ABSTRACT

In order to improve the coal mine production safety in the process of excavation and mining, the precursor of fault activation is predicted reasonably and accurately, and adaptation measures in advance to prevent production accidents are adopted [1] -[3] . Based on numerical simulation of the process of fault activation of pp 62110 Xin Zhuang Zi mine mining area, using RFPA^2D to modeling, calculation, and numerical simulation to predict, the influence of coal mining process to the fault and the activation process are analyzed.

Keywords:Fault Activation, RFPA^2D, Numerical Modeling

新庄孜矿62110采区断层活化过程的数值模拟与初步分析

张  群^*，黄克海^#

中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆

Email: 378555801@qq.com

收稿日期：2014年7月1日；修回日期：2014年7月14日；录用日期：2014年7月29日

摘  要

为了提高煤矿生产过程中掘进与采动的安全性，合理并较为准确的预测前方断层活化的前兆，提前采取应对措施，避免生产事故的发生[1] -[3] ，本文以新庄孜矿62110采区断层活化过程的数值模拟为例，通过使用RFPA^2D对其进行建模、计算及数值模拟预测等，进行分析煤矿开采过程对前方断层的影响及活化过程分析。

关键词

断层活化，RFPA^2D，数值模拟

1. 引言

研究表明[4] -[6] ，在煤矿上的动力灾害中，尤其是在煤矿各种采动中，遇断层的时候瓦斯危害更是尤为突出，由于断层活化引起的煤与瓦斯突出占据了很大一部分，因为在煤层的回采过程中，会引起前方断层的活化，使断层两边或邻近的煤岩体的透气性瞬间发生变化，使瓦斯压力聚变，以引起各种灾害。本文根据新庄孜煤矿62110的实际地质条件，通过RFPA^2D对其采动前方的正断层和逆断层进行模拟计算与分析预测，为采动诱发断层活化研究具有不可或缺的意义。

2. 地质概况

62110底板巷位于六二采区，是开采B₁₀煤层时底板的抽采巷，又是B₁₀煤层的运输巷道。南起F_10-5(11)断层，北至F_10-5(8)断层，走向长约820 m，巷道标高为−683 m。B₁₀煤层属半暗~暗淡型煤，灰黑色，玻璃光泽，参差状断口，裂隙较发育，易碎成片状；赋存状况不稳定，煤厚变异系数较大；煤层中上部常发育1~2层不稳定粉砂质泥岩、含炭泥岩夹矸，厚0.3~0.8 m。施工范围内，B₁₀煤层与B₉煤层的层间距为24~29 m。地质构造，62110底板巷及顺槽位于F_10-5(11)与F_10-5(8)断层之间，地质构造较复杂，次生断层发育，地应力相对集中，地层产状变化较大，围岩破碎。地层走向325˚~330˚，倾角23˚~30˚，施工段内将见F_10-5(10)、Fa断层，见表1。

在本采区B₁₀煤层与B₉煤层均按突出煤层管理。62110底板巷距上覆B₁₀煤层的最小法距预计为8 m，距下伏B₉煤层的最小法距预计为9 m，均小于法距10 m的规定，因此，必须执行“边探边掘”的措施，在钻探掩护下施工，必要时执行“边抽边掘”，防止误揭煤层和炮后瓦斯超限现象。施工范围内水文地质情况较简单，主要充水因素为顶板砂岩水、构造裂隙水。其为静储量，涌水时表现为先大后小，直至疏干。正常涌水量为0.5~1.5 m³/h，最大涌水量为3.0~4.5 m³/h。

3. 计算模型的建立

本文主要通过RFPA^2D研究煤层回采过程中[7] -[9] ，激活前方正、逆断层在各种地质条件的作用下的破坏情况，RFPA^2D是一个以弹性力学为应力分析工具、以弹性损伤理论及其修正后的Coulomb破坏准则为介质变形和破坏分析模块的岩石破裂过程分析系统[10] ，它先是将岩石介质模型离散化成由细观基元组成的数值模型，假定离散化后的细观基元的力学性质服从某种统计分布规律，由此建立细观与宏观介质力学性能的联系。根据煤层顶底板的现场实际情况，各个因素影响作用的范围和计算机数值模拟计算的特点，确定了煤层回采各个分层的计算模型见图1，模型研究范围为长(X轴)40 m、高(Y轴)30 m的矩形结构体，边界条件取位移边界条件，在模型的左右边界施加水平约束固定为零，模型的底部边界施加垂直约束，在模型上方施加面荷载以模拟处于采场上部的几百米厚的岩层自重。模型的X轴加载方式均为恒为零的位移固定，Y轴都是通过载荷加载的，正断层模型垂直压力7 MPa，增量为0；逆断层模型垂直压力6 MPa，增量为0；均保持不变作为边界条件。

