吳基文，王廣濤，芮 芳，周盛全

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院 安徽 淮南 232001)

開采技術(shù)與裝備

基于縮小煤柱開采實(shí)驗(yàn)的斷層帶穩(wěn)定性分析

吳基文1，王廣濤1，芮 芳1，周盛全2

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院 安徽 淮南 232001)

以龍東煤礦F張斷層為基礎(chǔ)建立相似材料模型，監(jiān)測縮小煤柱過程中斷層帶兩側(cè)巖體位移變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著斷層煤柱寬度的逐漸縮小，斷層上盤采空區(qū)頂?shù)装宕怪蔽灰浦饾u增大，距煤層越近位移越大，而下盤位移變化較??；當(dāng)煤柱寬度減小為30m時(shí)，頂板位移發(fā)生了突變，同時(shí)近斷層帶兩側(cè)上、下盤巖體垂直位移出現(xiàn)明顯差異，位移差達(dá)0.14m，上盤巖體沿?cái)鄬訋Оl(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致斷層帶的失穩(wěn)，造成斷層“活化”，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為斷層煤柱寬度的合理留設(shè)提供參考依據(jù)。

斷層帶；相似材料模擬；斷層煤柱；垂直位移

礦井突水是制約煤礦開采的重大原因，導(dǎo)致人員、經(jīng)濟(jì)損失巨大。而由斷層引發(fā)的礦井突水占底板突水事故的絕大多數(shù)且斷層突水具有極強(qiáng)的隱蔽性與不可預(yù)見性，因此對(duì)斷層帶穩(wěn)定性與防水煤柱的合理留設(shè)研究一直是煤礦科學(xué)技術(shù)問題的熱點(diǎn)。采動(dòng)應(yīng)力場對(duì)原先較穩(wěn)定的斷層帶兩盤巖體產(chǎn)生了不同采動(dòng)效應(yīng)導(dǎo)致斷層帶兩側(cè)的位移變化不一致，形成較大的位移差，繼而引發(fā)斷層帶失穩(wěn)與突水，導(dǎo)水?dāng)鄬优c受采動(dòng)效應(yīng)影響而活化的斷層引發(fā)的突水事故已占半數(shù)以上。留設(shè)合適寬度的斷層煤柱，可有效避免類似突水事故發(fā)生，對(duì)于相關(guān)煤層底板采動(dòng)引發(fā)的突水防水煤柱留設(shè)的研究，相似材料試驗(yàn)?zāi)M是應(yīng)用較為廣泛與成熟的方法[1-2]。本文采用相似模擬重點(diǎn)對(duì)煤柱縮小過程中斷層帶兩側(cè)煤層頂?shù)装逦灰七M(jìn)行監(jiān)測，對(duì)斷層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的臨界條件進(jìn)行分析，為斷層煤柱合理留設(shè)提供依據(jù)和參考。

1 模型的設(shè)計(jì)與建立

1.1 試驗(yàn)原型地質(zhì)概況

龍東煤礦隸屬于大屯煤電公司，地處蘇魯交界地帶。井田走向長13km，傾向?qū)?～3km，劃分為中央、東翼、西翼3個(gè)采區(qū)。全區(qū)可采煤層有太原組17號(hào)和21號(hào)煤以及山西組7號(hào)煤，本次相似模擬試驗(yàn)研究原型為西翼采區(qū)7163工作面F張斷層。根據(jù)對(duì)該斷層實(shí)施的物探與鉆探探查資料，采區(qū)內(nèi)F張斷層傾角65°，斷層帶寬度3m左右，斷層帶巖石成分混雜，斷層最大落差120m，總體為一含水性弱、導(dǎo)水性差的斷層。區(qū)內(nèi)7煤位于F張斷層上盤，平均煤厚約5.5m，上覆地層厚度約450m，7煤直接頂為泥巖，基本頂為中砂巖，與斷層下盤太原組地層四灰對(duì)接，老底為泥巖，與下盤太原組八灰對(duì)接，直接底為砂質(zhì)泥巖和粉細(xì)砂巖互層與下盤太原組九灰和十灰對(duì)接。斷層下盤主要含水層與斷層上盤主采煤層頂?shù)装逑嘟?，在采?dòng)效應(yīng)的影響下可能造成F張斷層失穩(wěn)，導(dǎo)水性增大形成導(dǎo)水通道，從而導(dǎo)致斷層突水。

