下保護層開采擾動斷層區覆巖應力及 滑移變形規律研究*

田燚，舒仕海，王維建，任建軍，阮毅，王玉麗

(興義民族師范學院 物理與工程技術學院， 貴州 興義市 562400)

礦井斷層是開采地質條件中的重要因素。礦井斷層對于煤礦井型設計和煤層開采的選擇至關重要，還對煤礦沖擊地壓、煤與瓦斯突出、圍巖變形有著重要的影響。針對斷層附近應力及覆巖位移變形規律，很多學者做了大量的理論與試驗研究。韓科明等基于關鍵層理論，建立了斷層上下盤活化力學模型并推導出開采斷層上下盤失穩判據[1]。于秋鴿等運用數學分析與數值模擬研究了斷層滑移力學模型與斷層面應力[2]。李志華得出了斷層面正、剪應力變化與斷層活化規律[3]。張寧博等運用數學建模建立了斷層失穩多滑塊-彈簧力學模型，提出逆沖斷層的沖擊礦壓防治技術[4]。朱廣安等推導出了斷層面剪切應力與正應力的數學公式[5]。姜耀東等發現煤巖軸向荷載與砂巖-煤組合結構滑動形式呈相關性[6]。王濤等得出斷層活化時，正應力與剪切應力迅速增加，由于工作面煤體局部失效引起斷層滑移[7]。潘一山運用實驗室相似模擬試驗，發現斷層受到工作面開采擾動作用明顯，斷層滑移后，斷層滑移速度與滑移量快速增加[8]。對于斷層失穩與應力規律，學者多關注于斷層整體變化，但對煤層開采擾動斷層不同部位應力變化表現出不同的反應研究較少[9-20]。鑒于此，本文通過相似模擬試驗，研究了斷層不同部位的應力變化及斷層滑移失穩情況。

1 工程概況

貴州陽箐煤礦位于百納向斜西翼北端翼部，礦區總體呈一單斜構造。礦區范圍內斷層構造發育，地質條件復雜。礦井為煤與瓦斯突出礦井，且為煤層群開采，煤層間距為3～57 m，其二采區10煤層埋深597 m，平均厚度2.0 m，煤層傾角8°。10煤層距上部6煤層33.7 m，6煤層局部可采且時見落差較小的斷層穿過，開采地質條件復雜，故優先開采10煤層作為下保護層開采。采區內21001工作面推進約620 m發現F8斷層貫穿6煤層，其落差為4 m、傾向59°、傾角45°。F8斷層在10煤層頂板上方15.2 m處尖滅，10煤層工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 10煤層工作面巷道布置

2 物理相似模擬試驗

2.1 相似材料相似比

綜合考慮現場地質條件及試驗影響因素，精選與模型參數一致的配比，取相似模擬試驗的幾何相似比為 1∶100，容重相似比為 1∶1.6，應力相似比為1∶160。試驗模型材料配比見表1。

2.2 試驗測點布置

模型試驗運用相似模擬試驗架，長×寬×高為3.0 m×0.3 m×1.8 m。根據試驗模型物理尺寸，在斷層面底部、中部和頂部不同位置處設置A、B、C應力觀測點。針對斷層面應力測點布置提出斷層面正應力與剪切應力觀測方法，各測點埋設應力盒時，一個應力盒與斷層面平行，另一個應力盒與煤層走向平行。對于斷層面正應力值，可通過平行于斷層面的應力盒測取，而斷層面剪應力則需間接求取，在開采盤沿著斷層面線為對角線取微元體，微元體內部再取三角微元abc，斷層面應力觀測如圖2所示。該微元極小，各邊受到的應力可視為均布荷載，由豎直方向力系平衡方程∑M=0，可得：

