劉同飛 杜曉林 安保潤(rùn)

（1．棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司柴里煤礦，山東 棗莊 277500；2．山東省煤炭技術(shù)服務(wù)有限公司，山東 濟(jì)南 250031）

柴里煤礦23下614 綜放工作面位于236 采區(qū)西部，主要開采3下煤層。23下614 工作面走向長(zhǎng)度1270m 左右，傾向長(zhǎng)度84~195.3m。工作面位于田崗斷層與二龍崗斷層形成的地塹內(nèi)，地質(zhì)條件相對(duì)比較復(fù)雜。因此，依據(jù)23下614 工作面的實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造條件分析采動(dòng)過程中頂?shù)装鍛?yīng)力變化情況，總結(jié)斷層變化規(guī)律，為煤層開采提供地質(zhì)依據(jù)。

1 工作面概況

1.1 地層

23下614 工作面主要發(fā)育地層為二疊紀(jì)山西組地層，巖性主要由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖組成，含主要可采煤層3 煤，煤層賦存穩(wěn)定。

1.2 構(gòu)造

工作面范圍內(nèi)受田崗斷層、F2 斷層、二龍崗斷層的影響，斷層較發(fā)育，對(duì)工作面的布置有較大影響。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料，23下614 工作面西側(cè)的田崗斷層為井田西邊界斷層，落差北大南小。工作面東側(cè)的二龍崗斷層位于井田西北部，一水平多條巷道及工作面揭露該斷層，在生產(chǎn)過程頂板無異常破碎、裂隙增加等現(xiàn)象。F2 斷層在井田中部落差較大，向23下614 工作面方向落差逐漸減小，23下614 工作面運(yùn)輸巷實(shí)際揭露，該斷層落差為5m，揭露時(shí)斷層干燥無水。

2 斷層活化和頂?shù)装鍛?yīng)力變化的相似試驗(yàn)研究

2.1 田崗斷層、二龍崗斷層活化相似模擬試驗(yàn)研究

本次模擬試驗(yàn)主要在田崗斷層的不同高度斷層帶及斷層帶兩側(cè)、逐級(jí)臺(tái)階斷層煤層底板處、3上煤層臨近二龍崗斷層的頂?shù)装逄帯?下煤層臨近田崗斷層的頂?shù)装逄幉荚O(shè)有應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，用以分析開采3下煤層過程中田崗斷層不同高度斷層帶及斷層帶兩側(cè)的應(yīng)力變化情況、兩級(jí)臺(tái)階斷層煤層底板的受力情況、煤層臨近田崗和二龍崗斷層的頂?shù)装鍛?yīng)力變化規(guī)律。設(shè)計(jì)在模型中布設(shè)21 個(gè)應(yīng)力傳感器，布設(shè)如圖1 所示。

圖1 田崗、二龍崗斷層應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

2.1.1 頂、底板應(yīng)力變化規(guī)律

（1）田崗斷層附近頂、底板應(yīng)力變化規(guī)律

田崗斷層附近頂、底板處布設(shè)有1~5 號(hào)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)和6~8 號(hào)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。應(yīng)力變化規(guī)律如圖2 所示。

圖2 田崗斷層附近煤層頂、底板應(yīng)力變化圖

由圖2（a）可知，在工作面推進(jìn)初期各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)并未發(fā)生變化，隨著工作面推進(jìn)，支承壓力向前傳遞。當(dāng)工作面推進(jìn)到不同長(zhǎng)度時(shí)，測(cè)點(diǎn)1~5 應(yīng)力逐漸升高，測(cè)點(diǎn)1~3 達(dá)到峰值后又逐漸降低，測(cè)點(diǎn)1 在工作面推進(jìn)到42.5cm 時(shí)出現(xiàn)負(fù)值，隨后其數(shù)值在負(fù)值范圍內(nèi)進(jìn)一步升高，測(cè)點(diǎn)2~3 未出現(xiàn)負(fù)值。測(cè)點(diǎn)4~5 的應(yīng)力在推進(jìn)過程中呈現(xiàn)單調(diào)遞增的變化規(guī)律，工作面超前支承壓力影響范圍為24.5cm，最大支承壓力出現(xiàn)在距工作面10cm 處。

