大斷層下盤采動對上盤煤層影響的相似材料模擬

劉江波 王亞博 王懷遠 陳紹杰

(1.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東青島266590;2.礦山災(zāi)害預(yù)防控制國家重點實驗室培育基地，山東青島266590)

在煤礦生產(chǎn)過程中，斷層等地質(zhì)構(gòu)造的存在使得大量煤炭資源難以正常開采，造成資源的呆滯浪費［1-2］。斷層不僅會影響工作面開采導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育［3］，同時對采動巖體移動也具有明顯的斷層效應(yīng)［4］。工作面開采會引起區(qū)域內(nèi)斷層位移的變化，造成斷層的滑移失穩(wěn)［5-6］;改變斷層附近應(yīng)力場分布，引起斷層的“活化”［7-9］，并進一步引發(fā)礦井災(zāi)害。研究斷層附近煤層安全開采技術(shù)以及煤層采動的影響［10］，得出相應(yīng)的應(yīng)力場分布規(guī)律和巖層變形特征，對于煤礦安全生產(chǎn)、高產(chǎn)高效、延長礦井服務(wù)年限具有重大的意義。

本研究針對運河煤礦F10逆斷層下盤厚煤層實際開采條件，采用相似材料模擬試驗的方法，研究下盤煤層開采后斷層及上盤區(qū)域煤層變形及應(yīng)力變化特征，為類似條件下煤層安全開采提供參考。

1 工程背景

運河煤礦首采區(qū)3煤層位于山西組中下部，厚度6.89～10.24 m，煤層厚度變化小且具有一定規(guī)律，結(jié)構(gòu)簡單，一般不含夾矸，屬于穩(wěn)定煤層。3煤層下距太原組三灰弱含水層約60 m。

首采區(qū)北部邊界的F10斷層為不導(dǎo)水逆斷層，走向近東西，傾向近北，傾角45°，落差60～265 m，屬較可靠～可靠斷層。斷層下盤煤層傾角平均5°、厚度7.5 m，上盤傾角平均15°、厚度6.38 m。斷層上盤區(qū)域北部為DF14正斷層，走向北西西轉(zhuǎn)東西，傾向北北東轉(zhuǎn)北，傾角70°，落差10～35 m，屬可靠斷層。

1304工作面位于F10大斷層下盤，其上部分被上盤煤層覆蓋，F(xiàn)10大斷層及其與上下盤煤層關(guān)系如圖1所示。工作面斜長180 m，開采厚度7.5 m，煤層傾角平均5°，工作面標高－480～－520 m。煤層頂板主要為粉砂巖，少部分中、細砂巖，底板為泥巖或粉砂巖。采用綜采放頂煤方法采煤。1304工作面開采后，其上覆巖層垮落、裂縫發(fā)育，采場應(yīng)力重新分布，其附近F10斷層及上盤區(qū)域巖層應(yīng)力分布發(fā)生變化，上盤區(qū)域煤層會出現(xiàn)位移變形。

圖1 1304工作面及F10斷層位置示意Fig.1 Position of 1304 working face and F10 fault

2 大斷層下盤煤層開采相似材料模擬

2.1 試驗方案

本次試驗?zāi)M范圍為－280～－550 m水平的F10斷層下盤1304工作面以及上盤煤層區(qū)域(如圖2所示)。根據(jù)模型架尺寸和工程原型范圍，確定模型幾何相似比為1∶200，時間相似比為1∶14，應(yīng)力相似比為1∶300。模型在平面模型架上鋪設(shè)，模型架尺寸為長×寬×高=300 cm×40 cm×180 cm，模擬實際長度為600 m，高度為360 m。為簡化鋪設(shè)過程，下盤煤層水平鋪設(shè)。未模擬到的上覆巖層，通過模型上方的液壓千斤頂加壓來實現(xiàn)垂直應(yīng)力補償。

圖2 模型鋪設(shè)及測點布置Fig.2 Laying of model and measuring point arrangementⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ—水平測線;1～20—垂直位移觀測點;1#～13#—壓力傳感器

試驗選取的相似材料為沙子、碳酸鈣、石膏、云母粉和水。相似材料試驗要求模型與原型之間作用力保持相似，根據(jù)相似模型的應(yīng)力相似比和室內(nèi)實驗測定的原巖強度，調(diào)整相似材料配比，直到相似材料強度達到要求。本次試驗材料配比見表1。

表1 相似材料強度及配比Table 1 Strength and ratio of the similar material

2.2 試驗過程

首先將模型按照設(shè)計要求鋪設(shè)。鋪設(shè)過程中，在預(yù)設(shè)位置布設(shè)傳感器(1304工作面上方1#～4#，F(xiàn)10斷層下盤側(cè)1304工作面東側(cè)實體煤上方5#、6#、7#，F(xiàn)10斷層上盤側(cè)煤層下方 8#、9#、10#，DF14斷層西側(cè) 11#、12#、13#)，用于監(jiān)測工作面開采過程中巖層應(yīng)力變化情況，模型鋪設(shè)效果如圖3所示。模型鋪設(shè)完畢后，在模型表面布設(shè)5條水平測線，以觀測1304工作面開采斷層及上盤巖層垂直位移變化情況，觀測點如圖2所示。試驗前，將壓力傳感器進行調(diào)平設(shè)置。準備工作完成后，開始試驗。