式中，Lbc為bc邊長度；Lab為ab邊長度；P1為ab邊所受應力；τ為微元剪應力；σ為微元正應力；α為斷層傾角。

表1 材料配比

由于頂板斷層傾角為45°，代入式（1）中，則斷層面剪應力可按式（2）求取：

同時在斷層上下盤附近布設位移測點，觀測斷層面的滑移量，物理模型各位移測點布置及地質柱狀圖如圖3所示。

圖2 斷層面應力觀測示意

3 試驗結果與分析

3.1 下保護層開采斷層面應力變化規律

下保護層工作面接近至遠離斷層過程中，斷層不同部位應力變化和應力觀測點布置如圖3所示。工作面接近至遠離斷層過程中，斷層面應力變化大致可分為3個階段。

（1）工作面推進至距離頂板斷層40 m，即斷層受下保護層工作面采動影響微弱階段，一方面，從工作面開切眼至距離頂板斷層40 m過程中，斷層正應力、剪應力逐步上升，應力增長幅度較小，此過程中工作面對斷層影響較弱；另一方面，斷層正應力與剪應力比值能直觀反映出斷層不同部位對采動敏感變化程度，如圖4（a）所示，工作面推進過程中，由于斷層頂部C測點處距離工作面最近，正應力與剪應力比值變化下降最快，斷層頂部最先受到工作面采動影響。

（2）工作面推進至距離頂板斷層40～0 m過程中，即斷層受下保護層工作面采動影響劇烈階段，工作面不斷接近頂板斷層，斷層不同部位應力大幅度上升，斷層底部A測點部位剪應力受采動工作面影響強烈，在工作面距離頂板斷層0 m處達到峰值；此過程中，上覆巖層受采動工作面影響斷裂垮落，引起頂板斷層附近煤巖體破碎，形成斷層帶，在采動與斷層耦合作用下，引起斷層活化，當工作面推進至距斷層0 m時，斷層面正應力與剪應力比值趨于3，斷層活化最為活躍。

（3）工作面過斷層，即斷層受下保護層工作面采動影響減弱階段，隨著工作面逐步遠離斷層，采空區覆巖逐漸冒落壓實，斷層底部、中部A、B測點進入斷層帶，應力釋放；如圖4（b）所示，斷層頂部C測點處由于剪應力釋放，在工作面遠離斷層20 m后正應力與剪應力比值出現大幅度回升。

圖3 位移測點布置及地質柱狀圖

圖4 斷層面應力變化

3.2 下保護層開采斷層面滑移量

為表述斷層滑移量，選取斷層上下盤上、中、下不同位置測點滑移量，得到斷層滑移量變化如圖5所示，在工作面推進至距離斷層80～40 m過程中，由于斷層下盤頂部距離采動工作面較近而先出現滑移。斷層下盤較上盤滑移明顯，滑移量更大；在采動工作面推進至距離斷層40～0 m過程中，斷層下盤在采動工作面作用下，剪應力大幅度增大，斷層下盤滑移迅速增加，而上盤滑移在工作面推進至距離斷層約20 m時，滑移量開始迅速上升。工作面推進至斷層正、下方時，斷層上、下盤滑移量分別升至396 mm及805 mm，斷層上、下盤滑移不同 步，下盤滑移更明顯；當工作面過斷層20 m時，由于斷層附近巖體的逐步垮落，斷層上盤滑移隨著工作面推進快速上升至785 mm，而在此過程中，斷層下盤附近巖體垮落壓實導致斷層下盤滑移相對快速減緩；隨著工作面過斷層40 m，斷層附近上覆巖層垮落壓實，斷層受采動影響逐步減弱，斷層上下盤滑移量逐步穩定。整個開采階段的滑移曲線呈現“瀑布”狀分布。

圖5 工作面推進不同距離斷層滑移變化

3 結論

（1）下保護層開采對頂板斷層不同部位應力擾動呈分區性，依次為頂部、中部、底部。斷層面應力變化大致可分為3個階段：斷層距離采動工作面大于40 m，斷層受工作面影響微弱階段；斷層距離工作面40～0 m，斷層受工作面影響劇烈階段；工作面過斷層，斷層受工作面影響減弱階段。

（2）工作面由斷層下盤向上盤推進，斷層下盤滑移量大于斷層上盤，上、下盤滑移不同步；工作面推進至距離斷層20 m時斷層滑移速率大幅上升，工作面過斷層40 m后，斷層滑移逐步穩定。整個開采階段的斷層滑移曲線呈現“瀑布”狀分布。