田 燚，劉 勇,2，康向濤,2，王 沉,2，賀征勛

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025； 2.復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心，貴州 貴陽(yáng) 550025)

覆巖裂隙是瓦斯運(yùn)移和擴(kuò)散的重要通道，研究采動(dòng)裂隙演化分布規(guī)律，對(duì)瓦斯抽采和瓦斯治理具有重要基礎(chǔ)意義。學(xué)者對(duì)采動(dòng)裂隙發(fā)育演化和分布特征進(jìn)行了大量研究。錢鳴高等[1]提出“O”型圈模型；袁亮等[2]、盧平等[3]、林柏泉[4]分別提出“頂板環(huán)形裂隙”和“回”形圈概念；李樹剛等[5]、林海飛等[6]運(yùn)用理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法提出采動(dòng)覆巖裂隙橢拋帶的動(dòng)態(tài)演化形態(tài)；馮國(guó)瑞等[7]運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)上行開采巖層間裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展過(guò)程；楊科等[8]指出不同采厚采動(dòng)裂隙分布具有“∩”型高帽狀的分布特征；程志恒等[9]運(yùn)用模擬實(shí)驗(yàn)研究了疊加開采影響下裂隙分布與演化特征，得出裂隙在疊加開采條件下裂隙發(fā)育明顯增加的分布特征；張勇等[10]研究采動(dòng)影響下底板不同應(yīng)力分區(qū)裂隙動(dòng)態(tài)分布及其演化規(guī)律，得到煤層底板不同分區(qū)裂隙發(fā)育特點(diǎn)。而對(duì)裂隙場(chǎng)而言，煤層群中含有規(guī)模不等的斷層，斷層在采動(dòng)影響下容易“活化”引起其附近應(yīng)力發(fā)生變化，從而影響裂隙的發(fā)育和分布特征[11-14]。由此，文章結(jié)合貴州某礦現(xiàn)場(chǎng)條件，應(yīng)用物理相似模擬對(duì)煤層群下保護(hù)層開采過(guò)斷層區(qū)上覆巖層裂隙發(fā)育和覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，為工作面過(guò)斷層區(qū)瓦斯防治提供參考。

1 工程概況

貴州某礦為煤與瓦斯突出礦井，上煤層組有6#與10#可采煤層，其中10#煤層埋深567 m，平均厚度2 m，煤層平均傾角8°；直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.8 m，上距6#煤層33.7 m，兩煤層均為煤與瓦斯突出煤層；6#煤層局部可采且瓦斯涌出量較大，故將10#煤層作為下保護(hù)層進(jìn)行開采，6#煤層含有一落差為4 m、傾角為45°斷層。斷層貫穿6#煤層工作面，斷層在10#煤層頂板上方15.2 m處尖滅，煤層地質(zhì)鉆孔柱狀圖如圖1所示。

2 物理相似模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 相似模擬模型制作

模型試驗(yàn)采用相似模擬實(shí)驗(yàn)架，模型架尺寸為3.0 m×0.3 m×1.8 m。根據(jù)模擬煤層頂?shù)装鍘r性，選用河砂作為骨料，石膏和石灰作為膠結(jié)料。模型鋪設(shè)依次稱取骨料和膠結(jié)料，并稱取適量水?dāng)嚢杈鶆颍谷肽Ｐ图茕伷綋v實(shí)。每一層鋪設(shè)完成后在其層面上均勻?yàn)⑸显颇阜邸Ｘ灤?#煤層的斷層先鋪設(shè)其下盤，下盤鋪設(shè)完成后鋪設(shè)斷層，并且在斷層面兩側(cè)均勻?yàn)⑸显颇阜郏凑諗鄬勇洳钔瓿缮媳P鋪設(shè)。

2.2 相似材料相似比

綜合考慮影響因數(shù)，精確選定與模型參數(shù)相一致的配比，取實(shí)驗(yàn)的幾何相似比1∶100，容重相似比1∶1.6，應(yīng)力相似比1∶160。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧吓浔纫姳?。

