馬脊梁礦8117工作面過斷層相似模擬分析研究

周永貴

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司馬脊梁礦，山西大同037003）

1 引言

斷層的基本要素包括斷層面、斷層線、上盤和下盤、以及斷層錯(cuò)距等[1]。在煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造中，斷層是最常見的構(gòu)造之一。當(dāng)在斷層附近進(jìn)行采掘活動(dòng)時(shí)，采動(dòng)應(yīng)力的異常分布、斷層活化是誘發(fā)煤巖體破壞的主要因素，因此研究斷層附近采動(dòng)應(yīng)力分布和斷層滑移規(guī)律就顯得十分重要[2-3]。

2 地質(zhì)情況

同煤集團(tuán)馬脊梁礦8117工作面位于14-3#一水平301-2盤區(qū)，工作面標(biāo)高 852.3 m～904.1 m，傾向長(zhǎng)度239.4 m，走向長(zhǎng)度為2 377.0 m，工作面傾角為1°～5°，平均3°，工作面煤層為穩(wěn)定型煤層，可采指數(shù)為1，含1～6層夾矸，厚0.05 m～2.15 m，純煤平均厚6.1 m，夾矸巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部有煌斑巖，工作面布置如圖1。

圖1 8117工作面布置圖

兩順槽巷在掘進(jìn)過程中共揭露正斷層14條，其中2117巷揭露9條，5117巷揭露4條，切巷揭露1條見表1。

表1斷層情況表

3 工作面過斷層相似模擬分析

根據(jù)相似理論，構(gòu)建相似材料試驗(yàn)?zāi)M模型，按照地質(zhì)鉆孔圖，布置相應(yīng)材料，分別模擬工作面通過上盤和下盤推進(jìn)時(shí)，圍巖受采動(dòng)影響應(yīng)力集中情況和頂板滑移破壞等情況。

圖2上下盤過正斷層開采模型

本次試驗(yàn)采用DH3815應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，相似模擬框架大小為3 m × 0.4 m × 2.1 m，有效高度為1.8 m，本次試驗(yàn)共兩個(gè)方案：正斷層下盤過斷層開采、正斷層上盤過斷層開采，實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示。

同時(shí)模型布置了16條位移檢測(cè)線，以便準(zhǔn)確檢測(cè)整個(gè)工作面的斷層滑移、頂板下沉等數(shù)據(jù)。

通過相似理論和條件，按比例計(jì)算各個(gè)材料的用量，在表2列出了，煤層頂?shù)装逡还?0層的煤巖類別和材料用量。

表2相似模擬實(shí)驗(yàn)材料配比情況表

首先開挖模型1、切眼長(zhǎng)度10 m，開挖方向：沿煤層底板從右向左開挖，開挖高度4 m,進(jìn)尺60 m,兩次開挖時(shí)間間隔約為2小時(shí)，觀察實(shí)際模型運(yùn)動(dòng)狀況，在上次開挖后，巖層運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定的情況下才能進(jìn)行下一次的試驗(yàn)，下圖顯示了在工作面下盤過斷層時(shí)，切眼距離斷層不同位置下的巖層破壞情況。

圖3工作面距斷層120 m、80 m、40 m、20 m、10 m、0 m時(shí)的巖層狀態(tài)

切眼距離斷層線110 m～40 m時(shí)，破壞的上覆巖層高度不斷升高，斷層面基本未出現(xiàn)錯(cuò)位情況；工作面推進(jìn)到距斷層20 m時(shí)，上覆巖層離層高度升高至122 m，斷層面所在的位置出現(xiàn)了張裂、且由于采空區(qū)面積的持續(xù)增大，斷層下盤的低位巖層出現(xiàn)了向采空區(qū)回轉(zhuǎn)現(xiàn)象，隨著繼續(xù)向斷層推進(jìn)，離層高度繼續(xù)增加，斷層張裂區(qū)持續(xù)擴(kuò)大，張裂區(qū)的最低高度持續(xù)逼近煤層，最小值達(dá)到38m，寬度達(dá)1.8m；當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層位置時(shí)，下盤低位巖層突然下沉，此時(shí)容易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，回轉(zhuǎn)現(xiàn)象增強(qiáng)，高位巖層離層速度變緩。工作面分別在煤層上方8 m、28 m、68 m、88 m、128 m（編號(hào)分別為A、B、C、D、E）從上下盤過斷層時(shí)，斷層兩盤相對(duì)位移量與工作面在斷層距離之間關(guān)系圖見圖4所示。

圖4過斷層時(shí)兩盤相對(duì)位移量與工作面和斷層的距離關(guān)系

通過兩張圖的對(duì)比可以看出從下盤過斷層時(shí)，危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)閿鄬忧昂?0 m，而通過上盤過斷層時(shí)候危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)楣ぷ髅媲?0 m～10 m，兩者相比通過上盤時(shí)斷層兩盤相對(duì)位移量較小，且斷層開始活化的時(shí)間晚，工作面過斷層后上層覆巖結(jié)構(gòu)快速穩(wěn)定，綜上工作面沿上盤過斷層時(shí)危險(xiǎn)性小于沿下盤過斷層。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)馬脊梁煤礦8117工作面過斷層的情況相似模擬實(shí)驗(yàn)分析，研究表明從上盤通過斷層時(shí)對(duì)工作面正常生產(chǎn)影響較小，尤其工作面基本頂周期來壓特別是見方來壓時(shí)，通過超前支護(hù)的措施預(yù)防、兩順槽超高區(qū)域提前注馬麗散，并做人工假頂，保證超前支護(hù)和端頭支架接頂實(shí)，采取在來壓區(qū)域不放頂煤，加快推進(jìn)速度的方法，減緩來壓強(qiáng)度和影響。