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        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*

        2012-12-12 11:30:24許家林劉棟林朱衛(wèi)兵
        中國煤炭 2012年1期
        關(guān)鍵詞:層位導(dǎo)水采動(dòng)

        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)

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