圖1 煤層地質(zhì)鉆孔柱狀圖(資料來(lái)源：貴州某礦相關(guān)地質(zhì)資料)

表1 實(shí)驗(yàn)煤巖層厚度及模型材料配比表

巖性原型模型厚度/m抗拉強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa密度/(kg/m3)配比號(hào)總重量/kg分層材料重量/kg石灰石膏水頁(yè)巖32.02.543.02 660437466.0372.828.065.2粉砂巖27.82.440.22 460355379.8284.947.547.5石灰?guī)r25.81.938.32 100346335.9251.950.450.4灰色細(xì)粉砂巖3.12.032.82 20035537.328.0 4.7 4.76#煤2.00.222.01 62037320.515.4 3.6 1.6砂質(zhì)泥巖11.72.543.02 660437170.4136.310.223.9粉砂巖2.42.440.22 46035532.824.6 4.14.1灰色細(xì)粉砂巖17.82.543.02 660437230.1184.113.832.2砂質(zhì)泥巖1.81.730.51 98045520.016.0 2.02.010#煤2.00.2318.01 62065520.517.5 1.51.5粉砂巖43.62.443.02 460355595.7446.774.574.5

2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ臀锢沓叽?，在物理模?0#煤層頂板上方5 cm處布置第一排位移測(cè)線，豎直方向上共布置層距為10 cm的8排測(cè)線；在距離10#煤層底板2 cm和頂板5 cm布設(shè)應(yīng)力應(yīng)變片，觀測(cè)記錄工作面接近和遠(yuǎn)離斷層過(guò)程中應(yīng)力變化情況，同時(shí)在斷層面底端、中部和頂端不同位置處設(shè)置A、B、C應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)。在斷層上下盤附近布設(shè)位移下沉測(cè)點(diǎn)觀測(cè)記錄斷層面的滑移量，物理模型各測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 模型設(shè)計(jì)及應(yīng)力位移測(cè)點(diǎn)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 10#煤層開采裂隙場(chǎng)演化特征

為表述裂隙發(fā)育演化，以走向裂隙密度定量描述下保護(hù)層開采從接近至遠(yuǎn)離斷層區(qū)采動(dòng)裂隙發(fā)育過(guò)程。圖3(a)為工作面接近和遠(yuǎn)離頂板斷層裂隙發(fā)育曲線。由圖3(a)可知覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育大致可分為三階段。①工作面推進(jìn)至120 m，即覆巖裂隙未受頂板斷層影響階段：從開切眼至頂板巖層初次來(lái)壓與周期來(lái)壓過(guò)程中，頂板巖層由彈性向塑性變形發(fā)展，逐漸積聚能量破壞，上覆巖層破斷、冒落產(chǎn)生縱向與橫向采動(dòng)裂隙，裂隙密度也隨工作面推進(jìn)不斷增加。工作面推進(jìn)至120 m時(shí)，采空區(qū)中部裂隙被逐漸壓實(shí)，此時(shí)覆巖裂隙發(fā)育未受斷層影響，裂隙密度曲線呈現(xiàn)駝峰狀。②工作面推進(jìn)160 m，即采動(dòng)覆巖裂隙受頂板斷層劇烈影響階段：隨著工作面不斷向斷層推進(jìn)，巖層受采動(dòng)影響斷裂垮落，引起頂板斷層附近煤巖體破碎，形成斷層帶，在工作面逐漸接近頂板斷層過(guò)程中，裂隙帶進(jìn)入頂板斷層帶，在采動(dòng)與斷層雙重影響下，頂板巖層破碎嚴(yán)重，覆巖采動(dòng)裂隙向更高層位發(fā)育；當(dāng)工作面推進(jìn)至160 m時(shí)，如圖3(b)所示，裂隙發(fā)育集中在工作面向采空區(qū)內(nèi)60 m并斜向上30 m與斷層帶范圍內(nèi)，此時(shí)，一方面斷層帶原生微觀裂紋擴(kuò)展為宏觀裂隙，另一方面采動(dòng)引起斷層周圍巖體結(jié)構(gòu)破壞出現(xiàn)同斷層傾向方向平行的采動(dòng)裂隙。工作面附近裂隙密度曲線陡升到達(dá)峰值，裂隙密度曲線呈現(xiàn)前低后高的駝峰狀。③工作面推進(jìn)至200 m，即采動(dòng)覆巖裂隙受頂板斷層影響減弱階段：隨著工作面遠(yuǎn)離斷層帶，采空區(qū)覆巖逐漸冒落壓實(shí)，斷層帶裂隙密度亦隨覆巖垮落壓實(shí)而減小，在切眼和工作面處由于壓實(shí)相對(duì)緩慢裂隙密度依然較大，采空區(qū)裂隙密度曲線大致呈現(xiàn)切眼和工作面、中部斷層帶處較高的“W”型分布。

