0 引 言
随着开采深度的加深，井下面临着“三高一扰动”的深部问题[1-3]，造成我国冲击地压现象越来越严重。针对这种重大的井下灾害，相关学者进行了大量的研究，根据冲击地压的诱发因素不同，可以将冲击地压分为不同的类型[4-5]，断层型冲击地压作为其中一种冲击范围大、破坏强度高的类型，被学界通过数值模拟、相似模拟[6-13]、试验与理论推导[14-17]等方法广泛研究。其中，SAINOKI等[18]通过数值模拟软件分析了矿体开挖过程中断层属性对断层活化过程中释放能量的影响，发现断层内摩擦角对其影响最为强烈；姜耀东等[19]进行了砂岩-煤组合试样的双剪切摩擦试样，根据滑移量与应力状态将活化过程划分为：平静期、加速器和稳定期3个阶段；王涛等[20]通过数值模拟方法对比分析上盘开采与下盘开采过程中断层面应力状态，认为下盘开采断层活化危险性更大；张科学等[8]得出了采动影响断层发生滑移活化的3个阶段(失稳期、滑移期和活化期)，提出了断层滑移活化诱发巷道冲击地压机理；王涛等[21]应用数值散斑方法，进行了相似模拟试验，分析了上盘开采工作面不断逼近断层面过程中围岩位移场以及断层面滑移量与应力状态，发现断层远端受回采扰动影响较为敏感；蒋金泉等[22]采用三维数值模拟方法对比了逆断层上下盘开采过程中采动应力演化与断层活化规律，发现下盘开采断层活化危险程度高于上盘开采；焦振华等[23]通过损伤变量得到了逆断层不同属性对断层损伤变量的敏感度。
工作面采动过程中，存在围岩应力场的重新分布，这种应力重分布的过程对断层作用机制是动态的；受这种动态作用机制的影响，断层面发生复杂的力学行为，最终发生滑移错动。断层的这种复杂力学过程对工作面应力状态造成影响，诱发冲击地压灾害。因此，探明采动与断层活化对工作面应力场的耦合作用有助于进一步探明断层型冲击地压力学机制。由于断层活化过程以及断层本身的存在改变了井下环境，通过试验以及理论推导手段完整地还原采动应力场对断层的影响比较困难。目前研究多单一地关注采动应力场或者断层活化过程本身，对于断层活化过程的综合性分析以及断层与采动对工作面应力场耦合作用机制研究相对较少。
笔者通过活化倾向性指标Ts、断层面三维位移矢量以及断层面应力状态，综合性地分析了受采动影响，逆断层阶段性活化及其对工作面应力状态影响，进一步分析了逆断层性质对工作面应力状态的影响。旨在明确指出逆断层与采动复杂的相互作用机制，以期为采动影响下逆断层冲击地压机理提供一定的理论参考。
1 采动下与逆断层活化机制数值分析
1.1 义马煤田工程概况
河南义马煤田为一冲击地压事故多发矿区，义马煤田地质地貌复杂，辖区范围内伴生丘陵、沟壑、断层、褶曲等地质构造，如图1所示。其中，F16逆断层横贯义马煤田，该断层为一压扭性逆断层，属于三门峡～平舆断层的组成部分，在陕渑～义马矿区延展长度约45 km，浅部在中、上侏罗统刚性砾岩中，断层倾角为75°左右，深部在柔性泥质岩层和煤层中，倾角变小，倾角一般15°～35°，逆冲面上陡下缓，断距由耿村矿向东至千秋矿、跃进矿、常村矿逐渐变小，垂直落差50～500 m。
图1 义马矿区地质构造
Fig.1 Geological structure of Yima Mining Area
1.2 数值模型建立
基于义马煤田地质资料，对相关参数进行折减优化后，运用FLAC3D软件建立数值模型，模型尺寸与开采方式如图2所示，模型高109 m，走向长200 m，倾向长400 m。图中，蓝色区域代表煤层，红色区域代表逆断层面，白色箭头所指的方向为工作面推进方向。断层倾角为45°、断层落差20 m。下盘工作面布置如图3所示。工作面长120 m，沿倾向方向推进，煤层两侧留有边界煤柱。
图2 三维数值模型示意
Fig.2 3D numerical model diagram
图3 工作面布置示意