圖3 模型實物Fig.3 Practicality model

1304工作面斜長180 m，由于模擬的是傾斜方向，在試驗時，把距離模型左側(cè)57 cm至147 cm范圍內(nèi)的1304工作面一次開采完畢，開采后模型圖見圖4。工作面開挖前后，壓力傳感器實時采樣，記錄巖層應(yīng)力的變化過程;對位移測點進行定期觀測，記錄采動后斷層及上盤巖層的位移變化。應(yīng)力監(jiān)測和位移觀測直至采動上覆巖層穩(wěn)定后結(jié)束。

3 下盤煤層采動上盤煤層受力影響

1304工作面開采后，斷層附近巖層以及上盤區(qū)域煤巖應(yīng)力變化情況如圖5～圖8所示。

圖4 模型開采完畢Fig.4 Model after mined

圖 5 1#、2#、3#、4#傳感器壓力變化曲線Fig.5 Pressure curves of 1#、2#、3#、4#□—1#點;●—2#點;▲—3#點;○—4#點

圖 6 5#、6#、7#傳感器壓力變化曲線Fig.6 Pressure curves of 5#、6#、7#▲—5#點;●—6#點;□—7#點

圖 7 8#、9#、10#傳感器壓力變化曲線Fig.7 Pressure curves of 8#、9#、10#□—8#點;▲—9#點;◆—10#點

圖5 是1304工作面上方覆巖的壓力傳感器受力變化情況?？梢钥闯?，開始時傳感器壓力值保持不變或略有增大，一段時間后，傳感器壓力值出現(xiàn)大幅度的減小(1#傳感器的最小壓力達到－0.04 MPa，2#傳感器最小壓力達到 －0.05 MPa，3#、4#傳感器最小壓力均達到－0.06 MPa)，并趨于穩(wěn)定。說明1304工作面開挖初期在此區(qū)域有暫時的應(yīng)力集中;隨著工作面開挖完成，頂板垮落、開裂、彎曲下沉，覆巖重力向工作面兩側(cè)轉(zhuǎn)移，傳感器所在區(qū)域巖層壓力減小。

圖 8 11#、12#、13#傳感器壓力變化曲線Fig.8 Pressure curves of 11#、12#、13#●—11#點;◆—12#點;□—13#點

圖6 為F10斷層下盤側(cè)1304工作面東側(cè)實體煤上方傳感器測得的壓力變化曲線。初始時傳感器壓力值讀數(shù)較小，待工作面開采完成后，傳感器壓力值均有所增加。1304工作面開采后覆巖重力向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，作用在傳感器布置區(qū)域，使得此區(qū)域覆巖應(yīng)力增大。由于傳感器位于F10斷層下方，下面有實體煤支承，傳感器壓力值增大尚不足以說明1304工作面開采對F10斷層的影響。

圖7為F10斷層上盤側(cè)煤層下方傳感器測得的壓力變化曲線。在工作面開采初期，傳感器壓力值沒有變化，隨著時間推移，壓力值出現(xiàn)微小幅度的增長。

圖8是位于F10斷層上盤區(qū)域北部DF14斷層西側(cè)傳感器測得的壓力變化曲線。在工作面開采初期，采空區(qū)覆巖運動尚未影響到DF14斷層附近，傳感器壓力值保持不變;隨著時間的推移，采空區(qū)覆巖運動逐漸發(fā)展，開采影響區(qū)域逐漸增大，影響到傳感器布設(shè)區(qū)域，傳感器壓力值升高。雖然距離1304工作面較遠，但由于F10斷層的影響和DF14斷層的存在，該區(qū)域仍能受到工作面開采的影響。

從 5#、6#、7#和 8#、9#、10#這 2 組傳感器的空間位置關(guān)系分析，兩者同處于1304工作面開采后形成的“壓力拱”，監(jiān)測到的壓力值應(yīng)該相近，但由于F10斷層的存在，使得2組傳感器壓力值出現(xiàn)較大差別，說明F10斷層對上下盤間的壓力有隔斷作用，在斷層附近必然會產(chǎn)生應(yīng)力集中。

從上盤煤層受力變化情況看，1304工作面開采后，上覆巖層重力向工作面兩側(cè)轉(zhuǎn)移，F(xiàn)10斷層附近壓力增大;工作面開采對F10斷層附近應(yīng)力分布影響較大，斷層下盤側(cè)壓力遠大于上盤側(cè)，在斷層附近產(chǎn)生應(yīng)力集中;斷層上盤煤層應(yīng)力分布受工作面開采影響較小，煤層的性質(zhì)不會發(fā)生大的變化;1304工作面開采對距離較遠的DF14斷層也存在一定程度的影響。