1.2 相似模型的建立及制作

相似材料模擬試驗(yàn)以龍東煤礦西翼采區(qū)7163工作面地質(zhì)模型為地質(zhì)基礎(chǔ)，以相似三定理為理論基礎(chǔ)。在詳細(xì)探查F張斷層水文與工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采取斷層兩盤巖體巖芯試樣進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)，得出準(zhǔn)確的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。在室內(nèi)進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)時(shí)，地層相似材料以細(xì)河砂為主料，以生石灰和石膏為膠結(jié)物，在多次大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，反復(fù)調(diào)整各材料與水的配比，與力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，以獲得地層最佳配比鋪設(shè)模型。其中斷層帶填充物由云母粉及細(xì)砂混合，不另添加膠結(jié)物，以實(shí)現(xiàn)斷層帶的松散與成分混雜的特征[3]。

根據(jù)相似系數(shù)確定本次模型如圖1所示，其幾何尺寸為：4m×0.4m×1.5m(長×寬×高)，相當(dāng)于模擬總厚度為150m的地層，包括斷層上盤7煤底板以下61m至太原組四灰及頂板以上83.5m巖層。斷層下盤根據(jù)地質(zhì)模型鋪設(shè)相應(yīng)地層，但為保證加壓之后模型整體及斷層帶的穩(wěn)定性，本次試驗(yàn)中F張斷層未延伸至模型頂部，斷層從模型底部延伸到1.2m高度，在鋪設(shè)完成斷層后，模型上部300mm由水平層模擬巖層覆蓋。由于相似模擬試驗(yàn)臺(tái)大小的限制，本次建立的試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭荒苣M斷層上盤7煤頂板以上83.5m的巖層，但在龍東煤礦7163工作面7煤平均埋深約為450m，在模型上鋪設(shè)的上覆地層的重量需要加垂向載荷來補(bǔ)償垂直應(yīng)力，經(jīng)相似計(jì)算所需加載的垂直荷載為89.25kN。補(bǔ)償荷載較大，模擬時(shí)選取杠桿加壓來實(shí)現(xiàn)。

圖1 相似模擬模型

2 相似模擬試驗(yàn)

2.1 位移測點(diǎn)的布置

本次相似模擬試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱搜芯棵褐s小過程中F張斷層的穩(wěn)定性，分析試驗(yàn)過程中7煤頂?shù)装寮皵鄬訋蓚?cè)位移變化規(guī)律，以期得到斷層帶失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，進(jìn)而科學(xué)地給出煤柱留設(shè)的臨界值。本次相似模擬對(duì)7煤頂、底板位移及斷層帶附近上、下盤巖體的位移進(jìn)行了實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測。

位移觀測采用實(shí)驗(yàn)室較常用的網(wǎng)格法，在模型鋪設(shè)完畢之后沿煤層回采水平方向布置了1，2，3，4，5，6等6條位移測線，分別距離7煤頂板50，150，200及500mm，底板50mm和100mm，位移測點(diǎn)橫向間距100mm，在斷層帶兩側(cè)進(jìn)行局部加密，測點(diǎn)橫向間隔調(diào)整為50mm，位移測點(diǎn)共計(jì)174個(gè)。具體位移測點(diǎn)布置及編號(hào)見圖2。

圖2 相似模擬的開采順序與位移測點(diǎn)布置

2.2 開采過程及監(jiān)測

在相似模擬模型制作完畢后，靜置預(yù)加載，在模擬開采前用全站儀進(jìn)行位移觀測2次，得到位置初始值。本次相似模擬在模型煤層左側(cè)留1m約束煤柱，從切眼處沿回采方向，從模型左側(cè)向F張斷層方向?qū)?煤進(jìn)行了煤柱縮小開采試驗(yàn)，首次開采100mm，按時(shí)間相似系數(shù)確定每隔2h開采50mm煤層，共計(jì)開采1750mm，模擬開采以F張斷層煤柱為50mm時(shí)結(jié)束，煤層開采順序見圖2。

為了研究煤柱縮小過程中7煤頂、底板的移動(dòng)規(guī)律，在模型上布置6條水平位移測線，觀測12次，以開采前觀測值作為基礎(chǔ)，每次測量值減去初始值，即可得到每次的位移值。采用LeicaTS02型全站儀對(duì)測點(diǎn)進(jìn)行位移觀測，7煤開采后在放置穩(wěn)定期間，又跟蹤測量2次。因此得到模擬工作面推進(jìn)250，600，800，1050，1250，1500，1650，1700，1750mm及停采1、停采2，對(duì)6條位移測線不同觀測時(shí)間時(shí)的垂直位移變化曲線進(jìn)行比較分析，選取其中比較有代表性的曲線討論確定煤層頂?shù)装逦灰谱兓?guī)律。