Fig.3 Schematic layout of working face
在数值模拟过程中，选取了断层面中轴线上分别靠近原岩、顶板、煤层与底板岩层区域的4个不同测点，如图4所示，监测这4个测点切向应力、法向应力与滑移倾向性指标。
图4 断层面各测点示意
Fig.4 Position diagram of each measuring point on the fault
断层面以接触面代替，模型采用摩尔库仑破坏准则。模型边界条件：模型埋深1 000 m，顶部为自由边界，施加上覆岩层自重应力，模型四周施加水平方向的位移约束，施加侧向压力，底部边界固定[12-13]。各岩层力学性质参数见表1，断层力学性质参数如下：
法向刚度/GPa30切向刚度/GPa30抗拉强度/MPa0.5内摩擦角/(°)45
表1 各岩层力学性质参数
Table 1 Mechanical parameters of each rock layer
岩性体积模量/GPa剪切模量/GPa黏聚力/MPa抗拉强度/MPa内摩擦角/(°)底板12.19.24.72.837煤层1.61.42.40.232顶板10.47.33.92.130上覆岩层13.310.85.13.234
1.3 断层滑移倾向性指标Ts
FLAC3D中接触面本构模型选用库仑剪切破坏模型，根据库仑剪切破坏准则可以给出接触面节点发生滑动所需要的切向力为
Fmax=CiA+Fntan φi
(1)
式中：Fmax为节点滑动切向力；Ci为接触面节点上的黏聚力；φi接触面节点内摩擦角；A为接触面节点代表面积；Fn为接触面节点法向力。
考虑到黏聚力相对于节点上的切向力与法向力来说很小，可以将其忽略，因此公式(1)两端除以面积A，简化后可以写作
(2)
公式(2)为断层临近破坏时，切向应力与法向应力的关系，同样地，可以定义断层面任意时刻的切向应力τ与法向应力σn之间的比值为滑移倾向性Ts，即
(3)
文献[24]根据滑移倾向性指标与断层摩擦因数，给出了断层活化瞬间两者的关系，对应于接触单元为：当Ts≥tan φi时，可以判定该接触面节点发生破坏；当Ts
2 采动影响下逆断层活化过程分析
2.1 逆断层滑移倾向性Ts空间分布
工作面推进到距离断层不同位置时Ts空间分布如图5所示。图中灰色平面给出了以Ts=tan φi面为基准的活化危险面，该基准面之下的区域处于稳定状态，高于该基准面的断层区域为活化危险区域。分析发现：靠近原岩处断层区域为整个断层面中断层活化性指标最高的区域，靠近顶板区域次之，靠近煤层与底板处断层面Ts相对处于较低的水平。
图5 工作面距断层不同位置处断层面Ts空间分布
Fig.5 Spatial distribution of Tsvalue of fault with different distance between working face and fault
受采动影响，断层面Ts空间分布情况会随着工作面不断逼近而变化。当开采工作面距离断层面127 m时，整个断层区域处于活化危险基准面之下，此时整个断层面处于准静态；当工作面推进到距断层67 m时，部分靠近原岩区域处的断层面Ts超过了活化危险基准面，该区域断层处于活化危险状态；当工作面继续推进到距断层27 m时，靠近原岩区域附近断层面Ts基本全部超过活化基准面，完全进入活化阶段；部分靠近顶板断层面Ts超过活化基准面，该区域断层开始由准静态转入活化阶段。
总体来说，随着工作面不断向逆断层逼近，断层面上部区域最先发生活化，且该活化趋势由上至下不断蔓延。但是在整个蔓延过程中，靠近煤层与底板区域断层面Ts一直位于活化基准面之下，保持在准静态。
2.2 逆断层位移阶段性转变分析
工作面到断层面不同距离时，断层下盘位移如图6所示。由图6能够更加直观地看出断层面整体位移的趋势，有助于分析断层活化过程中各阶段的变化情况。