4 下盤煤層采動上盤煤層變形影響

1304工作面開采覆巖運動穩(wěn)定后，上盤煤層下沉量觀測結(jié)果如圖9所示。

圖9 上盤煤層下沉量Fig.9 Sinkage of hanging wall coal seam

由下沉量觀測結(jié)果可以看出，1304工作面開采后，采空區(qū)上方巖層垮落、開裂、彎曲下沉，巖層的下沉量從下往上逐漸變小;斷層上盤煤層靠近F10斷層一側(cè)下沉量比較小(最大為0.8 mm，模擬實際工程中0.16 m)，而靠近DF14斷層一側(cè)煤層則幾乎沒有下沉，DF14斷層附近巖層下沉量為0。

從上盤煤層下沉變形來看，1304工作面開采后，煤層向F10斷層發(fā)生了輕微的“傾斜”，F(xiàn)10斷層及上盤煤層變形量比較小，上盤區(qū)域煤巖的性質(zhì)不會發(fā)生大的變化，對上盤煤層的開采影響不大。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)相似材料模擬試驗結(jié)果，1304工作面開采后，采空區(qū)上覆巖層重力向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，F(xiàn)10斷層附近應(yīng)力增大。

(2)1304工作面開采對F10斷層附近應(yīng)力分布有著較大的影響:斷層下盤壓力遠大于上盤側(cè)壓力，斷層附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，上盤煤層開采時要注意避開應(yīng)力集中區(qū)。

(3)1304工作面開采對F10斷層及上盤煤層在位移變形上影響很輕微，對上盤煤層應(yīng)力分布影響也很小，煤巖性質(zhì)不會發(fā)生大的變化，對煤層開采的影響不大。

(4)F10斷層的影響和DF14斷層的存在，使得距離采動區(qū)域較遠的DF14斷層區(qū)域也受到1304工作面開采的輕微影響。

［1］ 國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［S］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.State Bureau of Coal Industry.Mining Regulations Coal Pillar and Coal of Buildings，Water，Railway and Main Roadway［S］.Beijing:China Coal Industry Press，2000.

［2］ 秦忠誠.構(gòu)造復(fù)雜煤層開采［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2009.Qin Zhongcheng.Complex Coal Seam Mining［M］.Beijing:China Coal Industry Press，2009.

［3］ 曾先貴，李文平，李洪亮，等.綜放開采近斷層導(dǎo)水斷裂帶發(fā)育規(guī)律研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2006，23(3):306-310.Zeng Xiangui，Li Wenping，Li Hongliang，et al.Development rule of height of water conducted zone near fault with fully mechanized topcoal caving［J］.Journal of Mining and Safety Engineering，2006，23(3):306-310.

［4］ 趙海軍，馬鳳山，李國慶，等.斷層上下盤開挖引起巖移的斷層效應(yīng)［J］.巖土工程學(xué)報，2008，30(9):1372-1375.Zhao Haijun，Ma Fengshan，Li Guoqing，et al.Fault effect due to underground excavation in hanging walls and footwalls of faults［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30(9):1372-1375.

［5］ 李志華，竇林名，曹安業(yè)，等.采動影響下斷層滑移誘發(fā)煤巖沖擊機理［J］. 煤炭學(xué)報，2011，36(S1):68-73.Li Zhihua，Dou Linming，Cao Anye，et al.Mechanism of fault slip induced rockburst during mining［J］.Journal of China Coal Society，2011，36(S1):68-73.

［6］ 左建平，陳忠輝，王懷文，等.深部煤礦采動誘發(fā)斷層活動規(guī)律［J］. 煤炭學(xué)報，2009，34(3):305-309.Zuo Jianping，Chen Zhonghui，Wang Huaiwen，et al.Experimental investigation on fault activation pattern under deep mining［J］.Journal of China Coal Society，2009，34(3):305-309.

［7］ 李青鋒，王衛(wèi)軍，彭文慶，等.斷層采動活化對南方煤礦巖溶突水影響研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(S1):3417-3424.Li Qingfeng，Wang Weijun，Peng Wenqing，et al.Influence of activation fault after coal extraction on coal mine karst water-inrush［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(S1):3417-3424.

［8］ 盧興利，劉泉聲，吳昌勇，等.斷層破裂帶附近采場采動效應(yīng)的流固耦合分析［J］. 巖土力學(xué)，2009，30(S):165-168.Lu Xingli，Liu Quansheng，Wu Changyong，et al.Hydro-mechanical coupling analysis of mining effect around fault fractured zone［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30(S):165-168.

［9］ 姜耀東，王 濤，趙毅鑫，等.采動影響下斷層活化規(guī)律的數(shù)值模擬研究［J］. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，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 and Technology，2013，42(1):1-5.

［10］ 白海波，茅獻彪，吳 宇，等.高壓奧灰水大型逆斷層下盤煤層安全開采研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(2):246-252.Bai Haibo，Mao Xianbiao，Wu Yu，et al.Research on water-reserved minging with high water pressure under large-sale thrust-fault in ordovician karst［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(2):246-252.