斷層滑動(dòng)對(duì)采動(dòng)壓力的影響及斷層影響研究

劉曉龍

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

斷層滑動(dòng)主要是指煤炭工業(yè)中由于長(zhǎng)壁板的抽采而引起的一種突然而強(qiáng)烈的斷層滑動(dòng)，這種滑動(dòng)會(huì)對(duì)巷道造成重大破壞。因此，研究斷層滑動(dòng)的預(yù)測(cè)是一項(xiàng)重要的安全問(wèn)題。

文獻(xiàn)[1]采用了高分辨率地震反射技術(shù)來(lái)構(gòu)造斷層的成像和映射定位煤礦斷層。在作業(yè)中，從地震剖面中探測(cè)和解釋了幾條斷層，并估算了斷層的位移，從而在斷裂帶內(nèi)設(shè)計(jì)出更安全、更高產(chǎn)的煤礦。文獻(xiàn)[2]利用地質(zhì)建模軟件對(duì)多個(gè)煤層和多個(gè)逆斷層進(jìn)行了計(jì)算機(jī)制圖，對(duì)煤礦開(kāi)采中的斷層進(jìn)行有效的制圖。文獻(xiàn)[3]用各種方法進(jìn)行了一系列的研究來(lái)模擬斷層滑動(dòng)的影響。

在分析斷層活化機(jī)制，預(yù)測(cè)采礦活動(dòng)引起的斷層滑動(dòng)，開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。然而，針對(duì)多斷層結(jié)構(gòu)對(duì)采動(dòng)壓力的影響的研究較少。本文從這個(gè)角度出發(fā)建立了兩種斷層構(gòu)造的物理模型，對(duì)未受影響帶和受斷層影響帶采動(dòng)壓力進(jìn)行了研究。

1 物理建模及其步驟

1.1 物理建模

要建立模型，首先要滿足彈性和相似性理論[4]。因此，模型的幾何形狀、材料的強(qiáng)度和密度應(yīng)滿足以下方程[5]:

式中：CL，Cσ和Cρ分別為模型幾何形狀、材料強(qiáng)度和密度的相似系數(shù)。這些參數(shù)可以通過(guò)式（2）來(lái)獲得。

式中：LP，σP，ρP分別表示模型的幾何形狀、強(qiáng)度和密度。如果系數(shù)Cσ和CL可知，則系數(shù)Cρ可由方程（1）（2）求得。需要注意的是，這三個(gè)系數(shù)都是無(wú)量綱參數(shù)。

1.2 物理模型的建立

建立長(zhǎng)4.2 m、高1.5 m、厚0.25 m的物理模型，如下頁(yè)圖1所示。相似系數(shù)CL設(shè)置為200。根據(jù)砂、石膏、石灰粉混合料質(zhì)量經(jīng)驗(yàn)值，相似系數(shù)Cρ設(shè)為1.2~1.7，在本研究中，設(shè)置為1.5。由式（1）可計(jì)算出相似系數(shù)Cσ為300，不同巖層的砂、石灰粉、石膏混合料比例如表1所示。

表1 不同巖層的砂、石灰粉和石膏的混合比例

為了獲得斷層滑動(dòng)，需要在物理模型周?chē)O(shè)置邊界條件[6-7]。在模型的頂部，施加豎向荷載來(lái)模擬覆蓋層重量。掘進(jìn)方向?yàn)槟Ｐ蛷淖笙蛴遥蜻M(jìn)步驟為5 cm。因此，為了減少邊界效應(yīng)，在模型的左右邊界保留兩個(gè)寬度為40 cm的柱子，如下頁(yè)圖1所示。

由于難以模擬地質(zhì)演化和斷層形成，在建立物理模型時(shí)，F(xiàn)36和F37斷層自下而上逐步形成。圖1-2為物理模型中斷層構(gòu)造過(guò)程示意圖。

1.3 監(jiān)測(cè)方案

在物理模型中監(jiān)測(cè)應(yīng)力和變形。如圖1-1所示，應(yīng)變傳感器檢測(cè)煤層開(kāi)采過(guò)程中的應(yīng)力變化。斷層F37前有13個(gè)傳感器。傳感器之間的間距為15 cm。根據(jù)應(yīng)變傳感器的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，將傳感器的應(yīng)變變化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力變化數(shù)據(jù)（圖2）。

圖1 物理模型及故障構(gòu)造示意圖

圖2 應(yīng)變傳感器的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

2.1 上覆巖層移動(dòng)特征

在煤層開(kāi)采過(guò)程中，可以看到未受影響帶和斷層影響帶。第一次頂板冒落跨度約為45 cm。未受影響帶頂板周期性崩落跨度約為15 cm，斷層影響帶頂板周期性崩落跨度約10 cm，利用1.3節(jié)的應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確確定這兩個(gè)區(qū)域之間的邊界。F37-F36斷裂間的周期性頂板垮落跨度為10~15 cm，表明該區(qū)頂板巖層裂隙擴(kuò)展嚴(yán)重。

