路 軍 許家林 王 露 劉棟林 朱衛(wèi)兵

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116）

斷層采動(dòng)活化對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度影響的模擬實(shí)驗(yàn)研究＊

路 軍1，2許家林1，2王 露1，2劉棟林1，2朱衛(wèi)兵1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116）

通過物理模擬研究了斷層采動(dòng)活化對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：斷層斷至層位在正常導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)，斷層活化對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度沒有影響；斷層斷至層位在正常導(dǎo)水裂隙帶范圍之外，受斷層切割的關(guān)鍵層因斷層活化而失去控制作用，導(dǎo)水裂隙帶將發(fā)育到上一層關(guān)鍵層的底部；斷層斷至層位高度相同時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度相同，但此時(shí)工作面推進(jìn)方向與斷層面傾向的位置關(guān)系對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育速度有一定影響。

斷層采動(dòng)活化 斷至層位 導(dǎo)水裂隙帶高度 關(guān)鍵層 物理模擬

1 引言

斷層是導(dǎo)致礦井突水的主要原因之一，有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，80%的礦井突水和斷層有關(guān)，斷層面附近的巖體較破碎，在采動(dòng)影響下，易于使構(gòu)造結(jié)構(gòu)面“活化”，溝通導(dǎo)水裂隙而導(dǎo)水。因此，研究斷層采動(dòng)活化對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的影響具有重要意義。

長期以來，許多學(xué)者對(duì)斷層采動(dòng)活化做了大量研究，彭蘇萍等開展了斷層對(duì)頂板穩(wěn)定性影響相似模擬實(shí)驗(yàn)研究，分析了斷層采動(dòng)活化對(duì)斷層及其影響范圍內(nèi)巖體的影響。黃炳香等采用相似模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)采場小斷層區(qū)域覆巖破斷規(guī)律和斷層構(gòu)造裂隙的演化過程進(jìn)行了研究，得出了工作面不同推進(jìn)方向時(shí)采場小斷層對(duì)導(dǎo)水裂隙高度的影響規(guī)律。胡戈等通過綜放開采過斷層時(shí)頂板破壞規(guī)律的數(shù)值模擬，分析了斷層傾向?qū)?dǎo)水裂隙帶高度的影響，李輝等通過數(shù)值模擬斷層對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度影響，結(jié)果證明有斷層時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度比無斷層時(shí)要高。

上述研究成果在分析斷層采動(dòng)影響對(duì)圍巖應(yīng)力的分布和裂隙演化方面有重要的參考價(jià)值，但這些都是從斷層傾向、傾角及落差方面考慮。描述斷層的三要素包括斷層產(chǎn)狀、落差和斷至層位，因此斷至層位對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的影響值得研究，由此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，通過模擬實(shí)驗(yàn)分析了斷層斷至層位對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的影響。

2 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)模型模擬煤層采高為4m，上覆巖層中存在4層關(guān)鍵層，亞關(guān)鍵層1位于煤層上方4m處，厚度為2m；亞關(guān)鍵層2位于煤層上方18m處，厚度為4m；亞關(guān)鍵層3位于煤層上方45m處，厚度為5m；主關(guān)鍵層位于煤層上方85m處，厚度為10m。

根據(jù)現(xiàn)有資料分析工作面回采過程中遇到的逆斷層活化威脅大于正斷層，因此研究逆斷層更有意義，據(jù)此在回采工作面內(nèi)設(shè)置3條逆斷層進(jìn)行研究，斷層相關(guān)參數(shù)見表1，為了避開各斷層之間的相互影響，每兩條相鄰斷層之間相距100m，斷層傾角75°，落差3m。大量的井下現(xiàn)場觀測表明，對(duì)于落差小于5m的采場小斷層，大多數(shù)斷層上下盤巖層間只有明顯的擦痕和滑移面，沒有明顯的破碎帶，斷層面實(shí)質(zhì)為一弱面，與巖層間的層面相似，所以斷層面采用厚層云母粉來模擬，云母粉厚度依據(jù)幾何相似比確定。

模擬實(shí)驗(yàn)在5.0m平面應(yīng)力模型架上進(jìn)行。選用的幾何相似比為CL＝1∶100，容重相似比Cγ＝1∶1.6，應(yīng)力相似比Cσ＝1∶160。根據(jù)相似理論確定各分層物理力學(xué)參數(shù)并進(jìn)行材料的配比，物理模擬材料以河砂、云母做骨料，以碳酸鈣和石膏做膠結(jié)料，在煤層中則加入一定比例的煤粉。模型尺寸為5.0m×0.3m×1.2m（長×寬×高），上部加等價(jià)載荷代替，其模擬煤巖分層的物理力學(xué)參數(shù)見表2。由此設(shè)計(jì)斷層采動(dòng)活化對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度影響相似模型如圖1所示。

