下保護(hù)層開(kāi)采擾動(dòng)斷層區(qū)覆巖應(yīng)力及 滑移變形規(guī)律研究*

田燚，舒仕海，王維建，任建軍，阮毅，王玉麗

(興義民族師范學(xué)院 物理與工程技術(shù)學(xué)院， 貴州 興義市 562400)

礦井?dāng)鄬邮情_(kāi)采地質(zhì)條件中的重要因素。礦井?dāng)鄬訉?duì)于煤礦井型設(shè)計(jì)和煤層開(kāi)采的選擇至關(guān)重要，還對(duì)煤礦沖擊地壓、煤與瓦斯突出、圍巖變形有著重要的影響。針對(duì)斷層附近應(yīng)力及覆巖位移變形規(guī)律，很多學(xué)者做了大量的理論與試驗(yàn)研究。韓科明等基于關(guān)鍵層理論，建立了斷層上下盤(pán)活化力學(xué)模型并推導(dǎo)出開(kāi)采斷層上下盤(pán)失穩(wěn)判據(jù)[1]。于秋鴿等運(yùn)用數(shù)學(xué)分析與數(shù)值模擬研究了斷層滑移力學(xué)模型與斷層面應(yīng)力[2]。李志華得出了斷層面正、剪應(yīng)力變化與斷層活化規(guī)律[3]。張寧博等運(yùn)用數(shù)學(xué)建模建立了斷層失穩(wěn)多滑塊-彈簧力學(xué)模型，提出逆沖斷層的沖擊礦壓防治技術(shù)[4]。朱廣安等推導(dǎo)出了斷層面剪切應(yīng)力與正應(yīng)力的數(shù)學(xué)公式[5]。姜耀東等發(fā)現(xiàn)煤巖軸向荷載與砂巖-煤組合結(jié)構(gòu)滑動(dòng)形式呈相關(guān)性[6]。王濤等得出斷層活化時(shí)，正應(yīng)力與剪切應(yīng)力迅速增加，由于工作面煤體局部失效引起斷層滑移[7]。潘一山運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)斷層受到工作面開(kāi)采擾動(dòng)作用明顯，斷層滑移后，斷層滑移速度與滑移量快速增加[8]。對(duì)于斷層失穩(wěn)與應(yīng)力規(guī)律，學(xué)者多關(guān)注于斷層整體變化，但對(duì)煤層開(kāi)采擾動(dòng)斷層不同部位應(yīng)力變化表現(xiàn)出不同的反應(yīng)研究較少[9-20]。鑒于此，本文通過(guò)相似模擬試驗(yàn)，研究了斷層不同部位的應(yīng)力變化及斷層滑移失穩(wěn)情況。

1 工程概況

貴州陽(yáng)箐煤礦位于百納向斜西翼北端翼部，礦區(qū)總體呈一單斜構(gòu)造。礦區(qū)范圍內(nèi)斷層構(gòu)造發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜。礦井為煤與瓦斯突出礦井，且為煤層群開(kāi)采，煤層間距為3～57 m，其二采區(qū)10煤層埋深597 m，平均厚度2.0 m，煤層傾角8°。10煤層距上部6煤層33.7 m，6煤層局部可采且時(shí)見(jiàn)落差較小的斷層穿過(guò)，開(kāi)采地質(zhì)條件復(fù)雜，故優(yōu)先開(kāi)采10煤層作為下保護(hù)層開(kāi)采。采區(qū)內(nèi)21001工作面推進(jìn)約620 m發(fā)現(xiàn)F8斷層貫穿6煤層，其落差為4 m、傾向59°、傾角45°。F8斷層在10煤層頂板上方15.2 m處尖滅，10煤層工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 10煤層工作面巷道布置

2 物理相似模擬試驗(yàn)

