開采擾動區(qū)斷層采動活化誘發(fā)巖體動態(tài)變形模型實驗*

來興平，劉小明，曹建濤，孫 歡

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安710054;2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安710054)

0 引 言

西部大型億噸煤炭基地中，寧東、烏魯木齊、華亭和神東礦區(qū)等特厚煤層賦存特征有別于東部礦區(qū)。煤巖體失穩(wěn)致災(zāi)“多力源”及耦合關(guān)系是動力學(xué)災(zāi)害預(yù)報關(guān)鍵因素［1-4］，強(qiáng)弱巖層組合影響斷裂韌度重構(gòu)是動力學(xué)災(zāi)害前兆。煤巖體結(jié)構(gòu)載荷傳遞距離、覆巖厚度和結(jié)構(gòu)畸變致災(zāi)密切關(guān)聯(lián)，揭示煤巖體結(jié)構(gòu)、應(yīng)力與力學(xué)行為對災(zāi)害的控制作用是基礎(chǔ)前提。斷層采動活化隱蔽性是誘發(fā)動力學(xué)災(zāi)害的典型問題之一，煤巖結(jié)構(gòu)應(yīng)力畸變致災(zāi)是采動耦合作用下發(fā)展形成的時間-空間-強(qiáng)度演化過程，基于應(yīng)力變形、聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)等多源信息監(jiān)測是揭示巖體動態(tài)變形的先進(jìn)方法手段［5-10］。通過物理相似模型實驗和聲發(fā)射、應(yīng)力與變形指標(biāo)監(jiān)測，揭示開采擾動區(qū)斷層下盤、斷層附近和斷層上盤推進(jìn)中覆巖運移和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為采動巖體動態(tài)斷裂失穩(wěn)和突水等災(zāi)害預(yù)報與調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 實驗?zāi)Ｐ团c觀測方法

相似模型實驗框架規(guī)格為5.0 m ×0.4 m ×1.5 m.選用石膏和碳酸鈣為膠結(jié)物，河沙、石膏、大白粉、煤粉和云母片進(jìn)行沉積巖層和裂隙節(jié)理模擬。確定原型-模型幾何相似比為200，容重相似比為1.5，應(yīng)力相似比為750.

測試系統(tǒng)由多路測力系統(tǒng)、聲發(fā)射和全站儀等構(gòu)成。工作面前方煤體底板埋設(shè)壓力傳感器監(jiān)測開采過程中煤體所受應(yīng)力的變化，采用聲發(fā)射監(jiān)測儀監(jiān)測開采過程中開采擾動產(chǎn)生的圍巖破裂及采空區(qū)動力災(zāi)害，采用全站儀監(jiān)測覆巖變形。

在煤層底板中埋設(shè)3 組壓力傳感器，在斷層附近、斷層前方100 cm 和斷層后方100 cm 處，通過壓力傳感器監(jiān)測的壓力變化反映煤層支承壓力規(guī)律。傳感器布置位置總共有3 個(1#2#3#)，壓力傳感器均布置在煤層底板，其中1 號測點布置在斷層下盤，2 號測點布置在斷層處，3 號測點布置在斷層上盤，相鄰兩個測點距離為150 cm.

圖1 實驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)力與位移測點布局Fig.1 Monitoring layout of stress and subsidence

在整個模型范圍內(nèi)，自下而上沿煤層傾向鋪設(shè)5 層位移監(jiān)測點，同一層相鄰兩個測點水平間距20 cm，垂直間距20 cm.斷層附近相鄰兩測點水平間距為10 cm，觀測上覆巖層垮落及斷層滑移情況。在斷層上部和下部距斷層左右20 cm 位置分別布設(shè)4 個聲發(fā)射探頭，重點監(jiān)測斷層采動活化產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。

2 開采實驗過程描述

2.1 模型開挖

開挖方向為從斷層下盤沿煤層至斷層下盤，回采一步結(jié)束后待整個模型變形穩(wěn)定后再繼續(xù)回采。開切眼距模型邊界設(shè)置32.0 cm 煤柱，每次開挖進(jìn)尺4.0 ～6.0 cm.模擬開采進(jìn)尺8.0 ～12.0 m，當(dāng)回采工作面接近斷層時，每次回采距離改為2.0～4.0 cm，模擬開采進(jìn)尺4.0 ～8.0 m.開采方式采用放頂煤開采。