在首先满足计算模型的准确有效性、实用性的前提下，再考虑有限元数值计算的简便性，对计算模型范围内的岩层分层，进行合并简化考虑，对物理性质相差不大的岩层，进行组合，合并为单一性质岩层。构建了合适的简化模型后，力学参数的选择就成为一个关键问题。按照岩层的力学性质，通常所用的指标有弹性模量E、抗压强度、容重γ、内摩擦角φ和泊松比μ等，根据新庄孜煤矿柱状图等，并根据新庄孜矿提供的62110采区相应的材料及综合柱状图，见图2。

本文所选取的具体岩石力学参数设定见表2及表3，考虑到现场实际情况，正、逆断层中的煤层均加入了瓦斯，断层左边瓦斯压力均为1 MPa，右边均为8 MPa模型边界的煤层位置瓦斯压力均保持恒定不变。

本文模型的网格单元划分均为400 × 300共120,000个单元，完整的模型加载模拟示意图如图1。正断层模型中开切眼位于距左边界13 m处，逆断层模型中开切眼位于距左边界13 m处，模拟停采线正逆断层分别位于距右边界13 m和13 m处。

两个模型均采用修正后的Coulomb准则和拉伸截断的库仑准则。两个模型的回采过程均取4 m为一步距，拟定共开挖4步。

4. 正断层数值模拟结果研究

1) 断层活化应力迁移过程分析，由RFPA^2D模拟得到了回采过程中影响正断层活化的全过程及活化

图1. 完整的模型加载模拟示意图：(a) 正断层；(b) 逆断层

图2. 综合柱状图及煤层顶底板情况

表2. 模型岩石力学参数表——正断层

表3. 模型岩石力学参数表——逆断层

过程中煤岩层的剪应力分布，新庄孜煤矿62110工作面回采前方遇断层导致断层活化及滑移的全过程，通过数值模拟得到了一个较完整的再现，见图3。根据断层活化与滑移的孕育、发生和发展过程，可将

图3. 数值模拟正断层活化过程的剪应力分布图

整个过程划分为应力集中阶段、应力继续蓄能阶段、应力诱发导致断层微破裂产生、贯通及瓦斯运移阶段和断层活化及上下盘滑移阶段共四个阶段。

①应力集中阶段

应力集中阶段是指第一步回采(回采4 m)过程中，断层和煤体的初始损伤较小，完整性较好，抗剪模量较大，抗剪能力较强；虽然开切眼左边留有保护煤柱，但周围依然有应力集中的作用，断层附近一定范围内承受的切向力较大，并且回采工作面后方的应力在一定范围内得到了释放，虽然断层附近的受到的切向力较大，但不足以使断层发生破坏，未回采到的煤层及工作面处得顶板仍处于相对稳定的状态，见图3(a)。在回采继续推进的过程中，由于继续靠近断层，就使得断层受到的切向力不断增大，上下盘煤层于断层处的链接点周围的应力比较集中。集中应力的作用使断层的受力处于非平衡状态，但断层还未发生破坏，断层及两边的煤层的封闭性也较好，应力被慢慢湮灭或阻隔，断层及两边的煤层不发生破坏。

②应力继续蓄能阶段

由于回采的继续向前推进，工作面处得顶板出现一定程度轻微的冒落，断层受到的切向应力不断增大，并且应力集中点，从开始阶段的上下盘煤层于断层处的链接点开始向断层的下方迁移，但仍未达到使断层发生破坏的程度，断层处的应力继续蓄能。此时断层及两边的煤层不发生破坏，见图3(b)和图3(c)。

③应力诱发导致断层微破裂产生、贯通及瓦斯运移阶段

随着回采的继续，顶板的承受能力极限慢慢被触及，出现明显的冒落现象，并且工作面前方出现可控制的微型突出或大量煤的破碎，应力集中点继续沿着断层走向下延，徘徊在回采煤层与断层的下连接点附近，见图3(d)和图3(e)。