图6 工作面距断层不同位置断层下盘位移三维示意
Fig.6 Three-dimensional schematic of displacement of fault with different distance between working face and fault
开采初期工作面距离断层较远，为127 m时，整个逆断层面受水平应力的主控影响，上下盘之间相互咬合，逆断层下盘整体存在较小的向上位移，断层处于准静态。位移最大值位于断层面中轴线处，且由中轴线位置沿两侧对称逐渐减小；随着工作面不断推进，到距离断层67 m时，下盘上部靠近原岩区域位置位移方向由原先的整体向上逐渐弱化转变为向下的趋势，而靠近原岩区域以下位置的断层面仍然保持着向上的位移趋势。从图6b中可以看出，特别是断层面下盘上部区域中轴线位置，这种趋势的转变尤其明显，此时断层面开始进入活化阶段；当工作面继续推进到距离断层27 m时，从图6c可以看出，下盘大部分靠近原岩区域断层面发生了向下的滑移，靠近顶板区域的断层面位移趋势也由向上转变为向下滑移，此时部分断层面进入滑移错动阶段。
因此，由断层面位移三维变化情况可以看出：断层面受采动影响发生活化，上部区域最先发生反应，由准静态阶段逐渐向活化阶段转变，随着开采工作面不断接近断层面，断层面上部区域进入错动阶段，且将该活化趋势由上向下蔓延，进一步扩大至大部分断层面，造成大规模的滑移。
2.3 逆断层滑移倾向性及应力状态变化分析
根据上述内容分析，断层面中轴线位置为整个面上位移、滑移倾向性最高的位置，断层面靠近不同岩层区域处Ts与应力状态随工作面到断层面距离的变化如图7所示，工作面布置在断层下盘煤层当中，在数值模拟过程中，工作面沿倾向不断向断层面逼近，选取了靠近原岩、顶板、煤层与底板4个不同岩层区域断层面中轴线上的4个测点，监测4个测点切向应力、法向应力与滑移倾向性指标。
图7 不同岩层区域附近断层面应力与滑移倾向性变化曲线
Fig.7 Curves of stress and slip tendency of fault close to different strata
靠近底板区域的断层面测点在整个回采过程中，切向应力、法向应力均保持在较为平缓的水平，相应的Ts变化不大，远低于活化基准线以下，该区域断层面一直处于准静态；靠近煤层区域处，断层面应力状态在工作面推进至距断层60 m左右位置前，处于平缓状态。小于60 m之后，断层面切向应力开始快速增长，法向应力相对增速缓慢，Ts相应地快速增长，但在整个过程中仍然处于活化基准线之下，因此靠近煤层区域断层面同样处于准静态；靠近顶板断层区域处切向应力、法向应力与Ts在工作面推进至距断层80 m左右前一直处于平稳状态，之后切向应力增速迅速加快，相应地Ts也快速增长，当工作面推进至距断层40 m左右时，Ts超过活化基准线，表明该区域断层面进入活化阶段；靠近原岩处断层面切向应力从工作面推进开始就快速增长，法向应力相反地快速下降，相应地Ts迅猛增长，在工作面推进至距离断层80 m左右时，Ts超过活化基准线，此时该区域断层面进入活化阶段。当工作面继续推进至距断层60 m左右时，切向应力开始下降，相应地Ts也开始急剧下降，此时该区域断层完全处于滑移错动阶段。
对比发现：靠近不同岩层区域处的应力状态与活化程度受采动影响变化趋势不尽相同，其中：靠近底板与煤层断层面区域，在整个工作面推进过程中切向应力与法向应力增速均较平缓，Ts处于活化危险线以下，处于准静态阶段；靠近顶板断层面区域在工作面靠近至断层面一定距离后，切向应力迅速增加，导致Ts超过活化危险线，进入活化阶段；靠近原岩区域附近断层面法向应力随工作面推进不断减小，切向应力先增大后减小，对应的Ts迅猛增加超过活化危险性之后，断层面由准静态进入活化阶段，Ts进一步增大至峰值后快速下降，此时，该区域断层面由活化阶段进入滑移错动阶段。