圖3 覆巖裂隙分布特征

3.2 10#煤層開采斷層面應(yīng)力變化規(guī)律

斷層底端應(yīng)力變化如圖4(a)所示，工作面從開切眼推進(jìn)至距離頂板斷層20 m過(guò)程中，斷層受采動(dòng)影響較小，正應(yīng)力、剪應(yīng)力增加緩慢；當(dāng)工作面推進(jìn)至距頂板斷層20 m時(shí)，斷層底端剪應(yīng)力顯著上升，當(dāng)工作面恰好位于頂板斷層正下方時(shí)，正應(yīng)力、剪應(yīng)力達(dá)到峰值-22.55 MPa與-17.58 MPa；當(dāng)工作面過(guò)頂板斷層后，斷層面的正應(yīng)力、剪應(yīng)力迅速降低，且隨工作面繼續(xù)推進(jìn)斷層面底端處的正應(yīng)力、剪應(yīng)力得到釋放，其附近的圍巖重新被上覆巖層壓實(shí)，且保持在一定水平。

圖4 斷層不同位置應(yīng)力變化圖

斷層頂端應(yīng)力變化如圖4(b)所示，工作面推進(jìn)至距頂板斷層60 m過(guò)程中，斷層頂端應(yīng)力上升緩慢，此階段斷層受采動(dòng)影響較小，當(dāng)工作面推進(jìn)至距離頂板斷層40 m，正應(yīng)力、剪應(yīng)力開始出現(xiàn)明顯上升，當(dāng)回采工作面距離頂板斷層20 m時(shí)，正應(yīng)力、剪應(yīng)力達(dá)到峰值-18.47 MPa與-14.88 MPa。此后隨工作面繼續(xù)推進(jìn)斷層面頂端正應(yīng)力、剪應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力迅速下降并維持穩(wěn)定。

3.3 覆巖運(yùn)動(dòng)分布特征

工作面推進(jìn)過(guò)程中，對(duì)煤層頂板上方15 cm處同一層位不同測(cè)點(diǎn)覆巖下沉位移進(jìn)行觀測(cè)記錄，得到位移下沉變化，見圖5。由圖5可知，覆巖下沉大致分為三階段：①覆巖下沉停滯穩(wěn)定階段，此階段工作面未推進(jìn)至測(cè)點(diǎn)，覆巖基本穩(wěn)定；②覆巖下沉劇烈階段，工作面推進(jìn)至測(cè)點(diǎn)正下方，頂板下沉，隨工作面不斷推進(jìn)測(cè)點(diǎn)后移距離增加，煤層上覆巖層空間冒落呈指數(shù)型上升，延伸幅度與擴(kuò)展范圍增大，覆巖冒落下沉量升高，當(dāng)測(cè)點(diǎn)后移至工作面后方40 m覆巖大幅度垮落下沉，說(shuō)明測(cè)點(diǎn)所處頂板巖層已嚴(yán)重破斷冒落；③覆巖下沉平緩階段，頂板巖層經(jīng)歷劇烈下沉后，測(cè)點(diǎn)下降減緩，并逐漸趨于穩(wěn)定,表明測(cè)點(diǎn)所處頂板巖層已基本形成平衡結(jié)構(gòu)，覆巖下沉曲線呈現(xiàn)“瀑布”狀分布，工作面接近至遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)過(guò)程中，覆巖運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變的影響時(shí)間由強(qiáng)變?nèi)鹾涂臻g擴(kuò)展范圍由深至淺，覆巖運(yùn)動(dòng)具有一定的時(shí)空效應(yīng)。

