逆斷層區(qū)域采動煤體力學(xué)特征

周 睿

（1.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122）

斷層是煤炭開采常見的地質(zhì)構(gòu)造之一，在我國煤炭產(chǎn)區(qū)分布廣泛[1]。尤其是我國西南地區(qū)的貴州、云南、重慶等省份，煤礦井下工程往往需要穿過斷層或者靠近斷層布置[2-4]，造成采掘影響區(qū)域煤體存在復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，研究其力學(xué)特征及其穩(wěn)定性時(shí)，不僅要考慮煤體的原始應(yīng)力，而且要注意構(gòu)造應(yīng)力的影響[5-6]。逆斷層構(gòu)造作為1種斷層主要表現(xiàn)形式，巨大的水平擠壓應(yīng)力改變了斷層影響區(qū)域煤體的原始力學(xué)特征，進(jìn)而影響煤層的賦存狀態(tài)、應(yīng)力變化以及瓦斯分布[7-9]，當(dāng)回采工作面臨近逆斷層時(shí)，在構(gòu)造應(yīng)力和采動應(yīng)力影響下煤體力學(xué)特征將發(fā)生改變，這種改變將會對煤礦安全開采造成影響，因此開展逆斷層區(qū)域煤體應(yīng)力特征研究十分必要。

長期以來，煤巖體力學(xué)特征的研究一直受到國內(nèi)外力學(xué)專家的廣泛關(guān)注，開展了大量的力學(xué)加載試驗(yàn)研究，針對煤巖體的強(qiáng)度特征和變形特征進(jìn)行了一系列的研究，尤其近些年注意到工程煤巖體在加、卸載不同力學(xué)路徑下表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)有很大的差別。邱士利等[10]開展不同初始損傷程度和卸荷路徑下大理巖三軸力學(xué)試驗(yàn)，深入分析了初始損傷程度和卸荷路徑對深埋大理巖卸荷變形破壞規(guī)律的控制作用；張寧博等[11]對大理巖在單軸壓縮、等幅循環(huán)加卸載和分級循環(huán)加卸載條件下?lián)p傷破壞全過程的聲發(fā)射特性進(jìn)行研究，提出了1個能夠反映聲發(fā)射波形信息的指標(biāo)；韓鐵林等[12]針對砂巖試樣開展3種不同應(yīng)力路徑下的三軸試驗(yàn)，得出砂巖的變形和強(qiáng)度特性主要受初始軸壓和初始圍壓的影響，而卸圍升軸和定軸卸圍時(shí)試樣常常呈現(xiàn)出張剪破壞特征。煤礦井下煤炭回采、巷道掘進(jìn)、鉆孔施工等均是復(fù)雜的三向力學(xué)行為，若想準(zhǔn)確獲得這些條件下煤巖體的力學(xué)特征則需要針對具體的力學(xué)路徑開展研究，獲得其在實(shí)驗(yàn)室條件下力學(xué)環(huán)境還原的方法。謝和平等[13]針對放頂煤開采、無煤柱開采與保護(hù)層開采3種條件下工作面前方煤體所承受的采動力學(xué)應(yīng)力環(huán)境條件，開展不同開采條件下煤體采動力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)研究；尹光志等[14]利用自行研制的含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行不同加卸載條件下含瓦斯煤力學(xué)特性的試驗(yàn)研究，得出不同加卸載條件下含瓦斯煤的力學(xué)特性表現(xiàn)各異；許江等[15]采用加軸壓、卸圍壓的應(yīng)力控制方式開展煤巖加卸載試驗(yàn)，得出應(yīng)力差與應(yīng)變關(guān)系不同階段煤體力學(xué)特征；CHEN等[16]采用數(shù)值模擬方法研究了開采過程中被保護(hù)層三向應(yīng)力演化規(guī)律，并應(yīng)用該規(guī)律進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)加卸載路徑，分析了保護(hù)層開采過程中卸載煤體損傷及滲透性的演化特征；黃啟翔等[17]結(jié)合煤體試樣卸圍壓過程中全應(yīng)力-應(yīng)變過程煤巖瓦斯?jié)B透特性的試驗(yàn)結(jié)果，推導(dǎo)出煤體力學(xué)特征及瓦斯?jié)B透特性曲線。