2.2 實驗過程

開挖至31.0 cm 時，直接頂出現(xiàn)離層。當(dāng)推至距開切眼37.0 cm 時，直接頂初次垮落，老頂出現(xiàn)離層。當(dāng)工作面推進(jìn)至距開切眼42.0 cm，老頂初次垮落。隨工作面推進(jìn)，直接頂和老頂垮落，覆巖“三帶”以60°左右垮落角成“正梯形”向上、向前延展分布。

當(dāng)采至199.0 cm 時，回采工作面自下盤接近斷層，直接頂隨老頂垮落，斷層活化并產(chǎn)生裂隙。離層帶裂隙沿巖層層理弱面向斷層方向橫向擴(kuò)展，70.0 ～74.0 cm 段巖層橫向裂隙延伸至斷層，與斷層裂連通。三帶向上延伸，高度84.0 cm(距底板)，最上關(guān)鍵層中下部產(chǎn)生縱向張拉裂隙。在斷層上盤距工作面45.0 cm 距離處從地表至48.0 cm 產(chǎn)生縱向裂隙。

推至斷層時，下盤巖層發(fā)生整體切落，模型震顫。斷層采動活化加劇，裂隙擴(kuò)大并向上下擴(kuò)展。

推過斷層，在上盤繼續(xù)推進(jìn)時，上覆巖層垮落形態(tài)與工作面在下盤推進(jìn)時相比發(fā)生明顯的變化，當(dāng)開挖距離為248.0 cm 時，直接頂老頂同時垮落，距底板69.0 cm 高處產(chǎn)生橫向裂隙，離層帶整體下沉并覆搭斷層面上。開挖距離為354. 0 cm時，斷層上盤覆巖整體切落，斷層大幅滑移，裂隙延至地表。當(dāng)開挖距離為396.0 cm 時，開挖至上盤邊界煤柱，實驗結(jié)束。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 斷層下盤覆巖運移特征及規(guī)律

工作面在斷層下盤向斷層推進(jìn)過程，采動初期煤層頂板及上覆巖層運移受斷層影響較小，開采擾動造成的上覆巖層垮落特征如圖2 所示。

圖2 采動初期覆巖垮落特征Fig.2 Characteristics of overlying strata caving in the preliminary

選取位于覆巖層內(nèi)C 排測點(距煤層高度0.8 m)和D 排測點(距煤層高度1.2 m)作為考察斷層下盤巖層位移變化關(guān)鍵點，變形下沉規(guī)律如圖3 所示。D 排測點下沉量要大于C 排測點，主要是因為D 排測點距離煤層較近，位于冒落區(qū)內(nèi)，最大下沉量達(dá)到6.4 m.各測點冒落后隨著工作面向前推進(jìn)而進(jìn)一步垮落、壓實，下沉量進(jìn)一步增大。C 排、D 排最大下沉量均位于距開切眼140 m 處的測點，主要是由于該測點位于工作面和開切眼中部，承受礦壓較大，巖層易垮落，壓實最明顯。隨工作面越來越靠近斷層，上覆巖層下沉增加越來越大，表明斷層對于上覆巖層垮落影響顯著。

圖3 距煤層高度0.8 m 和1.2 m 覆巖下沉規(guī)律Fig.3 Overlying strata subsidence characteristics that distance from the coal seam of 0.8 m and 1.2 m

3.2 斷層附近覆巖運移特征及規(guī)律

選取位于斷層上盤和下盤靠近斷層幾個典型位移測點，考察其下沉變形規(guī)律(圖4)。當(dāng)工作面推至斷層時，斷層活化，下盤上覆巖層發(fā)生整體切落，當(dāng)工作面推過斷層后，上覆巖層垮落形態(tài)發(fā)生變化，由于斷層隔斷，下盤巖層已整體切落，上盤高位巖層在自重作用下對斷層面造成擠壓，因此工作面過斷層后礦壓顯現(xiàn)不明顯，頂板周期來壓步距增大，短距離內(nèi)不會發(fā)生離層。當(dāng)開采到一定距離之后，具有相當(dāng)厚度巖層發(fā)生離層切落，工作面大范圍來壓，礦壓顯現(xiàn)劇烈，頂板形成“刀把”式垮落。隨工作面推進(jìn)，覆巖發(fā)生整體切落，對工作面造成沖擊危險性較大。