表1 斷層相關(guān)參數(shù)表

表2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭忻簬r層的物理力學(xué)參數(shù)

模型開采過程中，在兩側(cè)各留300mm的保護(hù)煤柱，以消除邊界效應(yīng)。模型中每次開挖步距為50mm，每隔15～20min開挖一步。

圖1 煤巖層物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 有無斷層時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度

（1）無斷層存在時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度。正常回采（無斷層構(gòu)造）情況下，導(dǎo)水裂隙帶高度主要受關(guān)鍵層控制。隨著工作面向前推進(jìn)，由于亞關(guān)鍵層1、2的作用，導(dǎo)水裂隙帶高度呈臺(tái)階狀上升：當(dāng)工作面推進(jìn)80m時(shí)，關(guān)鍵層1初次破斷，導(dǎo)水裂隙帶高度開始發(fā)展到亞關(guān)鍵層2底部，高度為18 m，如圖2（a）所示；當(dāng)工作面推進(jìn)110m時(shí)，關(guān)鍵層2初次破斷，導(dǎo)水裂隙帶高度開始發(fā)育到亞關(guān)鍵層3底部，高度為45m，如圖2（b）所示；此后，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，亞關(guān)鍵層3底部的離層空間不斷增大，其懸露長度也逐漸增加，但導(dǎo)水裂隙高度保持不變，在工作面推進(jìn)到斷層影響區(qū)前，導(dǎo)水裂隙帶高度始終保持在45m的高度，說明亞關(guān)鍵層3對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度有控制作用，阻止了裂隙繼續(xù)向上發(fā)育，這與已有的研究成果相符。

圖2 無斷層時(shí)隨工作面推進(jìn)導(dǎo)水裂隙發(fā)育圖

因此，在正?；夭汕闆r下，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度保持在45m左右，如圖3所示。

（2）有斷層存在導(dǎo)水裂隙帶高度。斷層F1的傾向和工作面的推進(jìn)方向相反，工作面由斷層下盤向上盤推進(jìn)，當(dāng)工作面推進(jìn)到距斷層5m時(shí)，斷層受采動(dòng)影響明顯，裂隙沿著斷層傾向向上發(fā)育，當(dāng)回采工作面到達(dá)斷層時(shí)，斷層下盤覆巖自斷層頂端整體切落，導(dǎo)水裂隙帶迅速突破亞關(guān)鍵層3，發(fā)育到主關(guān)鍵層底部，達(dá)到85m，如圖4（a）所示，說明關(guān)鍵層3在被斷層切斷之后失去了關(guān)鍵層的控制作用，斷層活化使導(dǎo)水裂隙帶向上發(fā)育到主關(guān)鍵層底部，主關(guān)鍵層并沒有貫通，阻斷了裂隙的向上發(fā)育。

斷層F2傾向和工作面的推進(jìn)方向一致，工作面從斷層下盤向上盤推進(jìn)，當(dāng)工作面推進(jìn)到距斷層5m時(shí)，斷層受采動(dòng)影響并不明顯，裂隙緩慢發(fā)育，在工作面推進(jìn)到斷層時(shí)，由于斷層前方巖體與后方垮落巖體形成鉸接結(jié)構(gòu)，如圖5（a）所示，斷層并沒有立即活化到頂部，而是在工作面推過15m，鉸接結(jié)構(gòu)滑落之后，導(dǎo)水裂隙才沿著斷層發(fā)展到斷層頂部，并延伸到主關(guān)鍵層底部，達(dá)到85m，如圖5（b）所示。與工作面過斷層F1時(shí)下盤覆巖整體切落相比，斷層活化相對(duì)平緩。

斷層F3傾向和工作面推進(jìn)方向亦相反，工作面從斷層下盤向上盤推進(jìn)，在工作面推進(jìn)到斷層之前，斷層受采動(dòng)影響并不明顯，裂隙發(fā)育緩慢，當(dāng)工作面推進(jìn)到斷層時(shí)，斷層下盤上覆巖層整體切落，導(dǎo)水裂隙立即發(fā)育到斷層頂端，并延伸到亞關(guān)鍵層3底部，達(dá)到45m，和無斷層時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度相同，如圖6所示。