3 模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 煤層頂板垂直位移變化規(guī)律

圖3～圖5分別為位于7煤頂板的1～4號(hào)測線位移變化曲線，從圖中可以看出，隨著煤柱的不斷縮小工作面不斷向斷層推進(jìn)的過程中，煤層頂板巖層內(nèi)部出現(xiàn)下沉盆地且范圍逐步擴(kuò)張，在模型開采空間從極不充分-非充分-超充分采動(dòng)程度的變化過程中，下沉盆地的形狀也從剛開始近似對(duì)稱的“V”型逐漸變?yōu)椴粚?duì)稱的“√”型，在工作面兩端位移最小，采空區(qū)中央位移最大。當(dāng)開采距離較小時(shí)，下沉盆地呈近似對(duì)稱分布，隨著開采距離的增大，斷層導(dǎo)致上下盤位移產(chǎn)生差異，工作面兩端位移也產(chǎn)生差異，位移曲線的不對(duì)稱性越來越明顯[4-5]。

圖3 測線3垂直位移變化曲線

圖4 測線2垂直位移變化曲線

圖5 測線1垂直位移變化曲線

當(dāng)工作面推進(jìn)80m，煤柱寬度100m時(shí)，3號(hào)測線位移出現(xiàn)明顯變化，如圖3所示，停采后最大垂直位移4847mm；當(dāng)工作面推進(jìn)105m，煤柱寬度75m時(shí)，2號(hào)測線位移出現(xiàn)明顯變化，停采后最大垂直位移4622mm，如圖4所示；當(dāng)工作面推進(jìn)到150m，煤柱寬度30m時(shí)，1號(hào)測線位移出現(xiàn)突變，最大垂直位移4392mm，如圖5所示。圖3～圖5反映了隨著煤柱的縮小，頂板垮落規(guī)模從上到下逐漸增大，離煤層越近垂直位移越大，反應(yīng)越明顯。當(dāng)煤柱縮小為30m時(shí)，距煤層頂板最遠(yuǎn)的測線位移發(fā)生突變，說明此時(shí)上盤巖體整體出現(xiàn)了比較大的下沉，而下盤巖體位移量較小或基本不變，造成了上盤巖體沿?cái)鄬訋уe(cuò)動(dòng)的失穩(wěn)破壞，可能導(dǎo)致斷層導(dǎo)水性增強(qiáng)形成導(dǎo)水通道，斷層下盤灰?guī)r承壓水沿?cái)鄬訋?dǎo)出，造成突水事故。

為了對(duì)煤層附近斷層帶兩側(cè)位移進(jìn)行觀測，在模型煤層頂板之上50mm局部進(jìn)行加密，布置了位移測線4，測線4垂直位移變化曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著推進(jìn)，斷層上盤位移不斷增加，而下盤位移基本不發(fā)生變化。當(dāng)推進(jìn)至150m，煤柱寬度30m時(shí)，斷層帶兩側(cè)位移開始出現(xiàn)明顯差異，斷層帶兩側(cè)位移差值為144mm，當(dāng)停采后，最后最大位移差達(dá)205mm，可以看出，當(dāng)煤柱寬度小于30m后，煤層附近斷層帶兩側(cè)的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)已經(jīng)非常明顯。

圖6 測線4垂直位移變化曲線

3.2 煤層底板垂直位移變化規(guī)律

相對(duì)于煤層頂板的位移變化，煤層底板在煤層回采過程中受采動(dòng)效應(yīng)影響較為明顯，位移變化也有別于頂板的變化規(guī)律。斷層帶上盤初始由于上覆壓力的影響，煤層底板始終處于受壓狀態(tài)，底板位移方向向下且不斷増大，隨著斷層煤柱的不斷縮小，采空區(qū)底板出現(xiàn)卸壓狀態(tài)，煤層底板的位移方向向上，出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。在位移變化曲線圖上反映為下一次位移觀測值小于上一次位移值，出現(xiàn)位移回彈，而斷層帶下盤始終處于受壓狀態(tài)，隨著模擬開采的推進(jìn)，底板位移基本不受采動(dòng)影響，方向始終向下且大小不斷增加，因此在煤層開采過程中，斷層帶兩盤將出現(xiàn)位移差異。測線5和測線6反映出同樣在模擬開采推進(jìn)150m，斷層煤柱寬度為30m時(shí)，斷層帶兩側(cè)位移出現(xiàn)明顯差異，最大位移差78mm，斷層發(fā)生了明顯的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。

圖7為測線5垂直位移變化曲線，從圖中可看出，當(dāng)推進(jìn)60m，煤柱寬度120m時(shí)斷層上下盤位移變化平緩，差異不大；當(dāng)開采推進(jìn)至150m，煤柱寬度30m時(shí)，斷層上下盤的位移均出現(xiàn)較大變化，越靠近斷層位移越大；圖8也可反映出測線6在煤柱寬度為30m時(shí)煤層底板位移出現(xiàn)突變。由圖7和圖8中可以看出，在斷層上盤，停采后的位移較煤柱寬度30m時(shí)小，底板垂直位移出現(xiàn)回彈；而斷層下盤底板位移變化同頂板變化規(guī)律一致，隨著開采的推進(jìn)，下盤底板位移一直在增加，沒有出現(xiàn)位移回彈現(xiàn)象，這將造成斷層帶兩側(cè)位移出現(xiàn)較大差值，引起斷層相對(duì)滑動(dòng)，造成斷層帶失穩(wěn)。