由于在模型中断层左边与右边的煤层中均加入了瓦斯，所以在模拟过程中还发生了瓦斯瓦斯压力梯度发生了明显的变化，继而导致了瓦斯的运移(渗流)现象的发生，当回采至10 m时，由于应力集中的影响，而且断层受到切向应力的作用，正对回采煤层的断层部位开始发生微小破裂，见图3(f)。伴随着回采的不断增加，在地应力和自重的影响下，由于断层的强度较小，受到的应力更加集中使得断层发生的更严重的破坏，破裂逐渐增多，断层封闭性变差，煤层局部受到应力扰动的影响，导致工作面出现大量的煤体破碎，同时，断层内大量的裂隙产生，最终各裂隙贯通，见图3(d)、图3(e)、图3(f)，促使煤层内部的瓦斯压力分布发生显著的变化，见图4(i)和图4(j)，并造成大量的瓦斯解析与运移等。

④断层活化及上下盘滑移阶段

工作面继续回采，随着断层破裂的逐渐增大，并且破裂是沿着断层面扩展，并且破坏逐渐向断层上

图4. 数值模拟正断层活化过程的瓦斯压力分布图

部移动，靠近断层上端的地方应力继续集中并增大，如图3(f)，形成了破裂面或破裂区。煤层顶板受到的应力也不断增大，产生更多裂隙，使得煤体更加破碎。当回采到遇断层时，断层受到的剪切力不断增大，发生更加严重的破裂，同时煤层受到的应力更大，煤体遭受更加严重的破坏，产生很多煤体碎块。同时，断层上端出现更为严重的破碎区，再加上回采煤层的顶板跨落，最终导致了断层上下盘的相互位移见图3(g)和图3(h)，造成了回采诱发断层活化及滑移的最终结果。

不同回采阶段具体的应力分布，见图5，第一次回采时，工作面相应的已采位置的顶板应力得到了释放，应力很低，如图中“回采2 m”的折线所示，然而此刻，在断层处，即单元号180附近位置，应力突然增大，出现了较大的应力集中，为断层活化开始“蓄能”；第二次回采时，顶板应力如同第一次的向前延伸，到达8 m左右的已采区域，同样的应力得到释放，如图中“回采7 m”的折线所示，于此同时断层位置的应力开始向断层两侧开始分散，尤其是向断层左侧(下盘，即单元号130附近)，靠近回采面的位置集中；随着回采的继续推进，顶板应力继续呈现随工作面的推进作持续释放，如图中“回采13 m”的折线所示，所不同的是断层附近的应力迁移到了断层右侧(上盘)，此时，断层的上下盘均储蓄了足够能量，并发生活化与滑移，见图3(h)。

2) 断层活化过程破坏损伤(声发射AE)分析，相比上节讨论的应力分布图，破坏损伤(AE声发射)分布图，能够更加直观的看出拉、压应力的产生与分布情况，见图6。从图6(a)中我们可以清晰的看到，在回采的第一步，断层处便开始产生了压应力，所以断层的上下盘仅仅是在压紧，而回采面的附近煤层由于产生了拉应力，而致使煤体产生了微小的破碎；在图6(b)中，也就是第一次回采结束时，断层处开始产生了拉应力，虽然在拉、压应力的共同作用，但是不足以时断层处发生破碎，同时，回采面的附近煤层由于产生了拉应力在不断增大；在回采的第二次回采过程中，如图6(c)，断层对应煤层的中部偏上的位置便产生了一定程度的破碎，同时在回采第一次回采的后方，煤层也产生了破碎，这些均为拉、压应力的缓慢释放所导致的结果；随着第二次回采的继续推进，见图6(d)和图6(e)，断层处的拉、压应力继续向下和上端迁移，尤其是向下端更为严重，同时在采面前方也产生大量的拉应力；到达第三次回采时，见图6(f)，基本上整个断层发生了大量的破碎，断层处大部分的剪应力得到了释放，处断层上端位置，基本达到了新的平衡状态；随着回采的继续增大，在第三次回采末，见图6(g)，断层的上端继而产生大量的拉应力，同时煤层也产生大量的拉应力，当到达第四次回采时，在大量拉应力的破坏下，断层处出现了大量的破碎，导致了上下盘的相对位移，最终导致了断层的活化与滑移现象，见图6(h)。

