下保護層工作面過斷層區(qū)覆巖裂隙-應力 演化規(guī)律研究

田 燚，劉 勇,2，康向濤,2，王 沉,2，賀征勛

(1.貴州大學礦業(yè)學院,貴州 貴陽 550025； 2.復雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心，貴州 貴陽 550025)

覆巖裂隙是瓦斯運移和擴散的重要通道，研究采動裂隙演化分布規(guī)律，對瓦斯抽采和瓦斯治理具有重要基礎意義。學者對采動裂隙發(fā)育演化和分布特征進行了大量研究。錢鳴高等[1]提出“O”型圈模型；袁亮等[2]、盧平等[3]、林柏泉[4]分別提出“頂板環(huán)形裂隙”和“回”形圈概念；李樹剛等[5]、林海飛等[6]運用理論分析和實驗驗證方法提出采動覆巖裂隙橢拋帶的動態(tài)演化形態(tài)；馮國瑞等[7]運用實驗研究發(fā)現(xiàn)上行開采巖層間裂隙產(chǎn)生、擴展過程；楊科等[8]指出不同采厚采動裂隙分布具有“∩”型高帽狀的分布特征；程志恒等[9]運用模擬實驗研究了疊加開采影響下裂隙分布與演化特征，得出裂隙在疊加開采條件下裂隙發(fā)育明顯增加的分布特征；張勇等[10]研究采動影響下底板不同應力分區(qū)裂隙動態(tài)分布及其演化規(guī)律，得到煤層底板不同分區(qū)裂隙發(fā)育特點。而對裂隙場而言，煤層群中含有規(guī)模不等的斷層，斷層在采動影響下容易“活化”引起其附近應力發(fā)生變化，從而影響裂隙的發(fā)育和分布特征[11-14]。由此，文章結(jié)合貴州某礦現(xiàn)場條件，應用物理相似模擬對煤層群下保護層開采過斷層區(qū)上覆巖層裂隙發(fā)育和覆巖運動規(guī)律進行研究，為工作面過斷層區(qū)瓦斯防治提供參考。

1 工程概況

貴州某礦為煤與瓦斯突出礦井，上煤層組有6#與10#可采煤層，其中10#煤層埋深567 m，平均厚度2 m，煤層平均傾角8°；直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.8 m，上距6#煤層33.7 m，兩煤層均為煤與瓦斯突出煤層；6#煤層局部可采且瓦斯涌出量較大，故將10#煤層作為下保護層進行開采，6#煤層含有一落差為4 m、傾角為45°斷層。斷層貫穿6#煤層工作面，斷層在10#煤層頂板上方15.2 m處尖滅，煤層地質(zhì)鉆孔柱狀圖如圖1所示。

2 物理相似模擬實驗

2.1 相似模擬模型制作

模型試驗采用相似模擬實驗架，模型架尺寸為3.0 m×0.3 m×1.8 m。根據(jù)模擬煤層頂?shù)装鍘r性，選用河砂作為骨料，石膏和石灰作為膠結(jié)料。模型鋪設依次稱取骨料和膠結(jié)料，并稱取適量水攪拌均勻，倒入模型架鋪平搗實。每一層鋪設完成后在其層面上均勻灑上云母粉。貫穿6#煤層的斷層先鋪設其下盤，下盤鋪設完成后鋪設斷層，并且在斷層面兩側(cè)均勻灑上云母粉，按照斷層落差完成上盤鋪設。

2.2 相似材料相似比

綜合考慮影響因數(shù)，精確選定與模型參數(shù)相一致的配比，取實驗的幾何相似比1∶100，容重相似比1∶1.6，應力相似比1∶160。實驗模型材料配比見表1。

圖1 煤層地質(zhì)鉆孔柱狀圖(資料來源：貴州某礦相關地質(zhì)資料)

表1 實驗煤巖層厚度及模型材料配比表

巖性原型模型厚度/m抗拉強度/MPa抗壓強度/MPa密度/(kg/m3)配比號總重量/kg分層材料重量/kg石灰石膏水頁巖32.02.543.02 660437466.0372.828.065.2粉砂巖27.82.440.22 460355379.8284.947.547.5石灰?guī)r25.81.938.32 100346335.9251.950.450.4灰色細粉砂巖3.12.032.82 20035537.328.0 4.7 4.76#煤2.00.222.01 62037320.515.4 3.6 1.6砂質(zhì)泥巖11.72.543.02 660437170.4136.310.223.9粉砂巖2.42.440.22 46035532.824.6 4.14.1灰色細粉砂巖17.82.543.02 660437230.1184.113.832.2砂質(zhì)泥巖1.81.730.51 98045520.016.0 2.02.010#煤2.00.2318.01 62065520.517.5 1.51.5粉砂巖43.62.443.02 460355595.7446.774.574.5

