柴里煤礦23下614工作面斷層與頂底板應力變化規律研究

劉同飛 杜曉林 安保潤

（1．棗莊礦業（集團）有限責任公司柴里煤礦，山東 棗莊 277500；2．山東省煤炭技術服務有限公司，山東 濟南 250031）

柴里煤礦23下614 綜放工作面位于236 采區西部，主要開采3下煤層。23下614 工作面走向長度1270m 左右，傾向長度84~195.3m。工作面位于田崗斷層與二龍崗斷層形成的地塹內，地質條件相對比較復雜。因此，依據23下614 工作面的實際地質構造條件分析采動過程中頂底板應力變化情況，總結斷層變化規律，為煤層開采提供地質依據。

1 工作面概況

1.1 地層

23下614 工作面主要發育地層為二疊紀山西組地層，巖性主要由砂巖、泥巖、砂質泥巖組成，含主要可采煤層3 煤，煤層賦存穩定。

1.2 構造

工作面范圍內受田崗斷層、F2 斷層、二龍崗斷層的影響，斷層較發育，對工作面的布置有較大影響。

根據礦井地質資料，23下614 工作面西側的田崗斷層為井田西邊界斷層，落差北大南小。工作面東側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，在生產過程頂板無異常破碎、裂隙增加等現象。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 工作面運輸巷實際揭露，該斷層落差為5m，揭露時斷層干燥無水。

2 斷層活化和頂底板應力變化的相似試驗研究

2.1 田崗斷層、二龍崗斷層活化相似模擬試驗研究

本次模擬試驗主要在田崗斷層的不同高度斷層帶及斷層帶兩側、逐級臺階斷層煤層底板處、3上煤層臨近二龍崗斷層的頂底板處、3下煤層臨近田崗斷層的頂底板處布設有應力測點，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的應力變化情況、兩級臺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底板應力變化規律。設計在模型中布設21 個應力傳感器，布設如圖1 所示。

圖1 田崗、二龍崗斷層應力測點布置圖

2.1.1 頂、底板應力變化規律

（1）田崗斷層附近頂、底板應力變化規律

田崗斷層附近頂、底板處布設有1~5 號應力測點和6~8 號應力測點，對獲取的數據進行整理。應力變化規律如圖2 所示。

圖2 田崗斷層附近煤層頂、底板應力變化圖

由圖2（a）可知，在工作面推進初期各應力測點并未發生變化，隨著工作面推進，支承壓力向前傳遞。當工作面推進到不同長度時，測點1~5 應力逐漸升高，測點1~3 達到峰值后又逐漸降低，測點1 在工作面推進到42.5cm 時出現負值，隨后其數值在負值范圍內進一步升高，測點2~3 未出現負值。測點4~5 的應力在推進過程中呈現單調遞增的變化規律，工作面超前支承壓力影響范圍為24.5cm，最大支承壓力出現在距工作面10cm 處。

圖2（b）所示3下煤底板的應力變化規律與圖2（a）的應力變化規律基本相同。測點6 在支承壓力影響下逐漸升高，并在推進到45cm 時達到峰值，隨后逐漸降低，由于支承壓力并未越過測點7~8，因此測點7~8 一直處于逐漸升高的狀態。

（2）二龍崗斷層附近頂、底板應力變化規律

二龍崗斷層附近設有5 個應力傳感器，分別為測點17~21。其中測點17~19 設在3上煤層頂板處，20~21 設在3上煤層底板處。具體應力變化曲線如圖3 所示。

圖3 二龍崗斷層附近煤層頂、底板應力變化圖

由圖3 可知，二龍崗斷層附近煤層頂、底板應力變化規律與田崗斷層附近煤層頂底板應力變化規律大體相同，均是在開采初期并未發生應力測點的應力變化，當工作面推進到20cm 時，測點17 開始發生變化，并隨工作面推進逐漸升高，在工作面達到32.5cm 時達到其峰值，隨后逐漸降低。

2.1.2 斷層活化及煤柱留設研究

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

繼續縮減保護煤柱寬度，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。當縮減至25cm 時，底板三灰含水層由于水壓作用在水袋高度處出現了明顯的水平裂隙，且采空區與煤柱交界處剪切破壞裂隙增大；當縮減至22cm 時，由于田崗斷層帶含水層的水壓作用，在第二級及第三臺階斷層區域出現裂隙，同時裂隙向第三級斷層發育；當斷層煤柱為20cm 時，田崗斷層附近裂隙發育明顯增大，二龍崗斷層沒有發生斷層活化及斷層帶的離層等現象。

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

2.2 工作面過F2斷層相似模擬試驗研究

本次試驗主要運用相似材料試驗方法研究23下614 工作面開采中過F2 斷層時的斷層活化以及相關應力的變化規律。本次模擬試驗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域頂板、上盤臨近F2 斷層頂板區域、F2 斷層不同高度處斷層帶及斷層帶兩側共布置12 個應力傳感器，如圖4所示。

圖4 F2 斷層應力測點布置圖

由1~6 號應力測點應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力測點呈現較強的規律性。工作面開采初期，應力測點距離工作面較遠，超前支承壓力尚未傳遞到應力測點區域，應力測點均未發生變化。當工作面繼續推進時，各測點應力發生變化，應力逐漸達到峰值后，隨工作面的推進，應力數值不斷降低，并在一定位置時由正值轉為負值，測點失效。由圖5 可知，測點1~3的應力峰值逐漸增大，主要原因為斷層的“阻隔”、“屏障”作用，集中應力由于受到斷層的阻隔，很難越過斷層，因此越靠近斷層，集中應力就越大。測點4~6 的應力變化規律亦基本相同，均是逐漸升高達到其峰值隨后降低，并最終呈現負值，測點失效。

圖5 F2 斷層推進過程中頂板應力變化曲線圖

由圖5 可知，超前支承壓力影響范圍在28cm左右，且各個測點達到峰值點時距工作面的距離也不同。斷層下盤測點越靠近斷層，應力峰值越大，且達到應力峰值時與工作面的距離越小，斷層上盤測點沒有呈現該規律。

圖6 F2 斷層帶及兩側應力變化折線圖

由F2 斷層不同高度處斷層帶及兩側的測點（7~12 測點）應力變化曲線圖6 分析可知，7~9 測點在斷層下盤推進過程中呈現先升高達到峰值后逐漸降低的規律。工作面開采F2 斷層煤柱時，測點7應力值轉為負值，測點失效，隨工作面推過F2 斷層，測點8、9 應力逐漸降低，煤柱全部采完時，斷層帶下界面與覆巖離層裂隙突然增大，下方覆巖發生位移及應力的突變。隨著工作面不斷推進，覆巖及斷層帶下部破碎帶逐漸垮落，測點應力變為負值，測點失效。圖6（b）整體規律與圖6（a）相同，由于其高度較高，遠離應力集中區域，其數值要小于下部測點應力值。

3 結論

（1）23下614 工作面開采時，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，頂板集中應力很難越過斷層，且越靠近斷層帶，應力集中程度越明顯，造成越靠近斷層應力測點峰值就越高的現象；工作面過F2 斷層時，由于斷層帶下界面與覆巖離層裂隙突然增大，下方覆巖位移及應力易發生突變。

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