圍繞逆斷層構(gòu)造，很多學(xué)者也開展了卓有成效的研究，但主要集中在斷層活化誘導(dǎo)沖擊地壓[18-19]以及斷層突水[20-21]等方面，針對逆斷層影響區(qū)域煤體力學(xué)特征的研究較少，但煤體力學(xué)特征將直接影響區(qū)域內(nèi)煤體應(yīng)力的分布以及瓦斯賦存以及運(yùn)移等特征，對指導(dǎo)煤礦現(xiàn)場安全生產(chǎn)有著積極重要的意義。因此，結(jié)合煤礦現(xiàn)場實(shí)際條件，通過理論分析和現(xiàn)場測試獲得距離逆斷層不同距離條件下煤體應(yīng)力變化規(guī)律，并將此規(guī)律轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室力學(xué)加、卸載應(yīng)力路徑，進(jìn)一步研究逆斷層構(gòu)造影響區(qū)域內(nèi)煤巖體力學(xué)變化特征，為逆斷層構(gòu)造影響區(qū)域煤炭資源安全開采提供參考。

1 工程地質(zhì)概況

貴州新春煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬t/a，服務(wù)年限62年。井田位于仁懷背斜北東端的北西翼，即官店向斜南東翼的南西端。礦井主采C5煤層，煤層厚度為1.50～2.87m，其中1503工作面位于礦井東南部，采深300～420m，采煤方法為走向長壁采煤法。1503回采工作面走向前方存在F4隱伏逆斷層，逆斷層傾角60°，長度195m，斷距0～6m，逆斷層位置如圖1。通過對地質(zhì)條件的綜合分析，逆斷層構(gòu)造巖石硬度系數(shù)f為5.5 ，故采用煤機(jī)直接截割方式過斷層。

圖1 1503回采工作面示意圖Fig.1 Schematic diagram of1503mining face

2 逆斷層區(qū)域采動煤體應(yīng)力變化

2.1 逆斷層影響區(qū)域采動煤體應(yīng)力分析

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，建立采動影響下逆斷層區(qū)域煤體應(yīng)力分析模型，研究煤體應(yīng)力變化規(guī)律。采動影響下逆斷層區(qū)域煤體力學(xué)模型如圖2。

圖2 采動影響下逆斷層區(qū)域煤體力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of coal in reverse fault affected by mining

以工作面開采條件下逆斷層上盤作為分析對象，存在逆斷層構(gòu)造的煤巖地質(zhì)體在煤層頂板上方受到垂直分布載荷作用，在水平方向受到水平分布載荷作用。建立煤巖地質(zhì)體力學(xué)分析模型，x方向長度為H，y方向長度為L，O為逆斷層與煤層頂板的交點(diǎn)，在煤層頂板上方受到上覆巖層的垂直應(yīng)力qx作用，在水平方向受到水平應(yīng)力qy作用，正常情況下水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力近似相等，但由于逆斷層的存在，水平擠壓作用明顯，故水平應(yīng)力取為垂直應(yīng)力的1.5 倍。依據(jù)礦山壓力分布規(guī)律，采動條件下逆斷層上盤垂直應(yīng)力分為8個區(qū)域，包括工作面前方應(yīng)力升高區(qū)ab、bc，最大應(yīng)力為K1·qx；工作面后方應(yīng)力升高區(qū)fg、gh，最大應(yīng)力為K3·qx；采空區(qū)應(yīng)力區(qū)cd、df，最大應(yīng)力為K2·qx；原巖應(yīng)力區(qū)Oa、hj，應(yīng)力為qx。

為了方便統(tǒng)計(jì)工作面頂板不同區(qū)域垂直應(yīng)力變化規(guī)律，這里將各區(qū)域應(yīng)力變化簡化為線性變化；并且假定煤巖體為均質(zhì)、各向同性材料；根據(jù)彈性力學(xué)理論，推導(dǎo)得出在垂直應(yīng)力作用下，逆斷層影響區(qū)域煤體任意一點(diǎn)M（x，y）的垂直應(yīng)力σx1為：

在水平應(yīng)力作用下，任意一點(diǎn)M（x，y）的垂直應(yīng)力σx2為：

結(jié)合式（1）和式（2），可以得出采動影響下任一點(diǎn)M（x，y）的垂直應(yīng)力σx為：

式中：x、y為點(diǎn)M（x、y）的坐標(biāo)；a、b、c、d、f、g、h、j均為y軸方向的長度，m；K1、K2、K3均為應(yīng)力集中系數(shù)。

