深井構(gòu)造區(qū)域采動(dòng)斷層活化特征

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摘 要：以深部礦井FD121斷層為背景，對(duì)其進(jìn)行相似材料模擬試驗(yàn)，深入研究采動(dòng)過(guò)程中斷層的活化規(guī)律。研究結(jié)果表明，工作面在臨近斷層時(shí)，煤柱頂?shù)装鍟?huì)出現(xiàn)高應(yīng)力集中區(qū)，臨近斷層側(cè)的煤柱和底板受不同程度的破壞。煤層采動(dòng)過(guò)程中，頂?shù)装逯С袎毫Τ氏仍龊鬁p的趨勢(shì)，即增加到最大值后逐漸降低，而且斷層帶對(duì)于支承壓力的傳播起到“屏障”作用，即當(dāng)測(cè)點(diǎn)距工作面越近時(shí)，所受的支承壓力越大。根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果，工作面開(kāi)采對(duì)于FD121斷層的影響深度在22.5cm-30cm之間;工作面推進(jìn)對(duì)于FD121斷層下盤三灰含水層會(huì)有一定的影響。

關(guān)鍵詞：構(gòu)造區(qū)域;斷層活化;相似材料;深部礦井

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.051

斷層的存在破壞了巖層的完整性，常常成為與含水層聯(lián)系的導(dǎo)水通道。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)煤田開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生的斷層活化問(wèn)題進(jìn)行了研究。周瑞光等[1]、李青峰等[2]、彭蘇萍[3]、左建平[4]等分別應(yīng)用三軸剪應(yīng)力儀、隔水關(guān)鍵層原理、礦壓理論分析了不同條件斷層泥的力學(xué)特征并建立了隔水巖層的理論模型，分析了水力耦合作用下斷層的采動(dòng)活化特征;徐德金[5]、黃存捍[6]等分析了采動(dòng)斷層的活化機(jī)理及其與底板導(dǎo)水之間的關(guān)系;于廣明[7]、李利平等[8]則分別從分形角度和力學(xué)角探討了斷層活化的抗剪強(qiáng)度及災(zāi)變演化機(jī)制。上述文獻(xiàn)對(duì)斷層活化現(xiàn)象進(jìn)行了分析，但在斷層活化與其誘發(fā)原因之間的關(guān)系方面仍有問(wèn)題尚不清楚。

1 采礦地質(zhì)條件及試驗(yàn)方案

選取礦井深部構(gòu)造區(qū)域1311工作面，其涉及的季莊斷層（正斷層）位于井田中部，走向45°，傾向315°，傾角65°，落差50～290m。該斷層將井田分為南北兩大部分。季莊斷層附近，其南部存在一FD121斷層，該斷層為一正斷層，走向45°，傾向315°，傾角50°，落差20～50m。開(kāi)采煤層為3煤層，煤層厚度6.9m，煤層傾角20°。

模擬試驗(yàn)主要分析在工作面回采期間，煤層頂、底板的應(yīng)力變化情況，F(xiàn)D121斷層上下盤三灰含水層應(yīng)力變化，以及在回采期間煤層開(kāi)采對(duì)于FD121斷層的破壞深度和季莊斷層兩盤界面處的應(yīng)力變化規(guī)律，從而反應(yīng)出斷層在工作面開(kāi)采過(guò)程中斷層的活化特性。

模擬巖層高度為：FD121斷層下盤煤層上方210m，下方50m。模型總得尺寸為長(zhǎng)×寬×高=1900mm×220mm×

1500mm。試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀赡Ｐ图茏髠?cè)向右推進(jìn)工作面，每2小時(shí)采一次，推進(jìn)3.5cm，相當(dāng)于實(shí)際每天推進(jìn)7米。