2.1 相似材料相似比

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及試驗(yàn)影響因素，精選與模型參數(shù)一致的配比，取相似模擬試驗(yàn)的幾何相似比為 1∶100，容重相似比為 1∶1.6，應(yīng)力相似比為1∶160。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧吓浔纫?jiàn)表1。

2.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

模型試驗(yàn)運(yùn)用相似模擬試驗(yàn)架，長(zhǎng)×寬×高為3.0 m×0.3 m×1.8 m。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀锢沓叽?，在斷層面底部、中部和頂部不同位置處設(shè)置A、B、C應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)。針對(duì)斷層面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置提出斷層面正應(yīng)力與剪切應(yīng)力觀測(cè)方法，各測(cè)點(diǎn)埋設(shè)應(yīng)力盒時(shí)，一個(gè)應(yīng)力盒與斷層面平行，另一個(gè)應(yīng)力盒與煤層走向平行。對(duì)于斷層面正應(yīng)力值，可通過(guò)平行于斷層面的應(yīng)力盒測(cè)取，而斷層面剪應(yīng)力則需間接求取，在開(kāi)采盤(pán)沿著斷層面線(xiàn)為對(duì)角線(xiàn)取微元體，微元體內(nèi)部再取三角微元abc，斷層面應(yīng)力觀測(cè)如圖2所示。該微元極小，各邊受到的應(yīng)力可視為均布荷載，由豎直方向力系平衡方程∑M=0，可得：

式中，Lbc為bc邊長(zhǎng)度；Lab為ab邊長(zhǎng)度；P1為ab邊所受應(yīng)力；τ為微元剪應(yīng)力；σ為微元正應(yīng)力；α為斷層傾角。

表1 材料配比

由于頂板斷層傾角為45°，代入式（1）中，則斷層面剪應(yīng)力可按式（2）求取：

同時(shí)在斷層上下盤(pán)附近布設(shè)位移測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)斷層面的滑移量，物理模型各位移測(cè)點(diǎn)布置及地質(zhì)柱狀圖如圖3所示。

圖2 斷層面應(yīng)力觀測(cè)示意

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 下保護(hù)層開(kāi)采斷層面應(yīng)力變化規(guī)律

下保護(hù)層工作面接近至遠(yuǎn)離斷層過(guò)程中，斷層不同部位應(yīng)力變化和應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。工作面接近至遠(yuǎn)離斷層過(guò)程中，斷層面應(yīng)力變化大致可分為3個(gè)階段。

（1）工作面推進(jìn)至距離頂板斷層40 m，即斷層受下保護(hù)層工作面采動(dòng)影響微弱階段，一方面，從工作面開(kāi)切眼至距離頂板斷層40 m過(guò)程中，斷層正應(yīng)力、剪應(yīng)力逐步上升，應(yīng)力增長(zhǎng)幅度較小，此過(guò)程中工作面對(duì)斷層影響較弱；另一方面，斷層正應(yīng)力與剪應(yīng)力比值能直觀反映出斷層不同部位對(duì)采動(dòng)敏感變化程度，如圖4（a）所示，工作面推進(jìn)過(guò)程中，由于斷層頂部C測(cè)點(diǎn)處距離工作面最近，正應(yīng)力與剪應(yīng)力比值變化下降最快，斷層頂部最先受到工作面采動(dòng)影響。

（2）工作面推進(jìn)至距離頂板斷層40～0 m過(guò)程中，即斷層受下保護(hù)層工作面采動(dòng)影響劇烈階段，工作面不斷接近頂板斷層，斷層不同部位應(yīng)力大幅度上升，斷層底部A測(cè)點(diǎn)部位剪應(yīng)力受采動(dòng)工作面影響強(qiáng)烈，在工作面距離頂板斷層0 m處達(dá)到峰值；此過(guò)程中，上覆巖層受采動(dòng)工作面影響斷裂垮落，引起頂板斷層附近煤巖體破碎，形成斷層帶，在采動(dòng)與斷層耦合作用下，引起斷層活化，當(dāng)工作面推進(jìn)至距斷層0 m時(shí)，斷層面正應(yīng)力與剪應(yīng)力比值趨于3，斷層活化最為活躍。