圖2（b）所示3下煤底板的應(yīng)力變化規(guī)律與圖2（a）的應(yīng)力變化規(guī)律基本相同。測(cè)點(diǎn)6 在支承壓力影響下逐漸升高，并在推進(jìn)到45cm 時(shí)達(dá)到峰值，隨后逐漸降低，由于支承壓力并未越過測(cè)點(diǎn)7~8，因此測(cè)點(diǎn)7~8 一直處于逐漸升高的狀態(tài)。

（2）二龍崗斷層附近頂、底板應(yīng)力變化規(guī)律

二龍崗斷層附近設(shè)有5 個(gè)應(yīng)力傳感器，分別為測(cè)點(diǎn)17~21。其中測(cè)點(diǎn)17~19 設(shè)在3上煤層頂板處，20~21 設(shè)在3上煤層底板處。具體應(yīng)力變化曲線如圖3 所示。

圖3 二龍崗斷層附近煤層頂、底板應(yīng)力變化圖

由圖3 可知，二龍崗斷層附近煤層頂、底板應(yīng)力變化規(guī)律與田崗斷層附近煤層頂?shù)装鍛?yīng)力變化規(guī)律大體相同，均是在開采初期并未發(fā)生應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化，當(dāng)工作面推進(jìn)到20cm 時(shí)，測(cè)點(diǎn)17 開始發(fā)生變化，并隨工作面推進(jìn)逐漸升高，在工作面達(dá)到32.5cm 時(shí)達(dá)到其峰值，隨后逐漸降低。

2.1.2 斷層活化及煤柱留設(shè)研究

在3下煤層開采過程中，綜合3上煤層開采對(duì)于覆巖垮落及斷層活化的影響，田崗斷層煤柱計(jì)劃留設(shè)寬度為30cm，二龍崗斷層煤柱計(jì)劃留設(shè)寬度為20cm。在工作面推進(jìn)過程中，當(dāng)煤柱寬度為35cm時(shí)，斷層活化沒有明顯的加劇現(xiàn)象；當(dāng)煤柱縮短到30cm 左右時(shí)，在采空區(qū)與煤柱交界處，由于水壓作用，田崗斷層活化明顯加劇，出現(xiàn)了一條向上發(fā)育的剪切破壞裂隙，由此可見煤柱采空區(qū)交界處剪切作用明顯。

繼續(xù)縮減保護(hù)煤柱寬度，在縮減過程中，底板三灰含水層及斷層帶含水層的作用明顯。當(dāng)縮減至25cm 時(shí)，底板三灰含水層由于水壓作用在水袋高度處出現(xiàn)了明顯的水平裂隙，且采空區(qū)與煤柱交界處剪切破壞裂隙增大；當(dāng)縮減至22cm 時(shí)，由于田崗斷層帶含水層的水壓作用，在第二級(jí)及第三臺(tái)階斷層區(qū)域出現(xiàn)裂隙，同時(shí)裂隙向第三級(jí)斷層發(fā)育；當(dāng)斷層煤柱為20cm 時(shí)，田崗斷層附近裂隙發(fā)育明顯增大，二龍崗斷層沒有發(fā)生斷層活化及斷層帶的離層等現(xiàn)象。

綜上所述，3下煤層開采田崗斷層煤柱留設(shè)寬度應(yīng)不小于30cm，按照比例寬度應(yīng)不小于60m，二龍崗斷層煤柱留設(shè)寬度應(yīng)不小于20cm，按照比例寬度應(yīng)不小于40m。

2.2 工作面過F2斷層相似模擬試驗(yàn)研究

本次試驗(yàn)主要運(yùn)用相似材料試驗(yàn)方法研究23下614 工作面開采中過F2 斷層時(shí)的斷層活化以及相關(guān)應(yīng)力的變化規(guī)律。本次模擬試驗(yàn)主要在下盤工作面臨近F2斷層頂板附近、工作面過斷層開挖區(qū)域頂板、上盤臨近F2 斷層頂板區(qū)域、F2 斷層不同高度處斷層帶及斷層帶兩側(cè)共布置12 個(gè)應(yīng)力傳感器，如圖4所示。

