高。
3.2 断层活化规律分析
1）工作面段高30m，保留5m煤柱
图2为煤层采动过程中断层两盘观测点的水平方向和垂直方向位移差曲线图。由图2可以看出，煤层进行浅部开采时，在水平方向和垂直方向上断层上、下盘位移差很小且无明显变化，基本未受到采动影响，当煤层开采至-570m标高时，不同位置的观测点曲线开始在水平方向和垂直方向同时出现分化，其中-130m至-230m的观测点仍保持较低的变化率，而深部-230m以下的观测点水平方向位移差和垂直方向位移差出现快速增长，说明断层底部位置最先发生活化反应，并随着煤层采深的增加断层两盘距离不断增大，煤层开采结束后，水平方向最大位移差为28.28mm，垂直方向最大位移差为47.10mm，根据断层倾角计算，位移差法向分量为42.39mm，垂直法相分量为34.94mm，断层破碎带的拉破坏大于剪切破坏。
通过计算可以看出，急倾斜煤层深部开采对于断层活化的影响程度显著大于浅部煤层开采。计算结果表明，当煤层开采至-570m标高时，断层带同时出现剪切破坏和拉破坏，断层发生活化，而且随着采深的增加活化程度不断加剧。在实际生产中，煤层预计深部开采将超过-700m标高，断层作为安全隐患极易发生活化引发突水事故。通过降低煤层回采率，来减弱对断层的扰动作用，需要增加隔离煤柱的高度和减小工作面的高度。因此在原模型的基础上，降低煤层回采率，验证上述两种方法是否能起到控制断层活化的作用。
2）工作面段高30m，保留6m煤柱
图3为工作面高度保持30m不变，隔离煤柱高度增加到6m后断层两盘观测点的水平方向和垂直方向位移差曲线图。由图3可以看出，当煤层开采至-600m标高时，断层发生活化反应，煤层开采结束后，水平方向最大位移差为26.04mm，垂直方向最大位移差为29.35mm，断层的活化反应速度在时空分布上均有所降低。
2）工作面段高25m，保留5m煤柱
图4为隔离煤柱高度保持5m不变，工作面高度减小到25m后断层两盘观测点的水平方向和垂直方向位移差曲线图。由图4可以看出，当煤层最早开采至-670m标高时，断层发生活化反应，煤层开采结束后，水平方向最大位移差为7.88mm，垂直方向最大位移差为12.69mm，活化程度微弱，断层的活化反应速度在时空分布上明显降低。
因此，通过增加隔离煤柱的高度以及减小工作面的高度，可以减弱断层的活化程度，延迟断层的活化时间，对控制断层的活化具有明显效果。
4 结论
1）在急倾斜煤层开采过程中，随着开采深度的增加，虽然工作面距离浅部断层越来越远，但是由于持续的扰动作用和不平衡力的积累，当煤层开采至-570m标高时，断层带开始出现剪切破坏和拉破坏，断层发生活化反应，并随着开采深度的增加活化程度不断加剧，断层破碎带上拉破坏大于剪切破坏。
2）通过增大隔离煤柱高度和减小工作面高度可以有效的减小急倾斜煤层深部开采对浅部断层的扰动作用，因此煤矿可以综合考虑两种方法，在保证煤层回采率的基础上，提前做好顶板探放水工作，确保煤矿的安全生产。
参考文献
[1]宋振骐，郝建，汤建泉，石永奎. 断层突水预测控制理论研究[J]. 煤炭学报，2013，09：1511-1515.
[2]许进鹏，张福成，桂辉，张同俊. 采动断层活化导水特征分析与实验研究[J]. 中国矿业大学学报，2012，03：415-419.
[3]姜耀东，王涛，赵毅鑫，王辰. 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，2013，01：1-5.
[4]卜万奎，茅献彪. 断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究[J]. 岩石力学与工程学报，2009，02：386-394.