為更加形象的表述采動影響下逆斷層影響區(qū)域煤體力學(xué)分析模型，獲得煤體應(yīng)力變化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件對相關(guān)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行賦值，其中垂直應(yīng)力qx為9.45MPa，水平應(yīng)力qy為14.18MPa、煤層與頂板距離為9m、開采高度1.36m；力學(xué)模型地質(zhì)體長度L為200m，深度H為200m；依據(jù)采礦學(xué)理論以及現(xiàn)場考察，距離參數(shù)LOa為105m，Lab為28 m，Lbc為2m，Lcd為4m，Ldf為100m，Lfg為2m，Lhg為28m。

將相關(guān)參數(shù)代入式（3）中，分別計(jì)算工作面距離逆斷層80、60、40、20m4個位置時(shí)工作面前方煤體應(yīng)力。采動影響下與距逆斷層不同距離時(shí)工作面前方煤體的力學(xué)變化規(guī)律如圖3。

由圖3可以看出，工作面前方煤體受采動影響，出現(xiàn)應(yīng)力集中，垂直應(yīng)力存在1個應(yīng)力升高區(qū)，超出應(yīng)力升高區(qū)影響范圍后煤體應(yīng)力再次逐漸回歸初始應(yīng)力狀態(tài)；并且初始應(yīng)力呈現(xiàn)出距離逆斷層越近，其初始應(yīng)力相對越大的變化規(guī)律。距離逆斷層80m時(shí)，煤體垂直應(yīng)力最大值為23.26MPa；距離逆斷層60m時(shí)煤體垂直應(yīng)力最大值為23.85MPa；距離逆斷層40m時(shí)煤體垂直應(yīng)力最大值為24.54MPa，距離逆斷層20m時(shí)煤體垂直應(yīng)力最大值為25.24 MPa，故對比得出，距離逆斷層越近，工作面前方煤體的應(yīng)力最大值相對越大。

圖3 與逆斷層不同距離時(shí)工作面前方煤體應(yīng)力變化Fig.3 Stress variation of coal in front of working face with different distances from reverse fault

2.2 采動煤體應(yīng)力監(jiān)測

為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果，得出逆斷層區(qū)域煤體采動應(yīng)力變化特征，對采動煤體進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測采用KBJ-60Ⅲ-1型回采支架工作阻力連續(xù)記錄儀監(jiān)測支架工作狀況，工作面支架工作阻力變化如圖4。

圖4 支架支撐力變化曲線Fig.4 The variation curves of support pressure

由如圖4可以看出，當(dāng)工作面頂板經(jīng)過周期來壓階段時(shí)，支架支撐力上升達(dá)到應(yīng)力極大值，與逆斷層距離不同，支撐力的極值也不同。其中支架1在距離斷層45m的位置時(shí)，支架支撐力極值為14MPa；在距離逆斷層35m的位置時(shí)，支架支撐力極值為15MPa；在距離逆斷層18m位置時(shí)，支架支撐力極值為18MPa；在距離逆斷層10m位置時(shí)，支架支撐力極值為27MPa。支架2在距離斷層50m的位置時(shí)，支架支撐力極值為13MPa；在距離逆斷層35m的位置時(shí)，支架支撐力極值為14MPa；在距離逆斷層25m位置時(shí)，支架支撐力極值為17MPa；在距離逆斷層10m位置時(shí)，支架支撐力極值為20MPa。因此可以得出，隨著回采工作面與逆斷層距離的減小，支架支撐力極值存在明顯的上升，即工作面頂板應(yīng)力集中程度提高，由此可以反映出煤體承載應(yīng)力增大，與理論分析的結(jié)果相同。

3 逆斷層影響區(qū)域煤體力學(xué)試驗(yàn)

由于逆斷層構(gòu)造的影響，在采動影響下距離逆斷層不同位置時(shí)煤體經(jīng)歷不同的應(yīng)力變化，導(dǎo)致不同距離條件下煤體力學(xué)特征存在一定差別，考慮到逆斷層構(gòu)造區(qū)域是沖擊地壓[22-23]、煤與瓦斯突出[24-25]等災(zāi)害的易發(fā)區(qū)域，如果忽略這種區(qū)別很容易導(dǎo)致嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故。為此，為了確切掌握與逆斷層不同距離造成煤體應(yīng)力特征的改變，基于采動影響下逆斷層構(gòu)造影響區(qū)域煤體應(yīng)力變化規(guī)律，開展應(yīng)力加、卸載路徑并進(jìn)行煤體力學(xué)特征研究試驗(yàn)。試驗(yàn)采用Rockman207巖石三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，其具備完成復(fù)雜路徑下應(yīng)力加卸載試驗(yàn)條件，最大軸向力輸出為2000kN，最大圍壓70MPa，傳感器測量范圍0～2mm，精度可以達(dá)到0.05 %。