3.2 斷層斷至層位對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的影響

在推進(jìn)過程中，工作面上方裂隙實(shí)時(shí)發(fā)育高度如圖7所示。

（1）有斷層存在時(shí)，斷層斷至層位決定了斷層對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的影響。

工作面推過斷層F3之后，導(dǎo)水裂隙帶高度仍為45m，和無斷層時(shí)相同，說明斷層F3對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度沒有影響。從圖1中可以看出，斷層F3斷至層位在亞關(guān)鍵層3之下，斷層采動(dòng)活化后，導(dǎo)水裂隙帶沿?cái)鄬影l(fā)育到亞關(guān)鍵層3底部，斷層F3處在正常情況下導(dǎo)水裂隙帶范圍之內(nèi)，因此對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的發(fā)育沒有影響。

斷層F1斷至層位在亞關(guān)鍵層3之上9m處，在工作面推進(jìn)到距其5m時(shí)，斷層就開始活化，亞關(guān)鍵層3失去了關(guān)鍵層的控制作用，導(dǎo)水裂隙帶高度迅速發(fā)育到主關(guān)鍵層底部，達(dá)85m，比無斷層時(shí)的45m增加了89%。

（2）斷層F1與斷層F2相比，斷至層位高度相同，但斷層的傾向不一樣，工作面推進(jìn)方向分別是從下盤向上盤、從上盤向下盤。前者在工作面推進(jìn)到斷層時(shí)，采空區(qū)上覆巖層整體切落，導(dǎo)水裂隙帶迅速發(fā)育到斷層頂端，并向上延伸到主關(guān)鍵層底部；后者在工作面推進(jìn)到斷層時(shí)，斷層后方垮落巖體與前方巖體形成了鉸接結(jié)構(gòu)，當(dāng)工作面推過斷層后，斷層才開始活化，導(dǎo)水裂隙帶沿著斷層緩慢發(fā)展到斷至層位頂部，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙帶逐步發(fā)育到主關(guān)鍵層底部。

由此可以看出，工作面過斷層F1和斷層F2時(shí)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度相同，只是斷層活化劇烈程度不同，工作面從逆斷層下盤向上盤推進(jìn)時(shí)，工作面到達(dá)斷層時(shí)，斷層就充分活化；而從上盤向下盤推進(jìn)時(shí)，當(dāng)工作面過斷層之后斷層才開始活化。說明在相同覆巖情況下，斷層斷至層位相同時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度相同，斷層傾向?qū)?dǎo)水裂隙帶高度并沒有影響，但工作面從逆斷層下盤向上盤推進(jìn)時(shí)，斷層更容易活化，導(dǎo)水裂隙帶較快發(fā)育到最大高度。

圖7 推進(jìn)過程中導(dǎo)水裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育高度

4 結(jié)論

（1）揭示了斷層斷至層位對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的影響規(guī)律。斷層斷至層位在正常導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)，斷層活化對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育沒有影響，導(dǎo)水裂隙帶高度和無斷層時(shí)相同；斷層斷至層位在正常導(dǎo)水裂隙帶范圍之外，導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度比無斷層時(shí)增大，導(dǎo)水裂隙帶高度將達(dá)到上一層關(guān)鍵層底部。

（2）斷層斷至層位相同時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度相同，但導(dǎo)水裂隙發(fā)育速度受推進(jìn)方向與斷層面傾向相對(duì)關(guān)系的影響，如工作面從逆斷層下盤向上盤推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙帶更快發(fā)育到最大高度。

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Physical simulation of height of water－flowing fractured zone influenced by fault activation after coal extraction

Lu Jun1，2，Xu Jialin1，2，Wang Lu1，2，Liu Donglin1，2，Zhu Weibing1，2
（1.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

The effect of fault activation after the coal extraction on height of water－flowing fractured zone was researched by the physical simulation experiment.The results showed that the fault activation after coal extraction had no influence on the height of water－flowing fractured zone when the fault extended within the normal water－flowing fractured zone.When the fault extended out of normal water－flowing fractured zone，the key stratum cut by the fault would lose the control on the movement of overlying strata，so the height of water－flowing fractured zone would develop to the bottom of upper key stratum.When the faults extended to the same height，the water－flowing fractured zone would be at the same height.Simultaneously，the relative position of working face advance and the fault dip direction would have a certain effect on the developing rate of water－flowing fractured zone.

fault activation after coal extraction，position of fault extension，height of water－flowing fractured zone，key stratum，physical simulation

P641

A

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）資助項(xiàng)目（2007CB209403）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50974116）

路軍（1986－），男，安徽淮南人，碩士研究生，從事巖層控制與綠色開采方面的研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）