大傾角斷層下煤層開采誘發(fā)頂?shù)装寮案浇畬討?yīng)力變化規(guī)律的試驗研究

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(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2. 山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；3.山東能源棗礦(集團(tuán))有限責(zé)任公司柴里煤礦，山東 棗莊 277519)

大傾角斷層下煤層開采誘發(fā)頂?shù)装寮案浇畬討?yīng)力變化規(guī)律的試驗研究

張培森1,2，趙亞鵬1,2，張明光1，武守鑫1,2，馬如慶3，闞忠輝1,2

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2. 山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；3.山東能源棗礦(集團(tuán))有限責(zé)任公司柴里煤礦，山東 棗莊 277519)

以某煤礦田崗及二龍崗斷層地質(zhì)條件為背景，并以相似材料模擬試驗為研究方法，研究了斷層附近煤層頂、底板以及含水層在煤層開采過程中的一般變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：由于斷層的“屏障”作用，集中應(yīng)力很難穿過斷層而被限制在工作面一側(cè)，導(dǎo)致斷層附近越靠近斷層應(yīng)力集中程度越高；煤層的開采導(dǎo)致頂、底板出現(xiàn)應(yīng)力集中，隨著工作面推進(jìn)，集中應(yīng)力向前方轉(zhuǎn)移，離斷層越近集中應(yīng)力越大，頂、底板發(fā)生破壞的可能性就越大；由于斷層明顯的“屏障”作用，工作面開采對斷層另一盤三灰含水層的影響較小。

斷層；應(yīng)力集中；相似材料試驗；屏障

Abstract: Based on the geological condition of Tiangang fault and Erlonggang fault in a coal mine, the stress variation law of the coal seam roof, floor and aquifer in the mining process is studied by simulating experiment with similar material. Research results show that due to the “barrier” effect of the fault, the concentrated stress is difficult to penetrate the fault and can only be cut off at one side of the working face, leading to a higher degree of stress concentration near the fault. The mining of coal seam leads to stress concentration in the roof and floor, which is transfered to the front with the advance of the working face. The closer it is to the fault, the larger the concentration stress becomes and the greater the possibility of failure of the roof and floor is. Because of the obvious “barrier” function of the fault, the mining of the working face has little influence on the third limestone aquifer of the other side of the fault.Keywords: fault; stress concentration; similar material experiment; barrier

斷層作為一種常見的斷裂地質(zhì)構(gòu)造，其對于煤炭開采的影響無疑是巨大的，不僅體現(xiàn)在斷層是多種煤礦災(zāi)害事故發(fā)生的主要根源[1-2]，更因為斷層會造成大量煤炭資源的浪費[3-4]。因此，在含斷層情況下，工作面推進(jìn)過程中的頂、底板應(yīng)力變化規(guī)律研究對于煤炭的安全高效開采具有重要意義。

煤層及其附近巖層的完整性由于斷層的存在而被破壞，導(dǎo)致了應(yīng)力傳遞上的差異性以及斷層的易導(dǎo)水性[5-6]；針對斷層的特殊性，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，主要涉及斷層帶應(yīng)力變化規(guī)律、斷層附近巷道支護(hù)、斷層誘發(fā)突水等方面[7]。人們采用數(shù)值模擬和相似材料模擬試驗的方法，研究了斷層傾角與斷層活化突水的一般規(guī)律[8-9]；分析了上下盤的不同推進(jìn)過程對斷層活化的影響[10-11]；針對兩盤圍巖變形與斷層的一般關(guān)系，建立了擾動判別準(zhǔn)則[12]；研究了在固液耦合模式下，采動引起斷層活化突水以及斷層應(yīng)力變化的一般規(guī)律[13-14]；討論了工作面回采與斷層活化的相互影響過程[15]；分析了硬厚覆巖下正、逆斷層附近的不同應(yīng)力變化規(guī)律[16-17]；研究了斷層活化與沖擊地壓的發(fā)生機理[18]；分析了開采過程中斷層導(dǎo)致能量釋放的機制問題[19]。本文以某煤礦田崗斷層和二龍崗斷層地質(zhì)條件為背景，采用相似材料模擬試驗方法，研究了斷層附近煤層頂、底板以及含水層在煤層開采過程中的一般變化規(guī)律，為相似地質(zhì)條件下，煤層頂、底板及附近含水層的研究提供了理論參考。