2.3 實驗測點布置

根據(jù)實驗模型物理尺寸，在物理模型10#煤層頂板上方5 cm處布置第一排位移測線，豎直方向上共布置層距為10 cm的8排測線；在距離10#煤層底板2 cm和頂板5 cm布設應力應變片，觀測記錄工作面接近和遠離斷層過程中應力變化情況，同時在斷層面底端、中部和頂端不同位置處設置A、B、C應力觀測點。在斷層上下盤附近布設位移下沉測點觀測記錄斷層面的滑移量，物理模型各測點布置如圖2所示。

圖2 模型設計及應力位移測點示意圖

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 10#煤層開采裂隙場演化特征

為表述裂隙發(fā)育演化，以走向裂隙密度定量描述下保護層開采從接近至遠離斷層區(qū)采動裂隙發(fā)育過程。圖3(a)為工作面接近和遠離頂板斷層裂隙發(fā)育曲線。由圖3(a)可知覆巖采動裂隙發(fā)育大致可分為三階段。①工作面推進至120 m，即覆巖裂隙未受頂板斷層影響階段：從開切眼至頂板巖層初次來壓與周期來壓過程中，頂板巖層由彈性向塑性變形發(fā)展，逐漸積聚能量破壞，上覆巖層破斷、冒落產(chǎn)生縱向與橫向采動裂隙，裂隙密度也隨工作面推進不斷增加。工作面推進至120 m時，采空區(qū)中部裂隙被逐漸壓實，此時覆巖裂隙發(fā)育未受斷層影響，裂隙密度曲線呈現(xiàn)駝峰狀。②工作面推進160 m，即采動覆巖裂隙受頂板斷層劇烈影響階段：隨著工作面不斷向斷層推進，巖層受采動影響斷裂垮落，引起頂板斷層附近煤巖體破碎，形成斷層帶，在工作面逐漸接近頂板斷層過程中，裂隙帶進入頂板斷層帶，在采動與斷層雙重影響下，頂板巖層破碎嚴重，覆巖采動裂隙向更高層位發(fā)育；當工作面推進至160 m時，如圖3(b)所示，裂隙發(fā)育集中在工作面向采空區(qū)內(nèi)60 m并斜向上30 m與斷層帶范圍內(nèi)，此時，一方面斷層帶原生微觀裂紋擴展為宏觀裂隙，另一方面采動引起斷層周圍巖體結(jié)構(gòu)破壞出現(xiàn)同斷層傾向方向平行的采動裂隙。工作面附近裂隙密度曲線陡升到達峰值，裂隙密度曲線呈現(xiàn)前低后高的駝峰狀。③工作面推進至200 m，即采動覆巖裂隙受頂板斷層影響減弱階段：隨著工作面遠離斷層帶，采空區(qū)覆巖逐漸冒落壓實，斷層帶裂隙密度亦隨覆巖垮落壓實而減小，在切眼和工作面處由于壓實相對緩慢裂隙密度依然較大，采空區(qū)裂隙密度曲線大致呈現(xiàn)切眼和工作面、中部斷層帶處較高的“W”型分布。

圖3 覆巖裂隙分布特征

3.2 10#煤層開采斷層面應力變化規(guī)律

斷層底端應力變化如圖4(a)所示，工作面從開切眼推進至距離頂板斷層20 m過程中，斷層受采動影響較小，正應力、剪應力增加緩慢；當工作面推進至距頂板斷層20 m時，斷層底端剪應力顯著上升，當工作面恰好位于頂板斷層正下方時，正應力、剪應力達到峰值-22.55 MPa與-17.58 MPa；當工作面過頂板斷層后，斷層面的正應力、剪應力迅速降低，且隨工作面繼續(xù)推進斷層面底端處的正應力、剪應力得到釋放，其附近的圍巖重新被上覆巖層壓實，且保持在一定水平。

圖4 斷層不同位置應力變化圖

斷層頂端應力變化如圖4(b)所示，工作面推進至距頂板斷層60 m過程中，斷層頂端應力上升緩慢，此階段斷層受采動影響較小，當工作面推進至距離頂板斷層40 m，正應力、剪應力開始出現(xiàn)明顯上升，當回采工作面距離頂板斷層20 m時，正應力、剪應力達到峰值-18.47 MPa與-14.88 MPa。此后隨工作面繼續(xù)推進斷層面頂端正應力、剪應力得到釋放，應力迅速下降并維持穩(wěn)定。