[5]钱鸣高， 石平五. 矿山压力与岩层控制[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2003：107-115.
[6]李栖凤. 急倾斜煤层开采[M]. 北京：煤炭工业出版社，1984.
[7]魏学勇，武强，赵树贤. FLAC3D在矿井防治水中的应用[J]. 煤炭学报，2004，06：704-707.
关键词：急倾斜煤层；深部开采；数值模拟；断层活化
中图分类号：TD163 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）04（a）-0000-00
Abstract： A certain ore mining area of Huainan mining area belongs to inversion formation， limestone aquifer located seam roof， the activation of fault easily conduct the upper aquifer， leading to water inrush disaster. Facing the continuously increased mining depth status of steep seam， using FLAC3D numerical simulation method， In steep seam mining deep effect on the fault activation of roof is studied， Summarizes the temporal relationship between the depth of steep seam and fault activation， verified by controlling the mining height and isolated coal pillar size， can effectively reduce the disturbance of steep seam faults， It has important theoretical guidance significance and engineering application value to the later stage of steep seam deep mining fault water inrush prediction and prevention.
Keywords： steep seam； deep mining； numerical； fault activation
中图分类号：TD745
我国煤田水文地质条件复杂，在煤矿生产过程中，矿井突水事故频发。据资料统计，其中80%的煤矿突水事故是由断层导水引发的[1]。断层活化是指断层在原始不导水的状态下，受地下工程的扰动作用，导水系数增大而成为导水通道。断裂构造作为一种重要的突水通道，研究分析断层在采动影响下的活化反应，对煤矿的安全生产具有重要意义。对于断层活化的研究，学者们普遍认为，当断层面的切应力τ大于断层面的抗剪强度τn时，即τ≥τn时，断层就会沿断层面发生破裂，上下盘相对移动形成导水通道[2]。姜耀东等[3]把断层接触面以库伦剪切模型代替，研究了采动过程中断层接触面上应力时空演化规律和断层两盘的运动规律；卜万奎等[4]从断层倾角变化的角度研究了断层活化的规律。
虽然目前的研究已经对断层活化的机理和规律有了一定的认识[5]，但是对于如何预测和监测断层活化仍有很大的困难。急倾斜煤层的赋存特征和开采方式决定了其在开采过程中对断层活化的影响与水平煤层具有较大差别[6]。急倾斜煤层进行浅部开采时，扰动作用强度和影响范围有限，不具备诱发附近断层活化的能力；但是随着开采深度的增加，不平衡力积累到一定程度，就会导致浅部断层活化，导通含水层，引发断层突水事故。本文采用数值模拟软件FLAC3D，以急倾斜煤层为研究对象，对煤层深部开采诱发浅部断层活化进行了模拟和预测，并提出了预防和控制断层活化的后期开采方案。