圖5 同一層位采面推進(jìn)不同距離測(cè)點(diǎn)位移

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)選取工作面端部和中部有代表性的1#支架和43#支架工作阻力數(shù)據(jù)繪制支架工作阻力變化圖，如圖6所示，支架工作阻力特征可分為兩區(qū)域：未受斷層影響區(qū)與斷層影響區(qū)域，斷層影響區(qū)根據(jù)支架阻力情況又可分為“高壓區(qū)”和“低壓區(qū)”。在未受斷層影響區(qū)，工作面推進(jìn)35.0 m和37.5 m支架經(jīng)歷頂板初次來(lái)壓，1#支架經(jīng)歷平均周期來(lái)壓步距為21.2 m和平均工作阻力為19.93 MPa的四次周期來(lái)壓，43#支架經(jīng)歷平均周期來(lái)壓步距21.8 m和平均工作阻力為19.36 MPa的四次周期來(lái)壓。工作面推至116～140 m范圍進(jìn)入斷層影響異?！案邏簠^(qū)”，支架分別經(jīng)歷平均周期來(lái)壓歩距為7.5 m、9.8 m的四次周期來(lái)壓與三次周期來(lái)壓，支架平均工作阻力分別為29.62 MPa、28.38 MPa，此“高壓區(qū)”內(nèi)巷道變形嚴(yán)重，發(fā)生3次巖爆與60次煤壁片幫。受采動(dòng)影響，斷層下盤附近頂板變形破壞相對(duì)上盤更為嚴(yán)重，此與相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。為此對(duì)“高壓區(qū)”范圍采用頂板卸壓爆破措施，取得較好卸壓效果?！暗蛪簠^(qū)”范圍內(nèi)支架平均工作阻力分別為14.33 MPa、13.43 MPa，當(dāng)工作面過(guò)斷層后推進(jìn)至163 m時(shí)，“低壓區(qū)”的頂板經(jīng)歷首次斷裂引起支架出現(xiàn)阻力峰值。

圖6 支架工作阻力變化圖

5 結(jié) 論

1) 實(shí)驗(yàn)表明下保護(hù)層采動(dòng)裂隙場(chǎng)發(fā)育受頂板斷層影響強(qiáng)烈。工作面從開切眼推進(jìn)至120 m過(guò)程中，由于頂板斷層與工作面間距離較遠(yuǎn)，頂板斷層未對(duì)裂隙發(fā)育產(chǎn)生影響；工作面推進(jìn)160 m，過(guò)頂板斷層一定距離后，斷層區(qū)內(nèi)原生裂紋擴(kuò)展和采動(dòng)破壞斷層區(qū)域頂板結(jié)構(gòu)引起覆巖裂隙大幅度增加。工作面遠(yuǎn)離頂板斷層后，采動(dòng)裂隙逐漸壓實(shí)，其空間分布形態(tài)呈現(xiàn)切眼和工作面、中部斷層帶處較高的“W”

型分布。

2) 分析了頂板斷層底端和頂端正應(yīng)力與剪應(yīng)力峰值隨采動(dòng)工作面的接近與遠(yuǎn)離表現(xiàn)出不同變化，頂板斷層底端應(yīng)力峰值受采動(dòng)影響更劇烈。同時(shí)得到了同一層位覆巖下沉隨下保護(hù)層開采呈現(xiàn)“瀑布”狀分布，覆巖位移下沉具有時(shí)空效應(yīng)。

3) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作面推進(jìn)至116～140 m進(jìn)入斷層影響異?！案邏簠^(qū)”范圍內(nèi)，支架平均工作阻力分別為29.62 MPa、28.38 MPa，頂板斷層區(qū)圍巖應(yīng)力異常，易引起巷道變形和裂隙發(fā)育，在此區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)卸壓和支護(hù)措施。