Effect of small faults activation on failure and permeability of overburden strata in goaf
断层作为一种地质构造，严重危害到采煤工作面的顺利推进，甚至对井下作业人员的生命安全造成威胁。 早在20 世纪，国内外就充分认识到断层的危害以及查明断层破坏规律的重要性［1-2］，开始运用理论研究和数值模拟来研究断层的采动活化规律。 21 世纪以来，煤矿开采深度逐渐加大［3-4］，断层成为开采过程中不容忽视的一个重要危险源。 不论是在断层上盘开挖还是下盘开挖，都会使垂直断层面在自重体积力作用下表现出具有正断层方式的错动，错距由上到下逐渐减少到0［5］。 断层倾角越大，断层越容易活化与突水［6］；断层附近的水平位移呈现出马鞍形，证实了断层附近发生了滑移错动［7］。 下盘采动对断层的影响范围更为集中，活化危险性更高［8］。 覆岩重力以及采空区岩层下滑力叠加作用下容易使得断层下盘岩体以某一轴线发生扭转，增大了冲击危险性［9］。 逆断层下盘工作面煤层直接顶断层带活化的可能性大于上盘工作面，高位岩浆岩断层带活化的可能性小于下盘工作面［10］。 通过数值模拟软件分析矿体开挖过程中断层属性对断层活化滑移量以及释放能量的影响，发现断层内摩擦角对其影响最为强烈［11］；模拟不同水平应力下断层的滑移，提出水平应力是煤层开采诱发断层滑动的主要驱动力［12］。 开采层上方断层先于开采层下方断层“活化”［13］；对于落差较大、上下盘应力差较大的断层，活化非常强烈［14］。 煤体承载力的局部失效会引起断层的滑移［15］，断层滑移对工作面煤体的作用形式表现为非稳态的冲击和加卸载作用［16］。 垂直于断层的工作面对断层的扰动作用远小于平行于断层的工作面，前者引起动力灾害的风险要低得多［17-18］。 断层滑移滞后于煤岩体中应变能的剧烈释放，应变能峰值＂突降＂现象可作为判断断层滑移失稳的前兆［19］。 断层切割形成断层煤柱与覆岩异形结构，断层倾向与阻隔效应，以及硬厚岩层持久悬空对采动应力及潜在冲击危险区均存在显著影响［20］。 上述研究主要针对岩层应力演化因素而开展研究，就断层对采空区上层覆岩运移破坏及渗透性的影响特性理解不够。 笔者利用数值模拟方法，分析不同倾角和不同断距的断层对覆岩破坏及渗透性的影响，为煤矿回采工作面过断层时巷道支护优化提供依据。
以河南神火煤电股份有限公司薛湖煤矿25030工作面为工程背景。 该工作面位于矿井东翼25 采区，水平标高-780 m，地面标高+37.5 m，工作面标高-725～-635 m。 工作面煤层厚度0.5 ～3.2 m，平均厚度2.2 m，煤层结构简单；煤层倾角15°～2°，平均11°；走向长度1 022 m，倾斜长度195 m，面积174 442 m2。 工作面开切眼附近有岩浆岩侵入，造成煤层变薄，对回采有一定影响。 煤质为贫煤，煤岩类型以亮煤为主，硬度较大，为Ⅱ～Ⅲ类，构造煤不发育。 煤层顶底板岩层情况见表1。
表1 煤层顶底板及其岩性组成
Table 1 Roof and floor coal seam its lithologic composition
岩层岩性厚度／m岩性描述基本顶中粒砂岩5.99灰白色，致密块状，成分以石英为主，硅质胶结直接顶泥岩与砂岩互层5.98灰黑色，薄层状，水平层理发育，局部地段发育裂隙及滑石伪顶炭质泥岩0～0.40黑色，层状，局部地段破碎直接底粉砂岩3.99灰黑色，含植物根化石，击之易碎，不显层理基本底细粒砂岩8.39灰色，成分以石英为主，具水平层理，层面含炭质
结合矿井地质报告，确定煤层及岩层模型的力学参数见表2。 结合工作面实际煤岩层情况及模拟需要，物理模型尺寸确定为600 m（长）×60 m（高）。假设断层穿过整个煤岩层，模拟煤层埋深817.5 m，顶部均匀施加20.4 MPa 的垂直应力，左右边界水平位移设为0，下边界垂直位移设为0。 采用摩尔-库伦模型，左边界留宽150 m 煤柱以消除边界效应，从150 m 处开挖长200 m 的工作面至350 m 处，每步开挖10 m，平衡后继续开挖下一步。 为研究方便，分别在距离煤层底板2、14、21、28、41 m 处设置位移监测线L1 ～L5（图1）。
