劉江波 王亞博 王懷遠 陳紹杰

(1.山東科技大學資源與環(huán)境工程學院，山東青島266590;2.礦山災害預防控制國家重點實驗室培育基地，山東青島266590)

在煤礦生產(chǎn)過程中，斷層等地質構造的存在使得大量煤炭資源難以正常開采，造成資源的呆滯浪費［1-2］。斷層不僅會影響工作面開采導水裂縫帶高度發(fā)育［3］，同時對采動巖體移動也具有明顯的斷層效應［4］。工作面開采會引起區(qū)域內(nèi)斷層位移的變化，造成斷層的滑移失穩(wěn)［5-6］;改變斷層附近應力場分布，引起斷層的“活化”［7-9］，并進一步引發(fā)礦井災害。研究斷層附近煤層安全開采技術以及煤層采動的影響［10］，得出相應的應力場分布規(guī)律和巖層變形特征，對于煤礦安全生產(chǎn)、高產(chǎn)高效、延長礦井服務年限具有重大的意義。

本研究針對運河煤礦F10逆斷層下盤厚煤層實際開采條件，采用相似材料模擬試驗的方法，研究下盤煤層開采后斷層及上盤區(qū)域煤層變形及應力變化特征，為類似條件下煤層安全開采提供參考。

1 工程背景

運河煤礦首采區(qū)3煤層位于山西組中下部，厚度6.89～10.24 m，煤層厚度變化小且具有一定規(guī)律，結構簡單，一般不含夾矸，屬于穩(wěn)定煤層。3煤層下距太原組三灰弱含水層約60 m。

首采區(qū)北部邊界的F10斷層為不導水逆斷層，走向近東西，傾向近北，傾角45°，落差60～265 m，屬較可靠～可靠斷層。斷層下盤煤層傾角平均5°、厚度7.5 m，上盤傾角平均15°、厚度6.38 m。斷層上盤區(qū)域北部為DF14正斷層，走向北西西轉東西，傾向北北東轉北，傾角70°，落差10～35 m，屬可靠斷層。

1304工作面位于F10大斷層下盤，其上部分被上盤煤層覆蓋，F(xiàn)10大斷層及其與上下盤煤層關系如圖1所示。工作面斜長180 m，開采厚度7.5 m，煤層傾角平均5°，工作面標高－480～－520 m。煤層頂板主要為粉砂巖，少部分中、細砂巖，底板為泥巖或粉砂巖。采用綜采放頂煤方法采煤。1304工作面開采后，其上覆巖層垮落、裂縫發(fā)育，采場應力重新分布，其附近F10斷層及上盤區(qū)域巖層應力分布發(fā)生變化，上盤區(qū)域煤層會出現(xiàn)位移變形。

圖1 1304工作面及F10斷層位置示意Fig.1 Position of 1304 working face and F10 fault

2 大斷層下盤煤層開采相似材料模擬

2.1 試驗方案

本次試驗模擬范圍為－280～－550 m水平的F10斷層下盤1304工作面以及上盤煤層區(qū)域(如圖2所示)。根據(jù)模型架尺寸和工程原型范圍，確定模型幾何相似比為1∶200，時間相似比為1∶14，應力相似比為1∶300。模型在平面模型架上鋪設，模型架尺寸為長×寬×高=300 cm×40 cm×180 cm，模擬實際長度為600 m，高度為360 m。為簡化鋪設過程，下盤煤層水平鋪設。未模擬到的上覆巖層，通過模型上方的液壓千斤頂加壓來實現(xiàn)垂直應力補償。

圖2 模型鋪設及測點布置Fig.2 Laying of model and measuring point arrangementⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ—水平測線;1～20—垂直位移觀測點;1#～13#—壓力傳感器

試驗選取的相似材料為沙子、碳酸鈣、石膏、云母粉和水。相似材料試驗要求模型與原型之間作用力保持相似，根據(jù)相似模型的應力相似比和室內(nèi)實驗測定的原巖強度，調(diào)整相似材料配比，直到相似材料強度達到要求。本次試驗材料配比見表1。

表1 相似材料強度及配比Table 1 Strength and ratio of the similar material

2.2 試驗過程

首先將模型按照設計要求鋪設。鋪設過程中，在預設位置布設傳感器(1304工作面上方1#～4#，F(xiàn)10斷層下盤側1304工作面東側實體煤上方5#、6#、7#，F(xiàn)10斷層上盤側煤層下方 8#、9#、10#，DF14斷層西側 11#、12#、13#)，用于監(jiān)測工作面開采過程中巖層應力變化情況，模型鋪設效果如圖3所示。模型鋪設完畢后，在模型表面布設5條水平測線，以觀測1304工作面開采斷層及上盤巖層垂直位移變化情況，觀測點如圖2所示。試驗前，將壓力傳感器進行調(diào)平設置。準備工作完成后，開始試驗。

圖3 模型實物Fig.3 Practicality model

1304工作面斜長180 m，由于模擬的是傾斜方向，在試驗時，把距離模型左側57 cm至147 cm范圍內(nèi)的1304工作面一次開采完畢，開采后模型圖見圖4。工作面開挖前后，壓力傳感器實時采樣，記錄巖層應力的變化過程;對位移測點進行定期觀測，記錄采動后斷層及上盤巖層的位移變化。應力監(jiān)測和位移觀測直至采動上覆巖層穩(wěn)定后結束。