1 FLAC3D计算原理简介
FLAC3D采用了拉格朗日连续介质法（Fast Lagrangian Analysis of Continua），同时还采用了混合离散法和动态松弛法，可以模拟和记录地质体在达到屈服极限时发生的破坏和塑性流动情况，分析渐进式破坏和模块失稳，并且适合于模拟大变形；其根据已知应变增量，可以方便地求得应力增量、不平衡力并跟踪系统的演化过程；由于计算过程中不会形成刚度矩阵，所以运算所需内存很小。除此之外，FLAC3D还具有内嵌的程序语言FISH，使用户可以自行开发系统，增强了程序的灵活性，充分扩展了软件的自身功能。[7]
煤层在采动过程中，破坏了周围岩石的应力平衡，在重力和地应力的作用下，岩石向采空区移动，在不发生破坏的情况之下，相邻岩石的位移变化相差不大，而断层带作为软弱接触面，当采动造成的不平衡力达到临界值时，断层就会在岩石移动过程中沿断层面发生断裂，使断层上、下两盘发生错动和滑移，增大了断层上、下两盘的位移差，即断层进入活化状态。本文基于FLAC3D强大的数值模拟和监测记录功能，监测在急倾斜煤层开采到不同深部时断层上、下盘的相对位移量，研究预测在不同煤层开采强度下的断层活化情况。
2 计算模型建立
2.1 工程概况
淮南矿区某矿为二叠系急倾斜煤层，地面标高+20m。受推覆构造作用，煤田地层发生倒转，总体呈倾伏倒转褶曲形态，主要可采煤层地层倾角为50°～80°，煤层顶底板岩石主要为砂岩、泥岩和砂质泥岩，第四系厚度140m。倒转翼灰岩含水层成为煤层顶板，可采煤层均位于倒转褶曲带下翼，灰岩不仅上覆于煤系地层上方，而且是矿井主要水害威胁含水层。该矿急倾斜煤层自上而下分水平进行开采，每一水平的段高为30米，水平之间留设5m的隔离煤柱，开采方法为伪倾斜柔性掩护支架采煤法，沿伪倾斜布置采煤工作面，工作面伪倾斜角度为30°。受区域推覆构造影响，研究区域小断层较发育，其中有正断层位于煤层顶板，切割倒转翼太原组灰岩含水层。距离煤层约220m。煤层目前已开采至-480m水平，继续进行深部开采可能会引发该断层的活化，导通太原组灰岩含水层，引发突水事故。本文选择了该煤层底板至太原组灰岩，埋深140m～740m的地层范围，建立了包含断层的三维地质模型。 2.2 模型建立及参数选择
数值模拟过程中共建立了三组模型，通过模拟不同的工作面段高和隔离煤柱大小，研究煤层深部采动下对浅部断层活化的影响。三组模型的工作面参数分别为：工作面段高30m，保留5m煤柱；工作面段高30m，保留6m煤柱；工作面段高25m，保留5m煤柱。三维模型根据研究区域范围内的勘探线地质剖面图建立。模型尺寸为x=600m，y=200m，z=600m，最大模拟深度740m，每组模型的煤层厚度3m，东西走向，煤层倾角70°。断层落差10m，方位角205°，倾角70°，延伸到-130m～-480m。模型顶部压力用等效载荷代替，顶部为第四系地层，取平均密度 ，平均厚度 ，则 （负号代表方向向下）。三维模型如图1所示。
结合地层综合柱状图，为了简化网格剖分的工作量，同时充分体现各层之间的力学性质的差异，将岩性、力学性质和分布厚度相近或相同的岩层划归为一个层组，合并后岩层自上到下可划为13个层组，根据该煤矿岩石力学试验资料以及邻近煤矿的资料，获取岩层物理力学参数，如表1所示。假设岩石各向同性、均质且符合摩尔-库伦（Mohr—Coulomb）弹塑性模型介质，模型底部限制垂直移动，前后和左右限制水平方向位移。模型共划分了201560个单元，233751个节点。
数值模型选取沿煤层走向的中线y=100m处取xz平面垂直切片，作为数值模拟研究的分析断面，为了监测整个断层的活化情况，在断层上、下盘以垂直深度间隔50m选取8对监测点（见图2），通过记录监测点的位移量，计算每对监测点的位移差，来研究断层的活化规律。
3 数值计算与分析
3.1 模拟过程
按照煤矿实际开采情况，模拟开采标高-200m至-700m的煤层，监测和记录煤层往深部开采过程中每个监测点的水平位移量和垂直位移量，计算断层上盘与下盘的位移差，绘制位移差曲线，以此来判断断层的活化情况。
为了方便后文叙述，图1中标明了断层带附近的监测点在模型中的位置及标高。