图5. 数值模拟正断层活化过程的应力分布图

图6. 数值模拟正断层活化过程的声发射分布图

3) 断层活化过程的位移分析

在模拟过程的位移图中，我们能清晰的看出顶板处以及断层处随回采的向前推进的位移大小变化情况，见图7与图8。

我们可以看出，图8中单元号175位置即为断层所处位置在图中的显现位置，断层处的位移以Y轴的变化为主，我们能够清晰的看出，随着回采的不断增加，Y轴方向的位移变化量也在剧增，并同时在单元号175附近，及断层处发生尤为显著的跳跃。然而，X轴方向的位移就相对较小，不过在最后的回采时，产生了和Y轴方向同样趋势的位移量，也在单元号175附近断层处出现了较为显著的跳跃；至于顶板处的位移变化，X与Y轴的变化量，基本随回采的不断推进相吻合，呈不断增大的趋势，尤其是回采4 m的折线，采空区顶板沿X轴方向位移跃变尤为突出。从位移图的分布，将断层的活化及滑移的过程更加清晰。

5. 逆断层数值模拟研究结果

1) 断层活化应力迁移过程分析

由RFPA^2D模拟得到的回采过程中影响逆断层活化的全过程及活化过程中煤岩层的剪应力分布。新庄孜煤矿62110工作面回采前方遇断层导致断层活化及滑移的全过程，通过数值模拟得到了一个较完整的再现，见图9。根据断层活化与滑移的孕育、发生和发展过程，可将整个过程划分为应力集中阶段、

图7. 数值模拟正断层活化过程的X轴位移图

图8. 数值模拟正断层活化过程的Y轴位移图

图9. 数值模拟逆断层活化过程的剪应力分布图

应力继续蓄能阶段、应力诱发导致断层微破裂产生、贯通及瓦斯运移阶段和断层活化及上下盘滑移阶段共四个阶段。

①应力集中阶段

应力集中阶段是指第一步回采(回采4 m)过程中，断层和煤体的初始损伤较小，完整性较好，抗剪模量较大，抗剪能力较强；虽然开切眼左边留有保护煤柱，但周围依然有很小的应力集中作用，尤其是断层的上端，附近一定范围内承受的切向力较大，上端附近产生了应力集中，虽然断层附近的受到的切向力较大，但不足以使断层发生破坏，未回采到的煤层及工作面处得顶板仍处于相对稳定的状态见图9(a)。在回采继续推进的过程中，由于继续靠近断层，就使得断层受到的切向力不断增大，应力迁移到了断层上端位置，同时采面的前后方也出现了应力集中，见图9(b)。集中应力的作用使断层的受力处于非平衡状态，但断层还未发生破坏，断层及两边的煤层的封闭性也较好，应力被慢慢湮灭或阻隔，断层及两边的煤层不发生破坏。

②应力继续蓄能阶段

由于回采的继续向前推进，工作面处的顶板出现一定程度轻微的冒落，断层受到的切向应力不断增大，并且应力集中点，从开始阶段的断层上端开始向下放散，见图9(c)，并且在采面的前后也同时出现一定程度的煤体破碎，见图9(d)，但仍未达到使断层发生破坏的程度，断层处的应力继续蓄能。此时断层及两边的煤层不发生破坏，见图9(e)。

③应力诱发导致断层微破裂产生、贯通及瓦斯运移阶段

随着回采向前推进的继续，顶板的承受能力极限慢慢被触及，出现明显的冒落现象，并且工作面前方出现大量煤的破碎，断层应力集中点继续沿着断层走向下延，并徘徊在回采煤层顶板与断层的连接点附近集中。当回采至11 m时，由于应力集中的影响，而且断层受到切向应力的作用，断层的上部出现了大量破裂，见图9(f)。伴随着回采的不断增加，在地应力和自重的影响下，由于断层的强度较小，受到的应力更加集中使得断层发生的更严重的破坏，破裂逐渐增多，断层封闭性变差，煤层局部受到应力扰动的影响，导致工作面出现大量的煤体破碎，同时，断层内大量的裂隙产生，最终各裂隙贯通，见图9(e)和图9(f)，由于在模型中断层左边与右边的煤层中均加入了瓦斯，所以在模拟过程中还发生了瓦斯压力梯度分布的显著变化，见图10(i)和(j)，并伴随着裂隙的贯通，造成大量的瓦斯解析与运移等。

④断层活化及上下盘滑移阶段

工作面继续回采，随着断层破裂的逐渐增大，并且破裂是沿着断层面扩展，并且破坏逐渐向煤层移动集中，靠近煤层的地方应力继续集中并增大，见图9(f)和图9(j)，形成了破裂面或破裂区。煤层顶板受到的

图10. 数值模拟逆断层活化过程的瓦斯压力分布图

应力也不断增大，产生更多裂隙，使得煤体更加破碎，煤体遭受更加严重的破坏，产生很多煤体碎块。同时，断层上端，尤其是中部位置出现更为严重的破碎区，再加上回采煤层的顶板跨落，最终导致了断层上下盘的相互位移见图9(h)，造成了回采诱发断层活化及滑移的最终结果。