2 頂?shù)装鍘r層及斷層破壞規(guī)律

首先按照設(shè)計(jì)方案從距模型左側(cè)邊界32cm處開(kāi)切眼，然后向FD121斷層進(jìn)行推進(jìn)。物理模擬試驗(yàn)表明：試驗(yàn)所研究的工作面，直接頂初次斷裂步距為24cm，周期斷裂步距為8cm;老頂?shù)某醮螖嗔巡骄酁?3cm，其周期步距為7cm。從工作面開(kāi)始從切眼回采，至20cm時(shí)，直接頂有離層現(xiàn)象，且比較明顯的;當(dāng)工作面回采到24cm時(shí)，直接頂產(chǎn)生首次垮落;隨著回采工作的繼續(xù)，當(dāng)工作面回采至32cm時(shí)，直接頂開(kāi)始出現(xiàn)周期性垮落;進(jìn)一步進(jìn)行回采，當(dāng)工作面推進(jìn)了33cm時(shí)，老頂首次發(fā)生垮落，當(dāng)持續(xù)推薦工作面至40cm時(shí)，周期來(lái)壓在老頂巖層出現(xiàn)，老頂逐步開(kāi)始垮落，上覆巖層的彎曲沉降逐漸顯現(xiàn)，直至發(fā)展到上方的堅(jiān)硬厚巖層，產(chǎn)生離層現(xiàn)象;隨著工作面的持續(xù)回采，上覆巖層彎曲、下沉及垮落的范圍不斷增加，與現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)過(guò)程基本一致，印證了物理實(shí)驗(yàn)的合理性，能夠較準(zhǔn)確的反映工作面回采的實(shí)際情況。

當(dāng)工作面推進(jìn)結(jié)束，即按計(jì)劃在FD121斷層處留設(shè)10cm煤柱時(shí)，F(xiàn)D121斷層基本沒(méi)有發(fā)生活化現(xiàn)象。為了進(jìn)一步驗(yàn)證縮短煤柱對(duì)于FD121以及季莊斷層的影響，在開(kāi)挖結(jié)束后繼續(xù)向FD121斷層推進(jìn)，當(dāng)煤柱縮短為7cm時(shí)，F(xiàn)D121斷層帶下界出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象，斷層發(fā)生活化，繼續(xù)向前推進(jìn)，離層現(xiàn)象加劇，當(dāng)煤柱被開(kāi)挖完畢，F(xiàn)D121斷層帶上界也出現(xiàn)較為明顯的離層現(xiàn)象，同時(shí)斷層帶發(fā)生斷裂破壞，斷層活化嚴(yán)重。通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果可以得到，采動(dòng)支承壓力增大，煤體變形破壞嚴(yán)重，且隨著斷層煤柱的縮短，斷層發(fā)生活化且活化現(xiàn)象不斷加劇。

3 FD121斷層附近頂?shù)装鍛?yīng)力分析

試驗(yàn)在FD121斷層附近的煤層頂?shù)装甯浇贾糜?個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，1～3#為頂板測(cè)點(diǎn)，4～6#為底板測(cè)點(diǎn)。繪制測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化圖，以此來(lái)了解工作面推進(jìn)至斷層附近時(shí)，采動(dòng)對(duì)巖層破壞的規(guī)律。

可以看出，在開(kāi)采初期，各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)基本無(wú)明顯變化，當(dāng)推進(jìn)至35cm時(shí)，1#測(cè)點(diǎn)應(yīng)力逐步發(fā)生變化，隨著工作面推進(jìn)，2#與3#測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力也開(kāi)始增加。隨著工作面繼續(xù)回采，煤柱上方出現(xiàn)高應(yīng)力集中，且逐漸向斷層側(cè)延伸，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的變化幅度也開(kāi)始增大;推進(jìn)至55cm時(shí)，1#測(cè)點(diǎn)達(dá)到最大值，而后開(kāi)始減小，支承壓力向前方轉(zhuǎn)移;其他測(cè)點(diǎn)應(yīng)力在推進(jìn)到60cm和65cm時(shí)達(dá)到最大值，之后逐漸減小。隨著工作面的不斷推進(jìn)，當(dāng)推過(guò)測(cè)點(diǎn)1，即工作面推進(jìn)至75cm時(shí)，測(cè)點(diǎn)1出現(xiàn)負(fù)值，測(cè)點(diǎn)1失效，繼續(xù)推進(jìn)工作面，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3也出現(xiàn)負(fù)值并失效。當(dāng)工作面推進(jìn)方向向著斷層時(shí)，破碎帶具有較大的吸收二次應(yīng)力、減緩變形作用，即產(chǎn)生“屏障”作用。