同時(shí)，為了盡可能還原煤體井下實(shí)際情況，本次試驗(yàn)煤樣選取井下原煤煤樣進(jìn)行測試。要求試樣完整性較好、未風(fēng)化，尺寸長、寬均大于250mm，高大于200mm。采集煤樣后運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室，利用鉆孔取樣機(jī)從完整煤塊中鉆取直徑為50mm的圓柱體煤心，之后利用煤巖切割機(jī)將已經(jīng)鉆取的煤心切成高度為100mm的圓柱體；最后利用端面磨石機(jī)將圓柱體煤心加工成端面平整、兩端平行的標(biāo)準(zhǔn)煤樣，要求上下端面平行度小于0.05mm，端面平面度小于0.02mm，煤樣加工完成后用塑料膜包裹，以防止煤樣風(fēng)化。試驗(yàn)機(jī)和煤體試樣如圖5。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和煤樣Fig.5 Test system and coal samples

3.1 試驗(yàn)方案確定

為了探尋與逆斷層不同距離煤體應(yīng)力特征，結(jié)合理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，確定了3種力學(xué)加、卸載方案模擬與逆斷層不同距離煤體進(jìn)行試驗(yàn)。方案1、方案2和方案3分別模擬距離逆斷層65、35、5m位置煤體，應(yīng)力集中系數(shù)分別取為1.5 、2.0 、2.5 ，每個煤樣加載分為3個階段，3個方案的初始應(yīng)力均取為15MPa，加載速率取為0.0083MPa/s[26]；水平應(yīng)力逐漸降低，通過卸載速率進(jìn)行調(diào)整。為獲得煤樣破壞后的力學(xué)行為和瓦斯?jié)B流特征參數(shù)，峰后過程采用位移控制。煤體應(yīng)力加卸載方案見表1。

表1 煤體應(yīng)力加卸載方案Table1 Coal stress loading and unloading schemes

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3個加載方案的偏應(yīng)力、軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變、體積應(yīng)變的變化情況如圖6。在初始加載階段和第1加載階段，煤樣處于彈性變形階段，體積變形處于壓縮狀態(tài)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似保持直線；隨后進(jìn)入屈服和破壞階段，煤樣出現(xiàn)明顯的體積膨脹，偏應(yīng)力降低，軸向應(yīng)變、側(cè)向應(yīng)變和體積應(yīng)變曲線仍繼續(xù)增大。加載條件不同，導(dǎo)致煤樣具有不同的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，說明采動影響下，煤體與逆斷層距離不同，煤體的力學(xué)行為存在區(qū)別。對比分析3個加載方案的試驗(yàn)結(jié)果，距離逆斷層65m的M1煤樣偏應(yīng)力峰值較低，這是由于軸向應(yīng)力加載速率較低，圍壓卸載速率相同，導(dǎo)致軸向加載過程中對應(yīng)的圍壓更低，強(qiáng)度和延性降低，低圍壓狀態(tài)下煤體更容易破壞。距離逆斷層5m的M3煤樣偏應(yīng)力峰值較高，這是由于軸向應(yīng)力加載速率較高，圍壓卸載速率相同，導(dǎo)致軸向加載過程中對應(yīng)的圍壓更高，在高圍壓狀態(tài)下煤樣相對不容易破壞，此外M3煤樣在偏應(yīng)力峰值位置的軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變以及體積應(yīng)變均相對最高，并且完全破壞后其體積應(yīng)變也相應(yīng)較大。

圖6 試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Deviatoric stress-strain complete process of coal samples

煤樣密度、應(yīng)力、應(yīng)變等相關(guān)力學(xué)參數(shù)見表2?？梢钥闯?，與M1相比，M3煤樣的偏應(yīng)力峰值和軸向應(yīng)變分別上升了40.74 %和26.73 %，說明在相同圍壓卸載條件下，軸壓加載速率越高，煤樣的偏應(yīng)力峰值和延性變形也相對越大。