表2 煤层及覆岩力学性质
Table 2 Mechanical properties of coal seam and overburden strata
岩性厚度／ m密度／（kg·m-3）体积模量／GPa剪切模量／GPa黏聚力／MPa抗拉强度／MPa内摩擦角／（ °）砂质泥岩52 50066.6226.3518.003.839细砂岩22 70078.8424.4425.003.243铝质泥岩52 50070.6228.3516.003.837砂质泥岩82 50066.6226.3518.003.834粉砂岩72 35570.9226.5514.003.839砂质泥岩42 50066.6226.3516.003.134泥岩32 25054.3922.2719.003.830粉砂岩62 70078.8424.4425.003.241细砂岩62 35562.9226.551.041.127煤2 1 45010.5510.540.800.816粉砂岩42 35562.9226.551.241.135细砂岩82 70078.8424.4425.001.241断层—2 0002.002.000.50018
图1 数值模拟地质模型示意
Fig.1 Schematic diagram of geological model for numerical simulation
UDEC 数值模拟软件是一种离散元数值模拟软件，针对非连续介质的平面离散单元数值模拟方法，它已经在岩土、采矿、地质等领域得到广泛应用。 该软件应用在岩土力学模拟方面具有优势，能够模拟块体的运动，并且考虑块体运动可能出现的不连续现象，能较好地模拟岩层离层现象。 利用该软件进行数值模拟，其具体流程方法如图2 所示。
图2 UDEC 数值模拟软件流程
Fig.2 Flow chart of UDEC numerical simulation software
选取倾角45°、水平断距4 m、落差1 m 的正断层，从150 m 处开挖，模拟得到工作面位于断层前70、40、20 m 及过断层10、30、60 m 时覆岩破坏特性。 由图3 可以看出：
1）工作面距离断层较远时（70、40 m），采空区覆岩未受到断层扰动。 工作面推进50 m 距断层70 m时，第一次周期来压，基本顶垮落至采空区。基本顶上部覆岩平均下沉量1.53 m，基本顶平均下沉量1.78 m。
2）随着工作面不断推进，工作面逐渐接近断层，距断层20 m 时，断层出现滑移，由图3c 可以看出，断层面所在位置以及附近的位移矢量，并不是垂直向下，而是出现斜向下的趋势，下盘沿着断层出现滑移比较明显。 受到断层下盘沿着断层滑移错位形成的支撑力，断层面附近的上盘下沉量相较下盘出现明显下降。
图3 过断层开挖进程覆岩位移
Fig.3 Overburden displacement diagram during excavation through fault
3）工作面过断层10 m 处，开挖后采空区上方覆岩位移出现滞后现象，即覆岩并不会在煤层采空后马上出现位移，而是在采空区向前推进后才开始逐渐下沉，并且上盘下沉量小于下盘，上盘平均下沉量为1.36 m，下盘平均下沉量为1.89 m。
4）工作面过断层60 m，覆岩受到断层的影响逐渐减弱，位移逐渐符合无断层开采覆岩移动规律。此时采空区及上方覆岩位移趋于稳定，断层面附近上盘覆岩位移小于下盘，上盘楔形头部的平均下沉量为1.5 m，下盘对应位置的平均下沉量为1.89 m。覆岩位移在工作面过断层40 m 左右的位置开始恢复正常，呈现与未受断层扰动时相同的位移规律。
整个过程中，下盘沉降位移主要以下沉为主，上盘受到断层影响，楔形头部受到断层滑移的支撑，岩层垮落不充分，因而下沉量小于下盘。
开挖200 m 进入平衡状态后，可以认为覆岩垮落已充分进行。 对位移矢量进行分析，发现未受断层扰动时，在距离底板8 m 和29 m 高处，位移矢量的密集程度有明显降低。 垮落带基本垮落至采空区，上方岩层下落又逐渐压紧，垮落带内部的间隙会被大幅度压缩，而上方断裂带内部存在裂隙，有一定的支撑作用，且上方弯曲下沉带的岩层主要以弯曲变形为主，对下方断裂带的压力相对于断裂带给垮落带的压力较小，因而其位移矢量相较垮落带更加疏松。