3 下盤煤層采動上盤煤層受力影響

1304工作面開采后，斷層附近巖層以及上盤區(qū)域煤巖應力變化情況如圖5～圖8所示。

圖4 模型開采完畢Fig.4 Model after mined

圖 5 1#、2#、3#、4#傳感器壓力變化曲線Fig.5 Pressure curves of 1#、2#、3#、4#□—1#點;●—2#點;▲—3#點;○—4#點

圖 6 5#、6#、7#傳感器壓力變化曲線Fig.6 Pressure curves of 5#、6#、7#▲—5#點;●—6#點;□—7#點

圖 7 8#、9#、10#傳感器壓力變化曲線Fig.7 Pressure curves of 8#、9#、10#□—8#點;▲—9#點;◆—10#點

圖5 是1304工作面上方覆巖的壓力傳感器受力變化情況?？梢钥闯?，開始時傳感器壓力值保持不變或略有增大，一段時間后，傳感器壓力值出現(xiàn)大幅度的減小(1#傳感器的最小壓力達到－0.04 MPa，2#傳感器最小壓力達到 －0.05 MPa，3#、4#傳感器最小壓力均達到－0.06 MPa)，并趨于穩(wěn)定。說明1304工作面開挖初期在此區(qū)域有暫時的應力集中;隨著工作面開挖完成，頂板垮落、開裂、彎曲下沉，覆巖重力向工作面兩側轉移，傳感器所在區(qū)域巖層壓力減小。

圖 8 11#、12#、13#傳感器壓力變化曲線Fig.8 Pressure curves of 11#、12#、13#●—11#點;◆—12#點;□—13#點

圖6 為F10斷層下盤側1304工作面東側實體煤上方傳感器測得的壓力變化曲線。初始時傳感器壓力值讀數(shù)較小，待工作面開采完成后，傳感器壓力值均有所增加。1304工作面開采后覆巖重力向兩側轉移，作用在傳感器布置區(qū)域，使得此區(qū)域覆巖應力增大。由于傳感器位于F10斷層下方，下面有實體煤支承，傳感器壓力值增大尚不足以說明1304工作面開采對F10斷層的影響。

圖7為F10斷層上盤側煤層下方傳感器測得的壓力變化曲線。在工作面開采初期，傳感器壓力值沒有變化，隨著時間推移，壓力值出現(xiàn)微小幅度的增長。

圖8是位于F10斷層上盤區(qū)域北部DF14斷層西側傳感器測得的壓力變化曲線。在工作面開采初期，采空區(qū)覆巖運動尚未影響到DF14斷層附近，傳感器壓力值保持不變;隨著時間的推移，采空區(qū)覆巖運動逐漸發(fā)展，開采影響區(qū)域逐漸增大，影響到傳感器布設區(qū)域，傳感器壓力值升高。雖然距離1304工作面較遠，但由于F10斷層的影響和DF14斷層的存在，該區(qū)域仍能受到工作面開采的影響。

從 5#、6#、7#和 8#、9#、10#這 2 組傳感器的空間位置關系分析，兩者同處于1304工作面開采后形成的“壓力拱”，監(jiān)測到的壓力值應該相近，但由于F10斷層的存在，使得2組傳感器壓力值出現(xiàn)較大差別，說明F10斷層對上下盤間的壓力有隔斷作用，在斷層附近必然會產(chǎn)生應力集中。

從上盤煤層受力變化情況看，1304工作面開采后，上覆巖層重力向工作面兩側轉移，F(xiàn)10斷層附近壓力增大;工作面開采對F10斷層附近應力分布影響較大，斷層下盤側壓力遠大于上盤側，在斷層附近產(chǎn)生應力集中;斷層上盤煤層應力分布受工作面開采影響較小，煤層的性質不會發(fā)生大的變化;1304工作面開采對距離較遠的DF14斷層也存在一定程度的影響。

4 下盤煤層采動上盤煤層變形影響

1304工作面開采覆巖運動穩(wěn)定后，上盤煤層下沉量觀測結果如圖9所示。

圖9 上盤煤層下沉量Fig.9 Sinkage of hanging wall coal seam

由下沉量觀測結果可以看出，1304工作面開采后，采空區(qū)上方巖層垮落、開裂、彎曲下沉，巖層的下沉量從下往上逐漸變小;斷層上盤煤層靠近F10斷層一側下沉量比較小(最大為0.8 mm，模擬實際工程中0.16 m)，而靠近DF14斷層一側煤層則幾乎沒有下沉，DF14斷層附近巖層下沉量為0。

從上盤煤層下沉變形來看，1304工作面開采后，煤層向F10斷層發(fā)生了輕微的“傾斜”，F(xiàn)10斷層及上盤煤層變形量比較小，上盤區(qū)域煤巖的性質不會發(fā)生大的變化，對上盤煤層的開采影響不大。

5 結論

(1)根據(jù)相似材料模擬試驗結果，1304工作面開采后，采空區(qū)上覆巖層重力向兩側轉移，F(xiàn)10斷層附近應力增大。

(2)1304工作面開采對F10斷層附近應力分布有著較大的影響:斷層下盤壓力遠大于上盤側壓力，斷層附近產(chǎn)生應力集中，上盤煤層開采時要注意避開應力集中區(qū)。

(3)1304工作面開采對F10斷層及上盤煤層在位移變形上影響很輕微，對上盤煤層應力分布影響也很小，煤巖性質不會發(fā)生大的變化，對煤層開采的影響不大。

(4)F10斷層的影響和DF14斷層的存在，使得距離采動區(qū)域較遠的DF14斷層區(qū)域也受到1304工作面開采的輕微影響。

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