（3）工作面過(guò)斷層，即斷層受下保護(hù)層工作面采動(dòng)影響減弱階段，隨著工作面逐步遠(yuǎn)離斷層，采空區(qū)覆巖逐漸冒落壓實(shí)，斷層底部、中部A、B測(cè)點(diǎn)進(jìn)入斷層帶，應(yīng)力釋放；如圖4（b）所示，斷層頂部C測(cè)點(diǎn)處由于剪應(yīng)力釋放，在工作面遠(yuǎn)離斷層20 m后正應(yīng)力與剪應(yīng)力比值出現(xiàn)大幅度回升。

圖3 位移測(cè)點(diǎn)布置及地質(zhì)柱狀圖

圖4 斷層面應(yīng)力變化

3.2 下保護(hù)層開(kāi)采斷層面滑移量

為表述斷層滑移量，選取斷層上下盤(pán)上、中、下不同位置測(cè)點(diǎn)滑移量，得到斷層滑移量變化如圖5所示，在工作面推進(jìn)至距離斷層80～40 m過(guò)程中，由于斷層下盤(pán)頂部距離采動(dòng)工作面較近而先出現(xiàn)滑移。斷層下盤(pán)較上盤(pán)滑移明顯，滑移量更大；在采動(dòng)工作面推進(jìn)至距離斷層40～0 m過(guò)程中，斷層下盤(pán)在采動(dòng)工作面作用下，剪應(yīng)力大幅度增大，斷層下盤(pán)滑移迅速增加，而上盤(pán)滑移在工作面推進(jìn)至距離斷層約20 m時(shí)，滑移量開(kāi)始迅速上升。工作面推進(jìn)至斷層正、下方時(shí)，斷層上、下盤(pán)滑移量分別升至396 mm及805 mm，斷層上、下盤(pán)滑移不同 步，下盤(pán)滑移更明顯；當(dāng)工作面過(guò)斷層20 m時(shí)，由于斷層附近巖體的逐步垮落，斷層上盤(pán)滑移隨著工作面推進(jìn)快速上升至785 mm，而在此過(guò)程中，斷層下盤(pán)附近巖體垮落壓實(shí)導(dǎo)致斷層下盤(pán)滑移相對(duì)快速減緩；隨著工作面過(guò)斷層40 m，斷層附近上覆巖層垮落壓實(shí)，斷層受采動(dòng)影響逐步減弱，斷層上下盤(pán)滑移量逐步穩(wěn)定。整個(gè)開(kāi)采階段的滑移曲線(xiàn)呈現(xiàn)“瀑布”狀分布。

圖5 工作面推進(jìn)不同距離斷層滑移變化

3 結(jié)論

（1）下保護(hù)層開(kāi)采對(duì)頂板斷層不同部位應(yīng)力擾動(dòng)呈分區(qū)性，依次為頂部、中部、底部。斷層面應(yīng)力變化大致可分為3個(gè)階段：斷層距離采動(dòng)工作面大于40 m，斷層受工作面影響微弱階段；斷層距離工作面40～0 m，斷層受工作面影響劇烈階段；工作面過(guò)斷層，斷層受工作面影響減弱階段。

（2）工作面由斷層下盤(pán)向上盤(pán)推進(jìn)，斷層下盤(pán)滑移量大于斷層上盤(pán)，上、下盤(pán)滑移不同步；工作面推進(jìn)至距離斷層20 m時(shí)斷層滑移速率大幅上升，工作面過(guò)斷層40 m后，斷層滑移逐步穩(wěn)定。整個(gè)開(kāi)采階段的斷層滑移曲線(xiàn)呈現(xiàn)“瀑布”狀分布。