礦物開(kāi)采引起的突發(fā)性斷層失穩(wěn)研究

葛志強(qiáng)

（山西寧武大運(yùn)華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

1 研究背景

斷層失穩(wěn)沖擊地壓是影響開(kāi)采的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。斷層被認(rèn)為是地殼的構(gòu)造斷裂，斷層平面一側(cè)相對(duì)于另一側(cè)發(fā)生水平、垂直或?qū)俏灰啤８鶕?jù)上盤和下盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向，可分為正斷層、倒斷層和走滑斷層。如果在壓縮作用下，上盤相對(duì)于下盤向上移動(dòng)，則故障類型為反向故障。由于逆斷層平面周圍應(yīng)力分布不規(guī)律，累積應(yīng)變能突然釋放，開(kāi)采活動(dòng)誘發(fā)的突發(fā)性強(qiáng)斷層滑移，可能會(huì)對(duì)井下的開(kāi)采量造成明顯的塌陷[1]。大多數(shù)由地殼運(yùn)動(dòng)不利或地下人類活動(dòng)引起的重大災(zāi)難性斷層滑動(dòng)都是沿著反向斷層發(fā)生。因此，斷層滑變的研究對(duì)維持地下礦物開(kāi)采的長(zhǎng)期安全生產(chǎn)具有重要意義。

由于斷層滑動(dòng)引起的構(gòu)造應(yīng)力不利條件下的深部開(kāi)采會(huì)導(dǎo)致突發(fā)性事件，為了全面認(rèn)識(shí)斷層滑動(dòng)，防止斷層失穩(wěn)沖擊地壓，人們做了大量的工作。例如，王濤等人的研究表明，采用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，通過(guò)數(shù)值模擬研究了開(kāi)采深度、摩擦角、膨脹角和斷層剛度對(duì)斷層滑動(dòng)的影響[2]。在不考慮斷層表面粗糙度和滑移弱化行為的情況下，進(jìn)一步定量分析了斷層滑移引起的崩塌程度。此外，郭玲莉等在一系列滑移實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了外部擾動(dòng)觸發(fā)斷層滑移事件的機(jī)理和閾值條件，指出初始應(yīng)力狀態(tài)對(duì)斷層滑移閾值條件有較大影響[3]。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地和模型

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

某103長(zhǎng)壁板運(yùn)輸巷道在開(kāi)采活動(dòng)的動(dòng)壓作用下運(yùn)行。根據(jù)該地質(zhì)條件，選擇該參數(shù)作為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地和物理模型原型。103長(zhǎng)壁板長(zhǎng)1 589 m，寬180 m，覆蓋層深度650 m。開(kāi)采高度約為4.0 m厚。根據(jù)地質(zhì)巖心測(cè)井，面板主頂為細(xì)砂巖，平均厚度5.4 m，單軸抗壓強(qiáng)度41.0 MPa。面板底板為泥巖，厚度約3.6 m。支助計(jì)劃開(kāi)列如下：

1）矩形形狀：4 500 mm×2 800 mm。

2）螺栓：Φ18 mm×1800 mm螺紋鋼筋螺栓與空間兩側(cè)墻體支撐700 mm×800 mm。Φ20 mm×2 500 mm螺紋鋼筋螺栓傾斜的空間屋面支架角度15°，800 mm×800 mm。

3）電纜：Φ18.96 mm×6 500 mm鋼絲電纜的空間屋面支架尺寸1 600 mm×2 000 mm。

通過(guò)鉆探和電磁輻射勘探，在103-長(zhǎng)壁盤區(qū)發(fā)現(xiàn)了I、II斷層。這兩個(gè)斷層都是反向斷層。這些主要的地質(zhì)構(gòu)造使煤層處于斷陷狀態(tài)，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。由于斷層的存在使巷道頂板和肋部受到削弱，曾多次發(fā)生過(guò)突發(fā)性、嚴(yán)重的頂板塌落。此外，由于采礦活動(dòng)和斷層活化引起的動(dòng)壓也對(duì)現(xiàn)有支護(hù)系統(tǒng)造成了破壞。

本研究在兩個(gè)故障之間建立了三個(gè)監(jiān)測(cè)站。在103-的運(yùn)輸巷道進(jìn)行了4次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)長(zhǎng)壁板。這些測(cè)試包括錨桿加載、頂板分離、巷道變形(包括兩側(cè)墻和頂?shù)装鍏R合點(diǎn))和工作面支護(hù)應(yīng)力。測(cè)試被記錄下來(lái)每日或在工作面前方約2 m處。這些試驗(yàn)站的布置如下頁(yè)圖1所示。在三站監(jiān)測(cè)了錨桿頂板荷載和巷道變形情況。1號(hào)和3號(hào)站觀測(cè)到頂板離層，監(jiān)測(cè)儀分別安裝在2 m和7 m的頂板鉆孔中。在回采工作面推進(jìn)過(guò)程中，對(duì)120支液壓支架進(jìn)行了回采工作面支架應(yīng)力觀測(cè)。

圖1 試驗(yàn)站布置圖

2.2 物理建模

考慮到成本昂貴和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，物理模型已被廣泛應(yīng)用于研究上覆巖層的移動(dòng)行為、礦物開(kāi)采引起的應(yīng)力分布和地表沉降。模擬了節(jié)理巖體在靜荷載和循環(huán)荷載作用下的淺孔行為。