3.3 覆巖運動分布特征

工作面推進過程中，對煤層頂板上方15 cm處同一層位不同測點覆巖下沉位移進行觀測記錄，得到位移下沉變化，見圖5。由圖5可知，覆巖下沉大致分為三階段：①覆巖下沉停滯穩(wěn)定階段，此階段工作面未推進至測點，覆巖基本穩(wěn)定；②覆巖下沉劇烈階段，工作面推進至測點正下方，頂板下沉，隨工作面不斷推進測點后移距離增加，煤層上覆巖層空間冒落呈指數(shù)型上升，延伸幅度與擴展范圍增大，覆巖冒落下沉量升高，當測點后移至工作面后方40 m覆巖大幅度垮落下沉，說明測點所處頂板巖層已嚴重破斷冒落；③覆巖下沉平緩階段，頂板巖層經(jīng)歷劇烈下沉后，測點下降減緩，并逐漸趨于穩(wěn)定,表明測點所處頂板巖層已基本形成平衡結(jié)構(gòu)，覆巖下沉曲線呈現(xiàn)“瀑布”狀分布，工作面接近至遠離測點過程中，覆巖運動轉(zhuǎn)變的影響時間由強變?nèi)鹾涂臻g擴展范圍由深至淺，覆巖運動具有一定的時空效應。

圖5 同一層位采面推進不同距離測點位移

4 現(xiàn)場實測

現(xiàn)場實測選取工作面端部和中部有代表性的1#支架和43#支架工作阻力數(shù)據(jù)繪制支架工作阻力變化圖，如圖6所示，支架工作阻力特征可分為兩區(qū)域：未受斷層影響區(qū)與斷層影響區(qū)域，斷層影響區(qū)根據(jù)支架阻力情況又可分為“高壓區(qū)”和“低壓區(qū)”。在未受斷層影響區(qū)，工作面推進35.0 m和37.5 m支架經(jīng)歷頂板初次來壓，1#支架經(jīng)歷平均周期來壓步距為21.2 m和平均工作阻力為19.93 MPa的四次周期來壓，43#支架經(jīng)歷平均周期來壓步距21.8 m和平均工作阻力為19.36 MPa的四次周期來壓。工作面推至116～140 m范圍進入斷層影響異?！案邏簠^(qū)”，支架分別經(jīng)歷平均周期來壓歩距為7.5 m、9.8 m的四次周期來壓與三次周期來壓，支架平均工作阻力分別為29.62 MPa、28.38 MPa，此“高壓區(qū)”內(nèi)巷道變形嚴重，發(fā)生3次巖爆與60次煤壁片幫。受采動影響，斷層下盤附近頂板變形破壞相對上盤更為嚴重，此與相似模擬實驗結(jié)果相似。為此對“高壓區(qū)”范圍采用頂板卸壓爆破措施，取得較好卸壓效果。“低壓區(qū)”范圍內(nèi)支架平均工作阻力分別為14.33 MPa、13.43 MPa，當工作面過斷層后推進至163 m時，“低壓區(qū)”的頂板經(jīng)歷首次斷裂引起支架出現(xiàn)阻力峰值。

圖6 支架工作阻力變化圖

5 結(jié) 論

1) 實驗表明下保護層采動裂隙場發(fā)育受頂板斷層影響強烈。工作面從開切眼推進至120 m過程中，由于頂板斷層與工作面間距離較遠，頂板斷層未對裂隙發(fā)育產(chǎn)生影響；工作面推進160 m，過頂板斷層一定距離后，斷層區(qū)內(nèi)原生裂紋擴展和采動破壞斷層區(qū)域頂板結(jié)構(gòu)引起覆巖裂隙大幅度增加。工作面遠離頂板斷層后，采動裂隙逐漸壓實，其空間分布形態(tài)呈現(xiàn)切眼和工作面、中部斷層帶處較高的“W”

型分布。

2) 分析了頂板斷層底端和頂端正應力與剪應力峰值隨采動工作面的接近與遠離表現(xiàn)出不同變化，頂板斷層底端應力峰值受采動影響更劇烈。同時得到了同一層位覆巖下沉隨下保護層開采呈現(xiàn)“瀑布”狀分布，覆巖位移下沉具有時空效應。

3) 現(xiàn)場實測工作面推進至116～140 m進入斷層影響異常“高壓區(qū)”范圍內(nèi)，支架平均工作阻力分別為29.62 MPa、28.38 MPa，頂板斷層區(qū)圍巖應力異常，易引起巷道變形和裂隙發(fā)育，在此區(qū)域應加強卸壓和支護措施。