4 工作面推進(jìn)對(duì)FD121斷層影響深度

為了研究工作面推進(jìn)對(duì)FD121斷層的影響深度，本次試驗(yàn)在FD121斷層煤層下方斷層破碎帶處布設(shè)有7～10共4個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。在開(kāi)采完畢后對(duì)四個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，其中測(cè)點(diǎn)10由于距離深度較深，沒(méi)有發(fā)生應(yīng)力變化，測(cè)點(diǎn)7～9的應(yīng)力變化曲線如圖6。

測(cè)點(diǎn)7在工作面推進(jìn)到60cm時(shí)才發(fā)生變化，在推進(jìn)至85cm時(shí)達(dá)到其峰值，隨后逐漸降低，隨著工作面推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)8和測(cè)點(diǎn)9應(yīng)力值也發(fā)生變化，而測(cè)點(diǎn)10沒(méi)有發(fā)生應(yīng)力變化，說(shuō)明工作面推進(jìn)結(jié)束并未影響到測(cè)點(diǎn)10附近區(qū)域，因此工作面開(kāi)采對(duì)于FD121斷層影響深度為22.5cm～30cm之間，通過(guò)觀察可以看到測(cè)點(diǎn)7～9所達(dá)到的應(yīng)力值較煤層頂?shù)装鍛?yīng)力值相比較要小得多，這也說(shuō)明工作面推進(jìn)對(duì)于斷層較深處的影響有限。

5 采動(dòng)對(duì)三灰含水層的影響

此次試驗(yàn)在FD121斷層下盤三灰含水層底界面共布設(shè)有4個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，即測(cè)點(diǎn)11～14。其中測(cè)點(diǎn)14在開(kāi)采過(guò)程中并未發(fā)生應(yīng)力變化。

從圖7可以看出，11#～13#測(cè)點(diǎn)在開(kāi)采初期無(wú)明顯變化，直到70cm時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)變化，隨后12、13測(cè)點(diǎn)也出現(xiàn)變化，但變化值都不大，測(cè)點(diǎn)14由于距離工作面較遠(yuǎn)，在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中并未發(fā)生應(yīng)力變化，可見(jiàn)，測(cè)點(diǎn)14附近區(qū)域幾乎沒(méi)有受到工作面推進(jìn)的影響，整體而言，F(xiàn)D121下盤三灰含水層受到工作面開(kāi)采的影響較小。

6 結(jié)論

（1）工作面在臨近斷層時(shí)，煤柱頂?shù)装鍟?huì)出現(xiàn)高應(yīng)力集中區(qū)，臨近斷層側(cè)的煤柱和底板受不同程度的破壞。

（2）煤層采動(dòng)過(guò)程中，頂?shù)装逯С袎毫Τ氏仍龊鬁p的趨勢(shì)，即增加到最大值后逐漸降低，而且斷層帶對(duì)于支承壓力的傳播起到“屏障”作用，即當(dāng)測(cè)點(diǎn)距工作面越近時(shí)，所受的支承壓力越大。

（3）根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果，工作面開(kāi)采對(duì)于FD121斷層的影響深度在22.5cm～30cm之間;工作面推進(jìn)對(duì)于FD121斷層下盤三灰含水層會(huì)有一定的影響。

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