结合已有研究结论，认为垮落带和断裂带分界线如图4 所示。 在未受断层扰动时，垮落带高度为8 m，断裂带高度为29 m。 受到断层影响时，断层对上盘覆岩影响较大，上盘断层附近垮落带高度为14 m，断裂带高度为32 m。 断层的存在，对断层附近上盘覆岩的影响较大，使其下沉量减小，并使垮落带和断裂带高度增加，垮落带高度增加的更明显。在工作面远离断层之后，覆岩的下沉规律又恢复如初，呈现与下盘远端相同的下沉规律。
图4 覆岩“三带”划分
Fig.4 Division diagram of overburden “three zones”
将断层倾角分别设置为15°、30°、45°、60°以及75°，断层水平断距设置为4 m。 记录各个岩层位移监测线L1 ～L5的下沉量，及开挖200 m 之后的上覆岩层位移（图5）。
图5 不同倾角开挖200 m 之后的上覆岩层位移及下沉量
Fig.5 Overburden strata displacement and subsidence after excavation of 200 m at different dip angles
当工作面从距断层破碎带较远处向断层推进，直至穿过断层一段距离之后，岩层应力得到充分释放达到平衡状态以后，有无断层存在对岩层位移状态影响很大。 断层下盘滑移错位容易在断层面形成支撑，阻碍上盘覆岩的沉降，所以上盘下沉量相对于下盘在断层附近有明显的下降，下沉量差值最大可达1 m，在断层倾角75 °时出现，此时断层对开挖造成的危险最大。 这种对上盘垮落带的支撑作用在倾角越小时作用越大，在断层倾角为45°时，断层上方距底板2 m 高度处，覆岩位移出现明显下降，由平均1.83 m 下降至平均1.3 m；但是断层对整个上盘岩层影响的范围，在15°左右达到影响范围的最大值（水平和垂直方向），可以影响到距断层水平距离50 m远处，上至上边界。
为研究断层水平断距对上覆岩层的采动影响，将断层水平断距设置为2、4、6、8、10 m，断层倾角设置为45°，记录各个岩层位移监测线L1 ～L5 的下沉量，不同水平断距时模拟开挖200 m 后采空区上覆岩层移动破坏情况如图6 所示。
断层水平断距的大小对上覆岩层的影响，具体表现为上盘的下沉量受断层水平断距的影响，相对于无断层影响时大幅减小。 断层水平断距的宽度，影响断层正上方岩层位移，水平断距越宽，垮落位移越大。 水平断距越宽，断层上盘受到断层的支撑力越大，过断层后上盘覆岩的位移越小，表现在图中的开采距离100～150 m 附近的下沉量数值越小，水平断距为10 m 时，上盘覆岩位移最小，平均为1.58 m。断层水平断距越宽，断层上下盘下沉量差值越大，表现在图6 中距底板2 m 高度的覆岩位移曲线上凸面积越小，工作面过断层时危险性越大。
图6 不同水平断距开挖200 m 之后的覆岩位移云图及下沉量
Fig.6 Overburden displacement and subsidence after excavation of 200 m at different horizontal separation
上覆岩层孔隙率分布，代表着其内部的孔隙和离层间隙的分布情况，查明孔、裂隙分布，需要计算破碎后的岩体体积与原岩体积的差值占破碎岩体体积的比例，用下式表示：
式中：φ 为孔隙率；V1为原岩体积；V2为破碎岩体积；hi、hi+1分别为第i、i+1 层岩石下沉后高度；Hi、Hi+1分别为第i、第i+1 层岩石下沉前高度；Wi为第i 层岩石下沉量；Mi为第i 层原岩厚度。
计算结果显示，在断层影响下，孔隙率突然上升，这是因为断层活化后下盘对上盘的支撑作用，影响了上盘岩层的垮落，上盘岩层的应力不能集中施加于断层附近的破碎岩，因而不能完全压实，孔隙率相对于邻近的采空区呈现跳跃式的上升（图7a）。水平断距相同时，断层倾角不同，这种跳跃式的增长影响的范围不同，在75°时影响范围和上升幅度较小。 断层造成的孔隙率上升相当于未受断层影响时的5.08～10 倍，随着断层倾角的增加，断层造成的垮落带孔隙率上升幅度随之减小。 断层倾角越小，断层对上方岩层的影响范围和上升幅度就越大，对应图7 中曲线上凸的面积越大，且断层的影响开始出现的位置距离越近，倾角15°时在距断层40 m 就开始出现扰动，倾角75°时到接近断层才开始出现扰动。