3.3 斷層上盤覆巖運移特征及規(guī)律

工作面在斷層上盤推進(jìn)時，覆巖層垮落形態(tài)與下盤相比具有明顯差異性(圖5)。初期礦壓較小，周期來壓步距增大，上覆巖層懸而不落，開采到一定距離后，高位巖層裂隙由橫向擴(kuò)展改為沿垮落角向工作面擴(kuò)展，巖層發(fā)生整體性垮落，且垮落巖層并沒有離層，而是以一個整體發(fā)生切落;其次，周期來壓步距增大，對工作面造成礦壓較大，沖擊危險性增大。選取C13 -C20 和D13 -D22 作為考察斷層上盤覆巖運動典型測點，其下沉變形隨工作面推進(jìn)距離變化規(guī)律如圖6 所示。

圖4 斷層上下盤下沉變形規(guī)律Fig.4 Subsidence deformation characteristics of the lower and the upper plate of the fault

圖5 工作面在斷層上盤推進(jìn)中上覆巖層垮落形態(tài)Fig.5 Overlying strata caving configuration of the upper plate of the fault with the working face advancing

圖6 采動作用下不同層位巖層下沉變形規(guī)律Fig.6 Different layers subsidence deformation characteristics with mining disturbing

工作面由斷層下盤推至斷層上盤時，斷層劇烈滑移與相互錯動結(jié)束，礦壓顯現(xiàn)比較平和，整個斷層系統(tǒng)暫時處于一個相對穩(wěn)定的階段，上盤覆巖自重沿斷層面向斷層下盤采空區(qū)傳遞，頂板下沉位移較小，周期來壓步距加大;當(dāng)工作面推進(jìn)至524 m 時，該處距離斷層64 m，距煤層100 m 高度處覆巖出現(xiàn)橫向裂隙，并沿一定垮落角延伸至工作面煤壁，整個“刀把”式上覆巖層整體切落，對工作面形成沖擊，危險性較大;當(dāng)工作面推進(jìn)708 m時，該處距離斷層248 m，頂板及高層位的覆巖發(fā)生周期性垮落，同時在斷層上盤高自重應(yīng)力的作用下，裂隙向上擴(kuò)展并延伸至模型頂部，裂隙貫通后斷層上盤采空區(qū)上方整個覆巖發(fā)生整體性切落，測點下沉位移達(dá)到最大，其中C 排測點最大位移達(dá)到23 m，D 排測點最大下沉位移達(dá)到11.2 m.

3.4 礦壓顯現(xiàn)特征及規(guī)律

圖7 開采擾動區(qū)1 -3 號測點應(yīng)力變化規(guī)律Fig.7 1 -3# monitoring stress variation characteristics in the mining disturbed zone