根据断层面位移、应力状态以及滑移倾向性分析，可以将断层面活化过程分为3个阶段：准静态阶段、活化阶段、滑移错动阶段。准静态阶段过程中断层面Ts处于缓慢增长过程且处于活化基准线之下，下盘位移沿着断层面向上；当Ts超过活化基准线之后，断层面由准静态阶段转入活化阶段，该阶段下盘位移向上趋势减弱开始向沿着断层面向下的方向转变；当Ts到达峰值之后，断层面切向应力开始突然下降，Ts也开始下降，此时断层进入滑移错动阶段，位移沿着断层面向下。
3 逆断层对采动应力场的影响
3.1 逆断层阶段性活化对工作面应力状态影响
煤体内部应力集中程度可以一定程度的影响工作面冲击地压的发生，因此分析了工作面超前支承压力分布曲线受断层阶段性转变过程影响的变化情况，如图8所示，图中红色点标出了最大超前支承压力，根据该值可以得到：工作面分别推进至距离断层167、127、67、27 m时，断层面靠近原岩区域经历了准静态、活化、滑移错动阶段，对应的超前支承压力应力集中系数为：1.630、1.680、1.675、1.612。超前支承压力集中系数在1.61～1.68间小范围浮动。可见，断层在开采扰动过程中阶段性转变对于工作面超前支撑压力没有明显的影响。
图8 工作面距断层不同位置的超前支承压力分布曲线
Fig.8 Curve of lead abutment pressure with different distances between working face and fault
3.2 逆断层倾角对工作面应力状态影响
工作面推进160 m后工作面超前支承压力分布在不同断层倾角θ情况下的对比如图9所示。图9中红色曲线为模型所加载的原岩应力水平，为20 MPa。图中不同倾角断层下，工作面超前支承压力在前方40 m范围内逐渐增大到峰值应力，随后由峰值应力缓慢减小到原岩应力水平，且倾角较小的断层相较于倾角较大断层会快速达到较高的峰值后快速下降到原岩应力水平。图中分别标注出了最大应力集中系数与最小应力集中系数，分别位于θ=30°、θ=55°所在曲线上。最大集中系数为2.08，最小集中系数为1.91。从图中可以看出，超前支承压力集中系数受到断层倾角的影响，随着断层倾角的增大，该系数由2.08逐渐减小到1.91，且断层倾角为40°～55°的应力集中系数相差不多，θ减小到35°之后，该系数出现明显的增大。因此，两者之间存在着非线性相关性，断层倾角越小，工作面超前支承压力集中系数越大。
图9 不同倾角断层工作面超前支承压力对比曲线
Fig.9 Contrast curves of the lead abutment pressure of different fault dip angles
4 结 论
1)根据断层活化倾向性指标Ts定量分析了逆断层面活化过程，随着下盘工作面不断向逆断层逼近，逆断层面上部区域最先发生活化，并由上至下开始逐渐活化。但是在整个回采过程中，靠近煤层与底板断层面区域一直保持在准静态。
2)综合断层面活化倾向性、位移以及应力状态，将逆断层活化过程分为3个阶段：准静态阶段、活化阶段以及滑移错动阶段。准静态阶段过程中断层面Ts增长缓慢且处于活化基准线之下，下盘位移沿着逆断层面向上；当Ts超过活化基准线之后，断层面由准静态阶段转入活化阶段，该阶段下盘位移向上趋势减弱，开始向沿着逆断层面向下的方向转变；当Ts到达峰值之后，逆断层面切向应力开始突然下降，Ts也开始下降，此时逆断层进入滑移错动阶段，下盘位移沿着逆断层面向下。
3)逆断层阶段性活化过程对工作面超前支承压力没有明显的影响。但是，逆断层倾角的变化对工作面超前支承压力有着一定的影响，且逆断层倾角越小，超前支承压力集中系数越高，越容易诱发冲击地压的发生。
[1] 谢和平,高 峰, 鞠 杨.深部岩体力学研究与探索[J].岩石力学与工程学报, 2015,34(11):2161-2178.