圖1 工作面及斷層位置關(guān)系圖Fig. 1 Position of working face and fault

1 工程地質(zhì)概況

23上614工作面位于兩正斷層之間，東西分別以二龍崗斷層和田崗斷層為界。田崗斷層為一西升東降正斷層，傾角80°，落差150～470 m；二龍崗斷層為一東升西降正斷層，傾角66°，落差30～90 m，模擬開采煤層為3上煤，煤層平均厚度4.75 m，煤層埋深550 m，三灰含水層距離3煤底板36 m，煤層頂板為中粒砂巖或砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖或細(xì)、中粒砂巖。工作面、斷層及含水層的位置關(guān)系如圖1所示。

2 模型建立與設(shè)計

2.1 試驗方案

模擬試驗范圍主要包括-510～-310 m標(biāo)高內(nèi)的23上614工作面以及田崗斷層、二龍崗斷層。根據(jù)試驗?zāi)M范圍和模擬架尺寸，確定模型的應(yīng)力相似比為1∶300，時間相似比為1∶14，幾何相似比為1∶200。實驗設(shè)備采用山東科技大學(xué)實驗室的二維相似材料模擬實驗平臺，平臺尺寸為：長×寬×高=1 900 mm×220 mm×1 800 mm，煤層及各巖層均水平鋪設(shè)，以石灰、石膏粉、普通河砂和云母粉作為試驗用料，斷層破碎帶巖體采用泥巖進(jìn)行模擬，在攪拌時放入少量的水以模擬膠結(jié)性較差的斷層，提高其活化性。對于未能模擬到的上覆巖層，通過模型上方的液壓千斤頂實現(xiàn)應(yīng)力補償，按照應(yīng)力比1∶300計算模型上部共需補償應(yīng)力11.95 kN。

圖2 應(yīng)力測點布置Fig.2 Layout of measuring points of stress

2.2 試驗測點設(shè)計

為了研究工作面推進(jìn)過程中煤層頂、底板應(yīng)力變化規(guī)律以及二龍崗斷層下盤三灰含水層的應(yīng)力變化情況，此次試驗共布設(shè)有14個應(yīng)力測點，其編號為S1～S14。其中S1～S3及S4～S6測點分別位于煤層臨近田崗斷層的頂、底板處，；S7～S9及S10～S11測點分別位于臨近二龍崗斷層的煤層頂、底板處；S12～S14測點位于二龍崗斷層下盤三灰含水層底界面處。具體測點布置如圖2所示。

2.3 開采方案

23上614工作面位于田崗和二龍崗斷層之間，在距離模型左邊界100 cm處開切眼，由切眼位置向田崗斷層和二龍崗斷層方向分別推進(jìn)，各自推進(jìn)至斷層保護(hù)煤柱處停采，田崗斷層和二龍崗斷層分別留設(shè)35和10 cm煤柱，模型總計推進(jìn)距離105 cm，即左右兩側(cè)各推進(jìn)52.5 cm。具體推進(jìn)方向可見圖2。

3 工作面推進(jìn)過程中，覆巖及頂、底板應(yīng)力變化規(guī)律的研究

3.1 回采過程中覆巖變化規(guī)律

在工作面推進(jìn)過程中，煤層上部巖層發(fā)生垮落、彎曲、下沉等變化，覆巖運動規(guī)律如圖3所示。

工作面推進(jìn)到22 cm時，直接頂發(fā)生初次垮落；推進(jìn)到30 cm時，直接頂出現(xiàn)周期垮落，同時上部未垮落巖層出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象；推進(jìn)到32 cm時，老頂初次垮落； 推進(jìn)到40 cm時，老頂出現(xiàn)周期來壓；繼續(xù)推進(jìn)工作面，上覆巖層發(fā)生大范圍的垮落、彎曲和下沉。

圖3 覆巖變化規(guī)律圖Fig.3 Variation law of overlying strata

3.2 田崗斷層附近頂、底板應(yīng)力變化規(guī)律

在開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，先將壓力傳感器上顯示數(shù)值平衡調(diào)零。圖4為工作面推進(jìn)過程中田崗斷層附近煤層頂、底板應(yīng)力變化圖。