圖4 F2 斷層應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

由1~6 號(hào)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線圖分析可知，在上下盤煤層及過斷層路線頂板的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)較強(qiáng)的規(guī)律性。工作面開采初期，應(yīng)力測(cè)點(diǎn)距離工作面較遠(yuǎn)，超前支承壓力尚未傳遞到應(yīng)力測(cè)點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)力測(cè)點(diǎn)均未發(fā)生變化。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)時(shí)，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力發(fā)生變化，應(yīng)力逐漸達(dá)到峰值后，隨工作面的推進(jìn)，應(yīng)力數(shù)值不斷降低，并在一定位置時(shí)由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值，測(cè)點(diǎn)失效。由圖5 可知，測(cè)點(diǎn)1~3的應(yīng)力峰值逐漸增大，主要原因?yàn)閿鄬拥摹白韪簟?、“屏障”作用，集中?yīng)力由于受到斷層的阻隔，很難越過斷層，因此越靠近斷層，集中應(yīng)力就越大。測(cè)點(diǎn)4~6 的應(yīng)力變化規(guī)律亦基本相同，均是逐漸升高達(dá)到其峰值隨后降低，并最終呈現(xiàn)負(fù)值，測(cè)點(diǎn)失效。

圖5 F2 斷層推進(jìn)過程中頂板應(yīng)力變化曲線圖

由圖5 可知，超前支承壓力影響范圍在28cm左右，且各個(gè)測(cè)點(diǎn)達(dá)到峰值點(diǎn)時(shí)距工作面的距離也不同。斷層下盤測(cè)點(diǎn)越靠近斷層，應(yīng)力峰值越大，且達(dá)到應(yīng)力峰值時(shí)與工作面的距離越小，斷層上盤測(cè)點(diǎn)沒有呈現(xiàn)該規(guī)律。

圖6 F2 斷層帶及兩側(cè)應(yīng)力變化折線圖

由F2 斷層不同高度處斷層帶及兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)（7~12 測(cè)點(diǎn)）應(yīng)力變化曲線圖6 分析可知，7~9 測(cè)點(diǎn)在斷層下盤推進(jìn)過程中呈現(xiàn)先升高達(dá)到峰值后逐漸降低的規(guī)律。工作面開采F2 斷層煤柱時(shí)，測(cè)點(diǎn)7應(yīng)力值轉(zhuǎn)為負(fù)值，測(cè)點(diǎn)失效，隨工作面推過F2 斷層，測(cè)點(diǎn)8、9 應(yīng)力逐漸降低，煤柱全部采完時(shí)，斷層帶下界面與覆巖離層裂隙突然增大，下方覆巖發(fā)生位移及應(yīng)力的突變。隨著工作面不斷推進(jìn)，覆巖及斷層帶下部破碎帶逐漸垮落，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變?yōu)樨?fù)值，測(cè)點(diǎn)失效。圖6（b）整體規(guī)律與圖6（a）相同，由于其高度較高，遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)域，其數(shù)值要小于下部測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值。

3 結(jié)論

（1）23下614 工作面開采時(shí)，超前支承壓力隨工作面向前傳遞，由于斷層的“屏障”及“吸附”作用，頂板集中應(yīng)力很難越過斷層，且越靠近斷層帶，應(yīng)力集中程度越明顯，造成越靠近斷層應(yīng)力測(cè)點(diǎn)峰值就越高的現(xiàn)象；工作面過F2 斷層時(shí)，由于斷層帶下界面與覆巖離層裂隙突然增大，下方覆巖位移及應(yīng)力易發(fā)生突變。

（2）斷層煤柱留設(shè)寬度的大小直接影響斷層的活化程度。煤柱留設(shè)寬度越小，斷層活化越明顯，受含水層水壓影響，裂隙發(fā)育越多，在煤柱與采空區(qū)交界處，剪切應(yīng)力效果明顯。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，3下煤層開采田崗斷層煤柱留設(shè)寬度應(yīng)不小于60m，二龍崗斷層煤柱應(yīng)不小于40m。