XIE Heping, GAO Feng, JU Yang.Research and development of rock mechanics in deep ground engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(11):2161-2178.
[2] 何满潮,谢和平,彭苏萍,等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报, 2005,24(16):2803-2813.
HE Manchao, XIE Heping, PENG Suping, et al.Study on rock mechanics in deep mining engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005,24(16):2803-2813.
[3] 齐庆新, 李一哲, 赵善坤, 等.我国煤矿冲击地压发展70年:理论与技术体系的建立与思考[J].煤炭科学技术, 2019,47(9):1-40.
QI Qingxin, LI Yizhe, ZHAO Shankun, et al.Seventy years development of coal mine rockburst in China:establishment and consideration of theory and technology system[J].Coal Science and Technology, 2019,47(9):1-40.
[4] 潘一山, 李忠华, 章梦涛.我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究[J].岩石力学与工程学报, 2003,22(11):1844-1851.
PAN Yishan, LI Zhonghua, ZHANG Mengtao.Distribution, type, mechanism and prevention of rockburet in China[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 2003,22(11):1844-1851.
[5] 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, 2013,39(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, 2013,39(2):205-213.
[6] 吕进国, 姜耀东, 李守国, 等.巨厚坚硬顶板条件下断层诱冲特征及机制[J].煤炭学报, 2014,39(10):1961-1969.
LYU Jinguo, JIANG Yaodong, LI Shouguo, et al.Characteristics and mechanism research of coal bumps induced by faults based on extra thick and hard roof[J].Journal of China Coal Society, 2014,39(10):1961-1969.
[7] 宋义敏, 马少鹏, 杨小彬, 等.断层冲击地压失稳瞬态过程的试验研究[J].岩石力学与工程学报, 2011,30(4):812-817.
SONG Yimin, MA Shaopeng, YANG Xiaobin, et al.Experimental investigation on instability transient process of fault rockburst[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(4):812-817.
[8] 张科学, 何满潮, 姜耀东.断层滑移活化诱发巷道冲击地压机理研究[J].煤炭科学技术, 2017,45(2):12-20.
ZHANG Kexue, HE Manchao, JIANG Yaodong.Mechanism research of roadway pressure bump induced by fault slip and activation[J].Coal Science and Technology, 2017,45(2):12-20.
[9] 李忠华, 潘一山.基于突变模型的断层冲击矿压震级预测[J].煤矿开采, 2004,9(3):55-57.
LI Zhonghua, PAN Yishan.Forecasting scale of seismic magnitude caused by fault impact pressure based catastrophe model[J].Coal Mining Technology,2004,9(3):55-57.
[10] 王学滨, 潘一山, 海 龙.基于剪切应变梯度塑性理论的断层岩爆失稳判据[J].岩石力学与工程学报, 2004,23(4):588-591.
WANG Xuebin, PAN Yishan, HAI Long.Instability criterion of fault rockburst based on gradient-dependent plasticity[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004(4):588-591.
[11] 齐庆新, 史元伟, 刘天泉,等.冲击地压粘滑失稳机理的实验研究[J].煤炭学报, 1997,22(2):34-38.
QI Qingxin, SHI Yuanwei, LIU Tianquan, et al.Mechanism of instability caused by viscous sliding in rock burst[J].Journal of China Coal Society, 1997,22(2):34-38.