2.2 斷層運(yùn)動(dòng)特征

圖3為煤礦開(kāi)采過(guò)程中上覆巖層移動(dòng)的典型圖像，3-1是為第14次主冒頂周期性崩落，上覆巖層嚴(yán)重坍塌，斷層滑動(dòng)嚴(yán)重；3-2為第16期周期性主冒落和斷層滑動(dòng)；3-3為斷層滑動(dòng)。

從圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)到距離F37斷層115 cm位置時(shí)，F(xiàn)37斷層對(duì)煤層的回采開(kāi)始產(chǎn)生輕微的響應(yīng)。當(dāng)距離F37斷層20 cm時(shí)，F(xiàn)37斷層發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)。

圖3 上覆巖層移動(dòng)的典型圖像

2.3 采動(dòng)壓力分布

2.3.1 確定不受影響帶和受斷層影響帶之間的邊界

由于斷層活動(dòng)是由開(kāi)采活動(dòng)引起的，煤層的開(kāi)采是主導(dǎo)因素，采動(dòng)壓力在正常和斷層影響帶的特征會(huì)有所不同。下頁(yè)圖4為1-13號(hào)傳感器在工作面推進(jìn)過(guò)程中檢測(cè)到的一系列應(yīng)變變化曲線。當(dāng)工作面與F37斷層距離達(dá)到115 cm時(shí)，采動(dòng)壓力變化顯著。應(yīng)力曲線在受斷層影響帶呈現(xiàn)出劇烈的波動(dòng)（圖4-2），而在未受斷層影響帶則相對(duì)穩(wěn)定（圖4-1）。該邊界應(yīng)與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的采動(dòng)斷層滑動(dòng)起始位置一致。因此，不受影響帶和受斷層影響帶之間的邊界確定為距離F37斷層115 cm。

圖4 1-13號(hào)傳感器探測(cè)工作面推進(jìn)過(guò)程中的應(yīng)變變化曲線

2.3.2 未受影響區(qū)采動(dòng)壓力

下頁(yè)圖5為1-3號(hào)傳感器在未受影響區(qū)監(jiān)測(cè)時(shí)間下采動(dòng)應(yīng)力的變化規(guī)律。開(kāi)始時(shí)應(yīng)力較低，在工作面前方某一時(shí)刻應(yīng)力急劇增大。圖6為1號(hào)傳感器采動(dòng)應(yīng)力隨工作面距離的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在試驗(yàn)尺度（原型尺度10 m）下，支承應(yīng)力在工作面前方5 cm處達(dá)到峰值。影響帶長(zhǎng)度約為長(zhǎng)壁工作面前15 cm（原型尺度下為30 m）。這些結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中觀察到的采動(dòng)壓力一致。

圖5 煤層開(kāi)采時(shí)采動(dòng)壓力在不受影響帶和受斷層影響帶的分布

圖6 1號(hào)傳感器采動(dòng)壓力隨離工作面距離在不受影響區(qū)域的分布

2.3.3 斷層影響帶采動(dòng)壓力

圖5為斷層影響帶8-11號(hào)傳感器采動(dòng)壓力分布圖。對(duì)比未受影響帶和斷層影響帶的傳感器，斷層影響帶采動(dòng)壓力最大值比未受影響帶大26%。以11號(hào)傳感器為例如圖7所示變化。由于上覆巖層的壓實(shí)作用，在頂板坍塌前會(huì)出現(xiàn)輕微和逐漸增加的階段。頂板連續(xù)冒落會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力逐漸減小，斷層粘滯和斷層滑移交替發(fā)生是采動(dòng)壓力急劇上升和隨后穩(wěn)定階段的主要原因。因此，應(yīng)力的急劇增加和隨后的穩(wěn)定可以作為斷層滑動(dòng)的前兆信息。

圖7 斷層滑動(dòng)過(guò)程及其前兆解釋

2.4 上覆巖層變形特征

圖8為F37斷層周?chē)?個(gè)監(jiān)測(cè)站的斷層位移結(jié)果（圖1-1）。結(jié)果表明，在斷層滑動(dòng)發(fā)生前，監(jiān)測(cè)站的位移有一個(gè)穩(wěn)定的增加階段。這一階段也可以作為斷層滑動(dòng)的前兆信息。下頁(yè)圖9為斷層滑動(dòng)前后物理模型的位移等值線。需要注意的是，當(dāng)斷層滑動(dòng)發(fā)生時(shí)，頂板巖層的位移急劇增加。

圖8 斷層F37附近監(jiān)測(cè)站的位移結(jié)果

圖9 斷層滑動(dòng)前后物理模型的位移等值線

3 結(jié)論

采用斷裂構(gòu)造存在時(shí)的物理模擬方法，研究了上覆巖層的坍塌特征及未受影響帶和受斷層影響帶的采動(dòng)壓力。得出的主要結(jié)論總結(jié)如下:

1）在地下開(kāi)采中，斷層等不良地質(zhì)條件的存在會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致巖石損傷的擴(kuò)大和事故的發(fā)生。由于開(kāi)采活動(dòng)和斷層滑動(dòng)的共同作用，斷層影響帶的采動(dòng)壓力和巖體損傷程度大于未受影響帶。

2）應(yīng)力的急劇增加和隨后的穩(wěn)定或位移的穩(wěn)定增加可作為斷層滑動(dòng)的前兆信息。