圖4 田崗斷層附近頂、底板應(yīng)力變化圖Fig.4 Stress variation of roof and floor in the vicinity of Tiangang fault

從圖4(a)可以看出，在開采初期各個應(yīng)力測點并未發(fā)生變化，隨著煤層的開采，頂板出現(xiàn)應(yīng)力集中，測點應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)工作面推過22 cm時，即距S1測點38 cm時，S1測點發(fā)生變化，隨后S2測點與S3測點也逐漸發(fā)生變化，隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，頂板集中應(yīng)力向斷層方向延伸，工作面推過40 cm時，即距S1測點20 cm時，S1測點數(shù)據(jù)達(dá)到峰值，之后隨工作面推進(jìn)逐漸減?。还ぷ髅胬^續(xù)推進(jìn)，S2測點數(shù)據(jù)持續(xù)升高，并在工作面推過50 cm時，即距S2測點20 cm時達(dá)到峰值，再逐漸減小，并且S2測點的峰值較S1測點要大；隨著工作面推進(jìn)，S3測點數(shù)據(jù)也開始升高，但是當(dāng)工作面開采完畢，即推過52.5 cm的時候，S3測點仍在持續(xù)升高階段且并未達(dá)到其峰值。

S2測點的峰值較測點1的更高，這是由于斷層帶的“屏障”作用，集中應(yīng)力隨著工作面推進(jìn)向斷層側(cè)轉(zhuǎn)移并被斷層限制在工作面一側(cè)，因此距離斷層越近，應(yīng)力集中程度就越大；由于頂板集中應(yīng)力尚未轉(zhuǎn)移至S3測點的前方，因此S3測點仍處在數(shù)據(jù)上升階段，雖然S3測點并未達(dá)到峰值，但是可以預(yù)計，由于S3測點較S1和S2測點距離斷層更近，因此其峰值會更大。圖4還可以看出，工作面超前支承壓力影響范圍為38 cm，且工作面前方20 cm處出現(xiàn)最大超前支承壓力。

圖4(b)所呈現(xiàn)出的規(guī)律和圖4(a)基本一致，S4測點在工作面推過22 cm時，即距S4測點38 cm時才發(fā)生變化，隨工作面推進(jìn)，集中應(yīng)力向斷層側(cè)轉(zhuǎn)移，各個測點應(yīng)力值依次增大，可以注意到在開采完畢時S6測點和S3測點呈現(xiàn)的規(guī)律基本一致，均在持續(xù)升高過程中，但是開采結(jié)束的時候S6測點的數(shù)值已經(jīng)高于S5測點的峰值，這也說明了S6測點最終的峰值必定將大于S5測點的峰值，S4、S5、S6測點所達(dá)到的峰值依次升高也是由于斷層的“屏障”作用導(dǎo)致集中應(yīng)力被限制在工作面一側(cè)所造成的。

3.3 二龍崗斷層附近頂、底板應(yīng)力變化規(guī)律

圖5為工作面推進(jìn)過程中，二龍崗斷層附近頂、底板應(yīng)力變化圖。

圖5 二龍崗斷層附近頂、底板應(yīng)力變化圖Fig.5 Stress variation of roof and floor in the vicinity of Erlonggang fault

從圖5(a)可以看出，S7測點在工作面推過15 cm時，即距S7測點37.5 cm時發(fā)生變化，而S8測點和S9測點在分別推過20 cm和25 cm時才發(fā)生變化。隨著工作面推進(jìn)，集中應(yīng)力向斷層側(cè)延伸，圖中可以看出測點的應(yīng)力變化幅度逐漸增大，工作面推過35 cm時，即距S7測點17.5 cm時，S7測點達(dá)到峰值，之后逐漸減小；工作面繼續(xù)推進(jìn)，S8測點數(shù)據(jù)持續(xù)升高，并在工作面推過40 cm時，即距S8測點17.5 cm時，達(dá)到峰值，之后逐漸減小，并且S8測點的峰值較S7測點要大；隨著工作面推進(jìn)，S9測點數(shù)據(jù)也開始升高，在工作面推過45 cm時，S9測點的數(shù)據(jù)達(dá)到峰值；至工作面開采完畢時，恰好推過S7測點，S7測點出現(xiàn)負(fù)值，S7測點失效。從圖5(a)還可看出隨與斷層距離的減小，各個測點的峰值在逐漸升高，這是由于斷層帶內(nèi)破碎巖體容易發(fā)生變形，當(dāng)集中應(yīng)力轉(zhuǎn)移到斷層破碎帶時，集中應(yīng)力被破碎巖體所吸收，同時巖體產(chǎn)生變形，造成應(yīng)力難以越過斷層，因此出現(xiàn)距離斷層越近的測點，其峰值就越大的現(xiàn)象。