水平断距不同时，断层附近孔隙率上升幅度不同，相当于未受断层影响时的7.65 ～9.84 倍不等，随着水平断距的加大，断层上方垮落带垮落更充分，导致孔隙率虽有上升却相对于水平断距较窄时上升幅度更小（图7b）。 过断层后，水平断距不同，垮落带垮落的情况也有差别：水平断距越大，下盘对上盘支撑作用影响的范围越远，导致断层上方垮落带出现较大的孔隙率，表现在图7b 中的150 m 左右对应的孔隙率回落较小，且回落至拐点的位置更靠后。 这种情况的出现，说明水平断距越大，断层上盘不同水平位置的垮落情况越是参差不齐，危险性越大。
图7 垮落带孔隙率分布
Fig.7 Porosity distribution of caving zone
如图8a、图8b 所示，断裂带在断层的影响下也出现孔隙率上升，在断层附近出现大幅上升。 水平断距相同而断层倾角不同时，断层附近断裂带孔隙率上升幅度相当于未受断层影响时的8.38 ～20.64倍，最为明显的是45°，上升幅度相当于未受扰动时的20.64 倍，孔隙率在断层附近出现显著增加，呈现的趋势符合断层倾角越大，孔隙率越大。 另一方面，断层倾角相同而水平断距不同时，断层附近的断裂带孔隙率上升幅度为未受断层影响时的10.65 ～20.60倍，水平断距4 m 时上升幅度最大，呈现的趋势符合水平断距越大，孔隙率越小。 断层所在采空区正上方垮落带和断裂带的下沉量测线L6 和孔隙率分布如图9、图10 所示。
图8 断裂带孔隙率分布
Fig.8 Porosity distribution of fracture zone
图9 断层所在采空区正上方垮落带和断裂带的下沉量测线
Fig.9 Subsidence measuring line of caving and fracture zones over goaf where the fault is located
由图10a 可以看出：断层正上方垮落带孔隙率与倾角关系总体呈逐渐先上升后下降趋势，随着倾角的增大，断层对上方覆岩的支撑作用先上升后下降，在45°达到最大；而断裂带的孔隙率随着角度的增加呈逐渐上升趋势；断层倾角越大，过断层后断层垮落带垮落越严重，同时断裂带出现更多不稳定岩块，大大增加了垮落危险性。
垮落带覆岩孔隙率与断层水平断距关系大体上呈先上升后下降趋势（图10b）。 水平断距越宽，断层对上方覆岩的支撑作用就越小，覆岩垮落之后被压得越紧实，而断裂带孔隙率随水平断距的增加略微上升。 结合垮落带孔隙率变化规律，说明水平断距越宽，工作面过断层垮落危险性更大。
图10 断层正上方孔隙率变化
Fig.10 Porosity changes over fault
1）正断层下盘开采，在断层前方30 m 开始，断层内部开始出现自上而下滑移，对上盘岩层形成一定的支撑作用，阻碍上盘岩层的沉降，下盘的位移明显大于上盘。 同时断层上方“三带”出现波动：未受断层影响时，垮落带高度为8 m，断裂带高度为29 m；受到断层影响，垮落带高度14 m，断裂带高度为32 m。
2）断层倾角越大，断层对上盘覆岩支撑作用的影响范围越小，断层滑移形成的错位越严重，对开采危险性越大。 且断层的影响开始出现的位置距离越近，倾角15 °时在距断层40 m 就开始出现扰动，倾角75 °时到断层附近才开始出现扰动。 断层水平断距越宽，断层上盘受到断层的支撑力越大，过断层后上盘覆岩的位移越小；断层水平断距越宽，断层下盘下沉量越大，工作面过断层时危险性越大。
3）断层导致附近孔隙率呈现跳跃式的上升，断层倾角越大，孔隙率上升幅度越小；随着断层倾角的增加，断层正上方垮落带孔隙率呈先上升后下降趋势，在45 °达到最大，而断裂带孔隙率随着断层角度的增加呈逐渐上升趋势；随着断层水平断距的增加，垮落带覆岩孔隙率大体上呈先上升后下降趋势，而断裂带的孔隙率略微上升。
4）综合来看，断层倾角越大，水平断距越宽，过断层时覆岩垮落危险性更大；断层倾角越小，水平断距越小，采空区垮落带裂隙发育更充分，可能成为瓦斯逸散的优势通道。
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