本研究在二維平臺(tái)上建立了長(zhǎng)4.2 m、高1.5 m、厚0.25 m的物理模型，如圖2所示。在本研究中，幾何相似系數(shù)Cl設(shè)為200。根據(jù)砂的質(zhì)量經(jīng)驗(yàn)值，石膏和石灰粉混合物，密度相似系數(shù)CP設(shè)置為1.5[4-5]。壓力相似系數(shù)Cσ可以根據(jù)條件計(jì)算表1列出了沙子的比例，石灰粉和石膏對(duì)不同巖層的物理模型。斷層構(gòu)造是建立物理模型的關(guān)鍵過(guò)程。這兩個(gè)斷層都是在構(gòu)造物理模型時(shí)預(yù)先形成的。斷層面上放置一層云母粉，隔離上盤和下盤。

根據(jù)邊界條件，由于平臺(tái)的約束，左、右、底側(cè)均受到嚴(yán)格限制。采用豎向荷載（P=γH=20 MPa）模擬模型頂部覆巖重量[6-7]。在模型兩側(cè)保留兩個(gè)40 cm寬的柱子，以減小邊界效應(yīng)（見(jiàn)圖2）。

圖2 物理模型示意圖、采礦示意圖、應(yīng)力監(jiān)測(cè)示意圖

此外，通過(guò)應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)應(yīng)力，應(yīng)變按應(yīng)力-應(yīng)變線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為應(yīng)力（如圖2所示）。在物理模型中，在4-1#煤層上方40 cm的頂板放置22個(gè)應(yīng)變傳感器。故障1左側(cè)有13個(gè)傳感器，故障1和故障2之間有9個(gè)傳感器埋于頂板。兩個(gè)傳感器之間的間距為15 cm。在這里，需要注意的是，在之前的研究中討論了1號(hào)斷層左側(cè)的13個(gè)傳感器所觀測(cè)到的應(yīng)力特征。本研究主要針對(duì)9個(gè)傳感器在1-2故障之間的應(yīng)力數(shù)據(jù)，這些傳感器被命名為1-9號(hào)。32 cm-2b的靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)與監(jiān)控渠道和最低的能力監(jiān)控間隔5 s應(yīng)用于記錄的應(yīng)變信號(hào)（見(jiàn)圖2）。應(yīng)變傳感器的信號(hào)處理后靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)，煤炭開(kāi)采的影響在斷層附近的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。

從左到右每隔5 cm模擬一次采煤。每次開(kāi)挖設(shè)置模型時(shí)間為2 min。隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層出現(xiàn)了裂隙擴(kuò)展、頂板離層、突然加重和斷層滑移等宏觀演化特征。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 工作面仿真支護(hù)應(yīng)力

對(duì)120個(gè)液壓支架的前柱進(jìn)行了應(yīng)力分析。圖3為工作面支護(hù)應(yīng)力的三維分布。結(jié)果表明，當(dāng)工作面位于斷層I左側(cè)時(shí)，支護(hù)應(yīng)力相對(duì)較低，且保持不變；當(dāng)工作面位于斷層I與斷層II之間時(shí)，支護(hù)應(yīng)力急劇增大。此外，當(dāng)工作面位于這兩條斷層之間時(shí)，支護(hù)應(yīng)力波動(dòng)較大。

圖3 120個(gè)不同采動(dòng)位置的液壓支架上得到了三維的采動(dòng)支架應(yīng)力分布

3.2 斷層引起的應(yīng)力突變

圖4為采礦工作面推進(jìn)過(guò)程中應(yīng)變率的突變。從圖4可以看出，所有4個(gè)傳感器的應(yīng)變速率幾乎保持恒定。然而，幾個(gè)急劇的變化在煤層開(kāi)采過(guò)程中明顯可見(jiàn)。應(yīng)變傳感器在斷層影響區(qū)內(nèi)的應(yīng)變速率大于其他區(qū)域的應(yīng)變速率，在斷層I附近的應(yīng)變速率大于斷層II附近的應(yīng)變速率。應(yīng)變率變化最劇烈的區(qū)域位于采礦工作面前方5 cm（原型尺度為10 m）處。結(jié)果表明，采煤活動(dòng)是引起應(yīng)力劇烈變化的主要因素。

圖4 采礦工作面推進(jìn)過(guò)程中應(yīng)變率的突變

4 結(jié)論

為確保礦物開(kāi)采活動(dòng)擾動(dòng)下存在雙斷層構(gòu)造的安全問(wèn)題，對(duì)雙斷層影響帶周圍的突發(fā)性應(yīng)力變化進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和物理模擬研究。雖然在開(kāi)采過(guò)程中，應(yīng)變率在大部分時(shí)間內(nèi)保持不變，但也出現(xiàn)了明顯的急劇變化。從相對(duì)較低的應(yīng)變速率到突變速率可以確定為斷層滑移的前兆。此外，應(yīng)重視采空區(qū)上部覆巖在兩大斷層之間的移動(dòng)，巖層突發(fā)性賦權(quán)和頂板塌陷會(huì)引起應(yīng)力的急劇變化。