3.2 断层活化规律分析
1）工作面段高30m，保留5m煤柱
图2为煤层采动过程中断层两盘观测点的水平方向和垂直方向位移差曲线图。由图2可以看出，煤层进行浅部开采时，在水平方向和垂直方向上断层上、下盘位移差很小且无明显变化，基本未受到采动影响，当煤层开采至-570m标高时，不同位置的观测点曲线开始在水平方向和垂直方向同时出现分化，其中-130m至-230m的观测点仍保持较低的变化率，而深部-230m以下的观测点水平方向位移差和垂直方向位移差出现快速增长，说明断层底部位置最先发生活化反应，并随着煤层采深的增加断层两盘距离不断增大，煤层开采结束后，水平方向最大位移差为28.28mm，垂直方向最大位移差为47.10mm，根据断层倾角计算，位移差法向分量为42.39mm，垂直法相分量为34.94mm，断层破碎带的拉破坏大于剪切破坏。
通过计算可以看出，急倾斜煤层深部开采对于断层活化的影响程度显著大于浅部煤层开采。计算结果表明，当煤层开采至-570m标高时，断层带同时出现剪切破坏和拉破坏，断层发生活化，而且随着采深的增加活化程度不断加剧。在实际生产中，煤层预计深部开采将超过-700m标高，断层作为安全隐患极易发生活化引发突水事故。通过降低煤层回采率，来减弱对断层的扰动作用，需要增加隔离煤柱的高度和减小工作面的高度。因此在原模型的基础上，降低煤层回采率，验证上述两种方法是否能起到控制断层活化的作用。
2）工作面段高30m，保留6m煤柱
图3为工作面高度保持30m不变，隔离煤柱高度增加到6m后断层两盘观测点的水平方向和垂直方向位移差曲线图。由图3可以看出，当煤层开采至-600m标高时，断层发生活化反应，煤层开采结束后，水平方向最大位移差为26.04mm，垂直方向最大位移差为29.35mm，断层的活化反应速度在时空分布上均有所降低。
2）工作面段高25m，保留5m煤柱
图4为隔离煤柱高度保持5m不变，工作面高度减小到25m后断层两盘观测点的水平方向和垂直方向位移差曲线图。由图4可以看出，当煤层最早开采至-670m标高时，断层发生活化反应，煤层开采结束后，水平方向最大位移差为7.88mm，垂直方向最大位移差为12.69mm，活化程度微弱，断层的活化反应速度在时空分布上明显降低。
因此，通过增加隔离煤柱的高度以及减小工作面的高度，可以减弱断层的活化程度，延迟断层的活化时间，对控制断层的活化具有明显效果。
4 结论
1）在急倾斜煤层开采过程中，随着开采深度的增加，虽然工作面距离浅部断层越来越远，但是由于持续的扰动作用和不平衡力的积累，当煤层开采至-570m标高时，断层带开始出现剪切破坏和拉破坏，断层发生活化反应，并随着开采深度的增加活化程度不断加剧，断层破碎带上拉破坏大于剪切破坏。
2）通过增大隔离煤柱高度和减小工作面高度可以有效的减小急倾斜煤层深部开采对浅部断层的扰动作用，因此煤矿可以综合考虑两种方法，在保证煤层回采率的基础上，提前做好顶板探放水工作，确保煤矿的安全生产。
参考文献
[1]宋振骐，郝建，汤建泉，石永奎. 断层突水预测控制理论研究[J]. 煤炭学报，2013，09：1511-1515.
[2]许进鹏，张福成，桂辉，张同俊. 采动断层活化导水特征分析与实验研究[J]. 中国矿业大学学报，2012，03：415-419.
[3]姜耀东，王涛，赵毅鑫，王辰. 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，2013，01：1-5.
[4]卜万奎，茅献彪. 断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究[J]. 岩石力学与工程学报，2009，02：386-394.
[5]钱鸣高， 石平五. 矿山压力与岩层控制[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2003：107-115.
[6]李栖凤. 急倾斜煤层开采[M]. 北京：煤炭工业出版社，1984.
[7]魏学勇，武强，赵树贤. FLAC3D在矿井防治水中的应用[J]. 煤炭学报，2004，06：704-707.