圖7 測線5垂直位移變化曲線

綜上所述，隨著煤柱寬度的縮小，煤層頂?shù)装逦灰瞥霈F(xiàn)較大變化，斷層帶也由原來的穩(wěn)定狀態(tài)逐漸變化，當(dāng)推進(jìn)150m，煤柱寬度縮小為30m時(shí)，斷層上、下盤巖體位移出現(xiàn)了明顯差異，這種差異會(huì)導(dǎo)致斷層兩盤巖體沿?cái)鄬訋Оl(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，即造成了斷層帶的失穩(wěn)和“活化”。因此，為防止由于開采造成的斷層帶失穩(wěn)而引發(fā)突水事故，需留設(shè)足夠?qū)挾鹊臄鄬用褐?/p>

圖8 測線6垂直位移變化曲線

4 結(jié) 論

(1)通過相似材料模擬試驗(yàn)，對(duì)龍東煤礦F張斷層煤柱縮小過程中近斷層帶煤層頂、底板位移進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，由此得出煤層頂板下沉盆地隨時(shí)間推移不對(duì)稱性越來越明顯，煤層底板位移變化量小于頂板，且斷層上盤底板位移出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。

(2)隨著煤柱寬度的減小，斷層帶由初始的穩(wěn)定狀態(tài)最終過渡為失穩(wěn)狀態(tài)，根據(jù)相似理論，將試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绨凑障嗨票壤D(zhuǎn)換為現(xiàn)場尺寸，得到F張斷層帶發(fā)生失穩(wěn)活化的臨界斷層煤柱寬度為30m。

[1]吳基文，童宏樹，童世杰，等.斷層帶巖體采動(dòng)效應(yīng)的相似材料模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(S2)：580-585.

[2]唐東旗，吳基文，李運(yùn)成，等.斷裂帶巖體工程地質(zhì)力學(xué)特征及其對(duì)斷層防水煤柱留設(shè)的影響[J].煤炭學(xué)報(bào)，2006，31(4)：49-54.

[3]翟曉榮，吳基文，沈書豪,等.斷層帶邊界巖體采動(dòng)應(yīng)力特征相似材料模擬研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014，10(5)：56-61.

[4]王少華，劉 凡，朱興軍，等.厚松散層煤層開采巖層移動(dòng)與破壞規(guī)律試驗(yàn)研究[J].測繪與空間地理信息，2013(1)：177-179.

[5]殷志強(qiáng)，李夕兵，尹土兵，等.高應(yīng)力巖石圍壓卸載后動(dòng)力擾動(dòng)的臨界破壞特性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(7)：1355-1362.

[責(zé)任編輯：毛德兵]

Analysis of Fault Zone Stability Based on Narrow Coal Pillar Mining Experiment

WU Ji-wen1，WANG Guang-tao1，RUI Fang1，ZHOU Sheng-quan2

(1.Earth and Environment School，Anhui University of Science & Technology，Huainan 232001，China；2.Civil Architecture，Anhui University of Science & Technology，Huainan 232001，China)

Similar material simulation model was built based on fault of Longdong coal mine，the rock body displacement variation law of two sides of fault zone during narrow coal pillar was monitored，the results showed that with the fault coal pillar width decreased，the roof and floorvertical displacement of goaf of upper wall of fault，the displacement increased with the distance to coal seam decreased，but the displacement of footwall was smaller，when coal pillar width was 30m，the displacement of roof and floor appeared mutation，the vertical displacement of upper and foot wall that close to fault zone appeared obviously difference，the displacement difference was 0.14m，fault zone instability was induced by rockmass diastrophism of upper wall，then fault active，the results could referenced for similar situation.

fault zone；similar material simulation；fault coal pillar；vertical displacement

2016-11-22

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.004

國家自然科學(xué)基金(41272278)；安徽省高校自然科學(xué)基金(KJ2016SD19)

吳基文(1961-)，男，安徽舒城人，博士，教授，研究方向?yàn)槊旱V工程地質(zhì)與水害防治。

吳基文，王廣濤，芮 芳，等.基于縮小煤柱開采實(shí)驗(yàn)的斷層帶穩(wěn)定性分析[J].煤礦開采，2017，22(3)：12-15.

TD327

A

1006-6225(2017)03-0012-04