表2 煤樣物理參數(shù)及應(yīng)力變形參數(shù)Table2 Physical parameters of coal specimens

3.3 煤樣能量分析

能量演化貫穿于煤體試樣變形破壞的全過程，試樣受力期間伴隨著能量的吸收，吸收的能量主要由彈性能量和耗散能量組成[27]，其中彈性能量主要被試樣以彈性變形的形式儲存在試樣內(nèi)部，耗散能量則消耗在試樣內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展上。試樣峰值應(yīng)力點(diǎn)位置的彈性能被稱為儲能極限，內(nèi)部存儲的彈性能在一定程度上也在誘導(dǎo)試樣產(chǎn)生損傷破壞，當(dāng)彈性能增加時(shí)，煤體達(dá)到破壞時(shí)所需的能量也在增加[28]。

試樣吸收的總能量可以表示成以下形式：

試中：U為煤體受力條件下吸收的全部能量，J；UE為煤體受力過程中存儲的彈性能量，J；UD為受力過程中耗散的能量；σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變。

根據(jù)試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算得出試驗(yàn)過程中試樣的吸收能量密度、彈性能量密度和耗散能量密度。加載方過程中試樣能量曲線如圖7。

圖7 加載方過程中試樣能量曲線Fig.7 Curves of energy evolution of coal samples during loading process

根據(jù)能量理論，煤體峰值應(yīng)力點(diǎn)位置的彈性能被稱為煤體的儲能極限，內(nèi)部存儲的彈性能在一定程度上也在誘導(dǎo)煤體產(chǎn)生損傷破壞，當(dāng)彈性能增加時(shí)，煤體達(dá)到破壞時(shí)所需的能量也在增加。距逆斷層不同距離采動煤體的能量演化特征如圖7，在初始加載階段，彈性能和耗散能均表現(xiàn)出增加趨勢，其中彈性能增加相對較快，而耗散能變化緩慢，彈性能密度高于耗散能密度，表明初始階段煤體吸收的能量主要以彈性能形式進(jìn)行存儲；當(dāng)應(yīng)力比接近1時(shí)，煤體受載接近其本身強(qiáng)度，內(nèi)部裂紋擴(kuò)展迅速，數(shù)量也大幅增加，耗散能量密度增加幅度明顯提高，表明煤體吸收的能量主要以耗散能的形式對煤體造成破壞。

對比3個加載方案的能量變化曲線可以看出，M1煤樣吸收的能量密度、彈性能密度和耗散能密度均最小，M3煤樣吸收的能量密度、彈性能密度和耗散能密度最大。當(dāng)應(yīng)力比達(dá)到100%時(shí)，與M1相比，M3煤樣的吸收能密度、彈性能密度和耗散能密度分別提高了58.1 %、57.0 %和66.3 %，表明達(dá)到破壞條件時(shí)M3煤樣內(nèi)部存儲的彈性相對最高，也消耗更多的能量用于煤體破壞和裂隙擴(kuò)展。

4 結(jié) 論

1）建立逆斷層影響下采動煤體應(yīng)力分析模型，得出隨著工作面與逆斷層距離的減小，采動煤體應(yīng)力集中程度越大的變化規(guī)律，并且通過回采支架工作阻力連續(xù)記錄儀監(jiān)測應(yīng)力變化，驗(yàn)證了應(yīng)力分析的結(jié)論。

2）基于逆斷層區(qū)域采動煤體應(yīng)力變化規(guī)律開展煤體力學(xué)特征試驗(yàn)，分別設(shè)計(jì)3種加載方案模擬與逆斷層距離65、35、5m位置的煤體，得出煤體力學(xué)行為與距逆斷層距離有關(guān)，距離逆斷層越近，煤樣偏應(yīng)力峰值和應(yīng)變相對越大，與M1煤樣相比，M3煤樣偏應(yīng)力峰值和軸向應(yīng)變分別上升了40.74 %和26.73 %

3）通過能量分析方法對采動煤體應(yīng)力分析，得出與逆斷層不同距離的采動煤體裂隙發(fā)育特征不同，距離逆斷層越近，煤樣內(nèi)部存儲的彈性相對最高，也消耗更多的能量用于煤體破壞和裂隙擴(kuò)展。