[12] 王宏伟, 邵明明, 王 刚, 等.开采扰动下逆冲断层滑动面应力场演化特征[J].煤炭学报, 2019,44(8):2318-2327.
WANG Hongwei, SHAO Mingming, WANG Gang, et al.Characteristics of stress evolution on the thrust fault plane during the coal mining[J].Journal of China Coal Society,2019,44(8):2318-2327.
[13] 张科学.构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制研究[J].岩石力学与工程学报,2017,36(4):1040-1040.
ZHANG Kexue.Mechanism study of coal bump under tectonic and ultra-thick conglomerate coupling conditions in mining roadway[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2017,36(4):1040-1040.
[14] 王 浩, 赵毅鑫, 牟宗龙, 等.综放工作面采动诱发逆断层张剪失稳特征及矿震活动规律分析[J].煤炭学报, 2017,42(10):2573-2581.
WANG Hao, ZHAO Yixin, MOU Zonglong, et al.Characteristics of seismic activity and tensile-slip features of fault under stress and displacement disturbance in full-mechanized workface[J].Journal of China Coal Society, 2017,42(10):2573-2581.
[15] 张科学.构造与巨厚砾岩耦合诱发冲击地压发生规律研究[J].煤炭技术,2016,35(12):12-15.
ZHANG Kexue.Occurrence regulation study of tectonic and ultra-thick conglomerate coupling induced coal bump[J].Coal Technology,2016,35(12):12-15.
[16] 曾宪涛.巨厚砾岩与逆冲断层共同诱发冲击失稳机理及防治技术[D].北京:中国矿业大学(北京),2014:1-10.
[17] 张科学.构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机理研究[D].北京:中国矿业大学(北京),2015:1-30.
[18] SAINOKI Atsushi, MITRI Hani S.Dynamic behaviour of mining-induced fault slip[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,66:19-29.
[19] 姜耀东, 王 涛, 宋义敏, 等.煤岩组合结构失稳滑动过程的实验研究[J].煤炭学报, 2013,38(2):177-182.
JIANG Yaodong, WANG Tao, SONG Yimin, et al.Experimental study on the stick-slip precess of coal-rock composite samples[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013,38(2):177-182.
[20] 姜耀东, 王 涛, 赵毅鑫, 等.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, et al.Numerical simulation of fault activation pattern induced by coal extraction[J].Journal of China University of Mining & Technology, 2013,42(1):1-5.
[21] 王 涛, 姜耀东, 赵毅鑫, 等.断层活化与煤岩冲击失稳规律的实验研究[J].采矿与安全工程学报, 2014,31(2):180-186.
WANG Tao, JIANG Yaodong, ZHAO Yixin, et al.Experimental research on fault reactivation and relating coal bumps[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014,31(2):180-186.
[22] 蒋金泉, 武泉林, 曲 华.硬厚岩层下逆断层采动应力演化与断层活化特征[J].煤炭学报, 2015,40(2):267-277.
JIANG Jinquan, WU Quanlin, QU Hua.Characteristics of mining stress evolution and activation of reverse fault below the hard-thick strata[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015,40(2):267-277.
[23] 焦振华, 赵毅鑫, 姜耀东, 等.采动诱发断层损伤滑移及其影响因素敏感性分析[J].煤炭学报, 2017,42(S1):36-42.
JIAO Zhenhua, ZHAO Yixin, JIANG Yaodong, et al.Fault damage induced by mining and its sensitivity analysis of influencing factors[J].Journal of China Coal Society, 2017,42(S1):36-42.
[24] 张科学.深部煤层群沿空掘巷护巷煤柱合理宽度的确定[J].煤炭学报,2011,36(S1):28-35.
ZHANG Kexue.Determining the reasonable width of chain pillar of deep coal seams roadway driving along next goaf[J].Journal of China Coal Society,2011,36(S1):28-35.
[25] MORRIS Alan, FERRILL David A, HENDERSON D Brent.Slip-tendency analysis and fault reactivation[J].Geology, 1996,24(3):275-278.