不同回采阶段具体的剪应力分布，见图11，第一次回采时，工作面相应的已采位置的顶板应力得到了释放，应力很低，如图中“回采4 m”的折线所示，并且此刻，在断层出现了较大的应力集中，为断层活化开始“蓄能”；第二次回采时，顶板应力如同第一次的向前延伸，到达8 m左右的已采区域，同样的应力得到释放，如图中“回采8 m”的折线所示，于此同时断层位置的应力开始在断层上半部分开始分散，并持续增大集中；随着回采的继续推进，顶板应力继续呈现随工作面的推进作持续释放，如图中“回采12 m”的折线所示，所不同的是断层附近的应力迁移到了断层靠近回采煤层的连接点附近，此时，断层的上下盘均储蓄了足够能量，并发生活化与滑移，见图9(h)。

2) 断层活化过程破坏损伤(AE声发射)分析

相比上节涉及的应力分布图，破坏损伤(AE声发射)分布图，能够更加直观的看出拉、压应力的产生与分布情况，见图12。

从图12(a)中我们可以清晰的看到，在回采的第一步，断层处便开始产生了拉应力，是因为煤层回采使顶板产生了一定的下沉，导致了上部围岩的应力不平衡，进一步致使断层的上部产生了拉应力，同时，采面的前后方也产生了一定的拉应力，见图12(b)。在第二次回采过程中，见图12(c)，断层对应煤层的中上部的位置便产生了一定程度的破碎，同时在第一次回采的后方，煤层也产生了破碎，这些均为拉应力的缓慢释放所导致的结果；随着回采的继续推进，见图12(d)，断层处的拉应力继续向下迁移，同时在采面前方也产生大量的拉应力；到达第三次回采时，见图12(e)，断层上半部分的破坏继续严重，同时拉应力的范围继续下延，采区的前后方也继续产生拉应力，见图12(f)。随着回采的继续增大，在第三次回采末，如图12(g)，断层的上半部分继而产生大量的拉应力，同时煤层也产生大量的拉应力，当到达第四次回采时，在大量拉应力的破坏下，断层处出现了大量的破碎，导致了上下盘的相对位移，最终导致了断层的活化与滑移现象，见图12(h)。

3) 断层活化过程的位移分析

在模拟过程的位移图中，我们能清晰的看出顶板处以及断层处随回采的向前推进的位移大小变化情况，见图13与见图14。

我们可以看出，图中单元号175位置即为断层所处位置在图中的显现位置，断层处的位移以X轴的变化为主，我们能够清晰的看出，随着回采的不断增加，X轴方向的位移变化量在增加，然而，Y轴方向的位移就相对较小；至于顶板处的位移变化，X与Y轴的变化量，X轴方向的基本随回采的不断推进

图11. 数值模拟逆断层活化过程的应力分布图

图12. 数值模拟逆断层活化过程的声发射分布图

图13. 数值模拟逆断层活化过程的X轴位移图

图14. 数值模拟逆断层活化过程的Y轴位移图

相吻合，呈不断增大的趋势，Y轴方向在回采7 m处出现了一个反常，初步认为是在前一步回采时顶板在Y轴方向已经稳定。从位移图的分布，将断层的活化及滑移的过程更加清晰。

6. 现场实践结果与数值模拟的相互验证

由于新庄孜煤矿安装有ESG的微震监测系统，该系统通过安装在巷道及采面附近合适距离与布置方式的微震传感器，来拾取周围煤岩体内的微小裂隙等变化，通过信号分析处理来定位破碎类型及等级[11] -[13] ，可以较好的反应井下采动过程对断层的影响。我们将两者综合比对分析得出，现场的微震系统所反映出的F_10-5断层的活化与滑移特征，与数值模拟结果基本相吻合，尤其是在断层的上半部分，两者体现的较大的一致性，两者起到了良好的相互验证，见图15。

7. 结论

本章通过图文并茂的方式，通过使用RFPA^2D对断层等地质构造进行建模、计算及数值模拟预测，分析断层活化过程，后将微震监测与其作直观的比对，两者相互验证了对方结果的正确性可信性。故RFPA^2D可以作为一种低成本、有效的、重要的技术手段进行分析煤矿开采过程对前方断层等的影响及活化过程分析，对煤矿安全生产起到重要的指导作用。

图15. 现场监测结果与模拟结果对照图

参考文献 (References)

NOTES

^*第一作者。

^#第二作者。