圖7(a)為1 號測點應(yīng)力隨推進(jìn)變化規(guī)律，當(dāng)工作面在斷層下盤推進(jìn)時，礦壓規(guī)律受斷層影響較小，為正常情況下開采擾動。圖7(b)為2 號測點應(yīng)力隨工作面推進(jìn)變化規(guī)律，工作面過斷層期間的礦壓相對較大，最高應(yīng)力達(dá)到35 MPa，過斷層后垮落頂板逐漸壓實。圖7(c)為3 號測點應(yīng)力隨工作面推進(jìn)變化規(guī)律，3 號測點位于斷層上盤，與斷層相距150 m. 當(dāng)工作面在斷層下盤推進(jìn)時，開采擾動對監(jiān)測區(qū)域圍巖影響較小，但應(yīng)力值總體呈緩慢上升趨勢;當(dāng)工作面推進(jìn)距斷層100 m 時，開采活動進(jìn)入斷層活化區(qū)域，覆巖離層帶延伸至斷層并與斷層破碎帶相連，整個三帶區(qū)域失去支撐，發(fā)生整體切落，工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈。由于斷層下盤部分切落，上盤覆巖失去承載，整個斷層上盤在自重的作用下呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，且懸臂梁的固定支點位于3 號測點附近，出現(xiàn)應(yīng)力突變，達(dá)到80 MPa 左右;隨工作面的推進(jìn)，采空區(qū)覆巖逐漸壓實，斷層上盤在自重應(yīng)力作用下下沉并沿斷層面與斷層下盤接觸，應(yīng)力突降，沖擊危險降低;隨工作面推進(jìn)，整個斷層上盤在自重作用下發(fā)生三次整體性垮斷，表現(xiàn)為3 次應(yīng)力突降。分析表明，工作面推至斷層附近時，由于斷層的存在破壞了頂板及上覆巖層的整體連續(xù)性，工作面礦壓及覆巖垮落規(guī)律表現(xiàn)異常，斷層活化效應(yīng)顯著，剪切滑移現(xiàn)象明顯，造成工作面前方煤體應(yīng)力集中，現(xiàn)場開采過程中發(fā)生沖擊事故;工作面推過斷層后，覆巖垮落形態(tài)與下盤開采有顯著差異性，覆巖發(fā)生整個上盤的整體垮落，工作面礦壓驟增，需加強(qiáng)支護(hù)。

4 覆巖動態(tài)變形特征

煤巖破裂與失穩(wěn)聲發(fā)射檢測就是利用先進(jìn)儀器接受從煤巖介質(zhì)內(nèi)部釋放的彈性波，通過分析來確定破裂源頭特征及判斷其動力學(xué)失穩(wěn)傾向性的技術(shù)。利用聲發(fā)射技術(shù)主要是通過監(jiān)測模型開挖過程中覆巖破壞、斷裂失穩(wěn)所產(chǎn)生彈性波，分析聲發(fā)射波形特征，揭示覆巖內(nèi)部破裂與變形特征。隨工作面推進(jìn)，聲發(fā)射事件和能量表現(xiàn)出一定演化規(guī)律，如圖8 所示。

圖8 斷層活化AE-能率-推進(jìn)距離演化規(guī)律Fig.8 AE-Energy rate-advance distance characteristics with the fault mobilization

圖8 表明，當(dāng)工作面推進(jìn)至距開切眼372 m時，聲發(fā)射事件和能量發(fā)生突變，初步斷定為斷層活化，該位置距離斷層100 m. 工作面推過該位置后，聲發(fā)射活躍性恢復(fù)到正常水平。另一個峰值異常點為工作面推進(jìn)至距開切眼686 m 時，工作面后方采空區(qū)覆巖在自重作用下，以工作面煤壁為支點向下旋轉(zhuǎn)，頂板裂隙由工作面延伸至模型頂部，整個斷層上盤至工作面橫向跨度范圍內(nèi)的覆巖發(fā)生整體切落，釋放出大量能量。

總之，工作面在斷層下盤推進(jìn)時加劇斷層活化，覆巖離層下沉，當(dāng)最上方離層裂隙與斷層破碎帶貫通時，整個下盤上覆巖層在自重的作用下發(fā)生失穩(wěn)，斷層下盤上覆巖層整體切落，上盤覆巖失去支撐力處于懸空，造成工作面前方煤體應(yīng)力集中，沖擊危險性增加。

5 結(jié) 論

1)工作面在斷層附近推進(jìn)時，覆巖運移差異明顯，從而導(dǎo)致斷層活化，工作面大范圍來壓，礦壓顯現(xiàn)劇烈。

2)聲發(fā)射監(jiān)測覆巖破裂變形表明，當(dāng)工作面推進(jìn)至距開切眼372 m 時，聲發(fā)射和能量發(fā)生突變;當(dāng)工作面推進(jìn)至距開切眼686 m 時，頂板裂隙由工作面延伸至模型頂部，斷層帶覆巖層發(fā)生整體切落，聲發(fā)射信號大量產(chǎn)生，釋放出大量的能量。

