近距離下行工作面過斷層開采試驗研究

閆奮前 吳俊達 孫亞楠

（山東科技大學礦業與安全工程學院，山東 青島 266590）

斷層是巖層或巖體順破裂面發生明顯位移的構造，在開采過程中會常常遇到不同程度的斷層。由于斷層破碎帶具有低強度、易變形、透水性大及抗水性差的特征，給開采帶來了很大的困擾[1-3]。本文以實際工程地質模型為依托，通過相似模擬材料試驗，對下層煤過斷層開采時覆巖的破壞特征及應力變化進行監測、分析，在煤礦進行過斷層開采時可以借鑒。

1 地質條件

本文以煤礦地質原型為研究背景，研究對象包含上、下兩層煤層。其中上層煤煤厚3.90～6.60m，平均5.2m，煤層傾角1°～7°，平均4°，屬近水平煤層。下層煤賦存于山西組下部，上距上層煤0.20～35.30m，平均15m，間距較穩定。煤層厚度0～7.80m，平均3.96m。

模擬的含煤地層總深度約為300m，試驗中以F2斷層為例，F2斷層位于23614工作面北部區域，為北升南降的正斷層。產狀：走向68°，傾向158°，傾角60°，落差5～16m。23614工作面北部區域被F2斷層切斷，由于F2斷層落差較小，在開采下層煤時采用直接過斷層的方式推過F2斷層。以工程實際為前提，本次相似材料模擬的煤層和巖層進行水平鋪設。

2 相似材料試驗

試驗嚴格按照研究區域煤田地層情況，模型設計的長×寬×高=1.9m×0.22m×1.7m，上部為可供加載的千斤頂，模型的幾何相似比為1：100。試驗中選取23614工作面開采的上、下兩層煤為模擬煤層，兩層煤平均厚度均為5m，對應模型煤厚為5.0cm，斷層以F2正斷層作為模擬斷層。相似材料用骨料和膠結料作為模擬材料進行模擬，骨料采用粒徑不大于1.5mm的普通河砂，膠結料由石灰和石膏組成，選用可以模擬巖石層理結構的云母粉作為模型的分層材料。

2.1 測點布置

本次模擬試驗主要開采下層煤，工作面過斷層開挖區域頂板、上盤、下盤臨近F2斷層頂板區域共布置5個應力傳感器。

2.2 開挖方式

在開采上層煤時從右向左開挖，開采下層煤時從左向右開挖。上層煤在開采前留20cm煤柱（相當于實際的20m）作為邊界預留煤柱，下層煤在開采前留30cm的煤柱（相當于實際的30m）。每次開采5cm，每隔20min開挖一次，觀測在采動過程中上覆巖層破斷特征。

用數碼相機對斷層界面的移動情況進行拍攝，可以直觀地觀測模型的破壞過程。通過各監測點所得的數據，觀測工作面在依次開采過程中覆巖破壞程度以及斷層裂隙的發育情況。

3 試驗結果與分析

3.1 下行開采過斷層覆巖變化規律

在開采上層煤時對斷層進行了預注漿處理。上層煤和下層煤相距15cm。上層煤開采完畢24h以后，對下層煤進行開采，從上盤經過斷層向下盤開采。在開采后工作面上覆巖層出現彎曲、垮落、下沉等現象。如圖1所示，發現在推進過程中并沒有明顯的周期垮落步距。

當工作面推到距開切眼35cm時頂板初次垮落，在推到40cm時，此時距離斷層10cm左右，以11°的傾角向斷層下盤處開采，推進過程中發現頂板并沒有發生垮落，斷層基本保持穩定。直到推進到55cm時，此時已經推進到斷層里面，上盤處頂板才發生垮落，但斷層卻沒有出現明顯的向下滑移現象。分析其原因可能是在上層煤開采前對斷層進行預注漿處理后加強了斷層的強度，致使在進入斷層時沒有出現“隨采隨垮”現象。在推進到65cm處時煤層上方的下盤巖層處于懸臂狀態，并沒有發生垮落。在推進到70cm處時出現大范圍的垮落，垮落巖體呈破碎狀，下盤巖層出現明顯破斷線，溝通斷層帶，與斷層形成“三角形”形狀，三角形巖體整體發生垮落，對工作面危害較大。繼續向前推進，直接頂出現“隨采隨斷”的現象。

圖1 覆巖垮落過程圖

綜合圖1（a～d）可見，在過F2斷層整個過程中，過斷層后開采對頂板的影響最大。在過斷層前，斷層活化程度較小，基本保持穩定；在過斷層期間，斷層并沒有發生向下滑移的現象，這可能是在開采上層煤時，對斷層進行了注漿處理，加強了斷層的強度；在過斷層后，斷層活化劇烈，頂板出現“隨采隨斷”的現象。在實際開采過程中要加強頂板的支護。

3.2 下行工作面過斷層頂板應力變化規律

對工作面推近過程及過F2斷層過程中的1～5應力測點數據進行整理分析，繪制如圖2所示的應力變化折線。

圖2 過程中頂板應力變化折線圖

根據圖2所示，在推采下層煤時頂板所受的應力有一定的規律性。具體來說，在工作面開采初期，應力測點均未發生變化，這是因為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。當工作面推進到33cm時，測點1發生應力變化，隨后不斷上升，在推進到40cm時，其應力達到峰值，接著隨工作面的推進，應力數值不斷降低，并在工作面推進到53cm左右時，應力由正值轉為負值。分析原因，這是因為工作面此時推過測點1，測點1伴隨覆巖垮落并隨之失效。測點2整體的變化規律同測點1基本相同，均是在受到支承壓力影響后不斷上升，達到峰值后又逐漸降低，并在工作面推過測點后失效。從測點1、2可以看出應力達峰值都高于其他幾個測點，這主要是由于斷層的“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3～5的應力變化規律也基本相同，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。將測點3～5與測點1～2對比發現，兩者主要存在兩點不同：（1）處于斷層下盤的測點3～5并沒有呈現出斷層上盤測點1～2中類似的應力峰值升高或者降低的規律。這主要是由于隨著工作面推過F2斷層，斷層的應力“阻隔”及“屏障”作用消失，因此其峰值基本大小一致。（2）上盤測點3～5應力峰值明顯小于斷層下盤測點1～2應力峰值。這主要是因為斷層下盤巖層覆巖垮落明顯，其對應力具有一定的吸附作用，同時下盤垮落巖層與斷層下界面離層裂隙較大，造成了應力傳遞的不連續性，因此其應力值要小于下盤應力值。

4 結論

（1）在過F2斷層整個過程中，過斷層后開采對頂板的影響最大。在過斷層前，斷層活化程度較小，基本保持穩定；在過斷層期間，斷層并沒有發生向下滑移的現象，這可能是在開采上層煤時，對斷層進行了注漿處理，加強了斷層的強度；在過斷層后，斷層活化劇烈，頂板出現“隨采隨斷”的現象。在實際開采期間，過斷層前可以對斷層進行預注漿處理，過斷層后要加強對頂板的支護。

（2）工作面推進過程中頂板應力規律如下：隨著工作面的推進，頂板應力先增加后減小直至變為負值失去作用。由于斷層的 “阻隔”、“屏障”作用，越接近斷層應力越集中。