圖5(b)呈現(xiàn)出和圖5(a)相同的變化規(guī)律，均是在工作面推進(jìn)到一定距離之后應(yīng)力測點才發(fā)生反應(yīng)，且距離斷層越近測點峰值就越大，由于工作面并未推過S10和S11測點，因此兩個測點并未出現(xiàn)負(fù)值。

圖6 三灰測點應(yīng)力變化圖Fig. 6 Stress change of measuring point of Third layer limestone

4 煤層開采對三灰含水層的影響

為研究工作面開采過程中采動對二龍崗斷層下盤三灰含水層的影響，在三灰含水層底界面布置有S12～S14三個應(yīng)力測點，圖6為三個測點的應(yīng)力變化曲線圖。

從圖6可以看出，S12～S14測點在開采初期沒有發(fā)生變化，直到工作面推過40 cm時，S12測點才開始發(fā)生變化，隨著工作面推進(jìn)，S13和S14測點也發(fā)生變化，但是三個測點的應(yīng)力變化值都較小，且都處于上升階段。

分析S12測點在40 cm時才發(fā)生變化的原因，主要是由于斷層的“屏障”作用將采動產(chǎn)生的集中應(yīng)力限制在了工作面一側(cè)，工作面不斷向前推進(jìn)，集中應(yīng)力不斷向前方轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中程度持續(xù)升高，最終才引起S12～S14測點的變化，并且與斷層工作面?zhèn)葢?yīng)力測點相比，三灰應(yīng)力測點要小的多，可見斷層的“屏障”作用顯著，因此，采動對三灰含水層具有一定的影響。

5 結(jié)論

1) 對應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出頂、底板應(yīng)力變化的規(guī)律大體相同：煤層的開采導(dǎo)致頂、底板出現(xiàn)應(yīng)力集中，隨著工作面推進(jìn)，集中應(yīng)力向前方轉(zhuǎn)移，離斷層越近集中應(yīng)力越大，頂?shù)装灏l(fā)生破壞的可能性就越大，因此，在實際開采過程中，有必要對斷層附近的煤層頂、底板采取加固措施。

2) 斷層帶對于應(yīng)力傳播具有“屏障”作用，開采過程中引起的集中應(yīng)力很難穿過斷層破碎帶，而被斷層限制在工作面一側(cè)，造成斷層附近測點呈現(xiàn)出距離斷層越近應(yīng)力值就越大的規(guī)律。

3) 通過對三灰含水層應(yīng)力與工作面頂、底板應(yīng)力的對比，可得：試驗中工作面開采對三灰含水層會產(chǎn)生一定的影響，同時進(jìn)一步證明了斷層帶對于應(yīng)力傳播具有顯著的“屏障”作用。

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(責(zé)任編輯:呂海亮)

ExperimentalStudyonStressVariationLawofRoof,FloorandNearbyAquiferInducedbyCoalSeamMiningUnderLargeDipFault

ZHANG Peisen1,2, ZHAO Yapeng1,2, ZHANG Mingguang1, WU Shouxin1,2, MA Ruqing3， KAN Zhonghui1,2

(1. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China；3.Chaili Coal Mine of Shandong Energy Zaozhuang Mining Group Co.Ltd,Zaozhuang,Shandong 277519,China)

TD745

A

1672-3767(2017)06-0060-06

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2017.06.009

2016-12-30

國家自然科學(xué)基金項目(51379119，51109124，51509149，41472281)

張培森(1977—)，男，山東曹縣人，副教授，博士，主要從事采礦工程等領(lǐng)域的教學(xué)及科研工作. E-mail:peisen_sky@163.com 趙亞鵬(1992—)，男，河北邢臺人，碩士研究生，主要從事礦山災(zāi)害防治方面的研究，本文通信作者. E-mail:yapeng_sea@163.com