3)斷層存在破壞了頂板及上覆巖層的整體連續(xù)性，工作面礦壓及上覆巖層垮落規(guī)律表現(xiàn)異常，斷層極易活化，滑移現(xiàn)象明顯，對工作面前方煤體產(chǎn)生很高的集中應(yīng)力載荷，易誘發(fā)動力災(zāi)害。

References

［1］ LAI Xing-ping，CAI Mei-feng. Insitu-monitoring and analysis of rock-mass behavior prior to collapse of the main transport road-way in Ling long Gold Mine，China［J］.International Journal of Rock Mechanics ＆ Mining Sciences，2006，43(4):640 -646.

［2］ 來興平，張 勇.基于AE 煤巖破裂與動態(tài)失穩(wěn)特征實驗及綜合分析［J］. 西安科技大學(xué)學(xué)報，2006，26(3):289 -292.LAI Xing-ping，ZHANG Yong. Comprehensive characteristics analysis of crack propagation and dynamical destabilization of coal rock based on acoustic emission experiment［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2006，26(3):289 -292.

［3］ 張立杰，蔡美峰，來興平，等.基于AE 的深部復(fù)變環(huán)境下急斜特厚煤層開采動力失穩(wěn)分析［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2007，29(1):1 -4.ZHANG Li-jie，CAI Mei-feng，LAI Xing-ping，et al.Dynamical destabilization analysis of steep and heavy thick coal seam in a deep-mine under the complex-variable environment based on AE［J］. Journal of University of Science and Technology Beijing，2007，29(1):1 -4.

［4］ 文光才，李建功.礦井煤巖動力災(zāi)害聲發(fā)射監(jiān)測適用條件初探［J］.煤炭學(xué)報，2011，36(2):278 -282.WEN Guang-cai，LI Jian-gong.Preliminary study on the application conditions of acoustic emission monitoring dynamic disasters in coal and rock［J］.Journal of China Coal Society，2011，36(2):278 -282.

［5］ 任奮華，蔡美峰，來興平，等.采空區(qū)覆巖破壞高度監(jiān)測分析［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2004，26(2):115 -117.REN Fen-hua，CAI Mei-feng，LAI Xing-ping，et al. Monitoring and analysis of the damage height of overburden rock mass on the mined-out area［J］.Journal of University of Science and Technology Beijing，2004，26(2):115 -117.

［6］ 楊忠民，張建華，來興平，等.復(fù)雜特厚富水煤層大采高開采巖層運動局部化特征［J］.煤炭學(xué)報，2010，35(11):1 868 -1 872.YANG Zhong-min，ZHANG Jian-hua，LAI Xing-ping，et al.Localized characteristics of strata movement for complicated super-thick water-rich coal seam with large mining height［J］.Journal of China Coal Society，2010，35(11):1 868 -1 872.

［7］ 卜萬奎，茅獻(xiàn)彪.斷層傾角對斷層活化及底板突水的影響研究［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(2):386 -394.BU Wan-kui，MAO Xian-biao. Research on effect of fault dip on fault activation and water inrush of coal floor［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(2):386 -394.

［8］ 來興平，周光華.基于現(xiàn)場監(jiān)測的破碎圍巖介質(zhì)垮落失穩(wěn)及綜合分析［J］. 煤炭學(xué)報，2008，33(3):246 -250.LAI Xing-ping，ZHOU Guang-hua. Comprehensive assessment of collapse instability of fractured rockmass mediums based on in-situ monitoring［J］. Journal of China Coal Society，2008，33(3):246 -250.

［9］ 曹建濤.復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)預(yù)報與控制研究［D］.西安:西安科技大學(xué)，2014.CAO Jian-tao.Prediction and control research on structural destabilization of complex coal-rock masses［D］.Xi’an:Xi’an University of Science and Technology，2014.

［10］ 崔 峰.復(fù)雜環(huán)境下煤巖體耦合致裂基礎(chǔ)與應(yīng)用研究［D］.西安:西安科技大學(xué)，2014.CUI Feng.Study on the coupled-crack base and application for coal-rock under complex environment［D］. Xi’an:Xi’an University of Science and Technology，2014.