大断层下盘采动对上盘煤层影响的相似材料模拟

刘江波 王亚博 王怀远 陈绍杰

(1.山东科技大学资源与环境工程学院，山东青岛266590;2.矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地，山东青岛266590)

在煤矿生产过程中，断层等地质构造的存在使得大量煤炭资源难以正常开采，造成资源的呆滞浪费［1-2］。断层不仅会影响工作面开采导水裂缝带高度发育［3］，同时对采动岩体移动也具有明显的断层效应［4］。工作面开采会引起区域内断层位移的变化，造成断层的滑移失稳［5-6］;改变断层附近应力场分布，引起断层的“活化”［7-9］，并进一步引发矿井灾害。研究断层附近煤层安全开采技术以及煤层采动的影响［10］，得出相应的应力场分布规律和岩层变形特征，对于煤矿安全生产、高产高效、延长矿井服务年限具有重大的意义。

本研究针对运河煤矿F10逆断层下盘厚煤层实际开采条件，采用相似材料模拟试验的方法，研究下盘煤层开采后断层及上盘区域煤层变形及应力变化特征，为类似条件下煤层安全开采提供参考。

1 工程背景

运河煤矿首采区3煤层位于山西组中下部，厚度6.89～10.24 m，煤层厚度变化小且具有一定规律，结构简单，一般不含夹矸，属于稳定煤层。3煤层下距太原组三灰弱含水层约60 m。

首采区北部边界的F10断层为不导水逆断层，走向近东西，倾向近北，倾角45°，落差60～265 m，属较可靠～可靠断层。断层下盘煤层倾角平均5°、厚度7.5 m，上盘倾角平均15°、厚度6.38 m。断层上盘区域北部为DF14正断层，走向北西西转东西，倾向北北东转北，倾角70°，落差10～35 m，属可靠断层。

1304工作面位于F10大断层下盘，其上部分被上盘煤层覆盖，F10大断层及其与上下盘煤层关系如图1所示。工作面斜长180 m，开采厚度7.5 m，煤层倾角平均5°，工作面标高－480～－520 m。煤层顶板主要为粉砂岩，少部分中、细砂岩，底板为泥岩或粉砂岩。采用综采放顶煤方法采煤。1304工作面开采后，其上覆岩层垮落、裂缝发育，采场应力重新分布，其附近F10断层及上盘区域岩层应力分布发生变化，上盘区域煤层会出现位移变形。

图1 1304工作面及F10断层位置示意Fig.1 Position of 1304 working face and F10 fault

2 大断层下盘煤层开采相似材料模拟

2.1 试验方案

本次试验模拟范围为－280～－550 m水平的F10断层下盘1304工作面以及上盘煤层区域(如图2所示)。根据模型架尺寸和工程原型范围，确定模型几何相似比为1∶200，时间相似比为1∶14，应力相似比为1∶300。模型在平面模型架上铺设，模型架尺寸为长×宽×高=300 cm×40 cm×180 cm，模拟实际长度为600 m，高度为360 m。为简化铺设过程，下盘煤层水平铺设。未模拟到的上覆岩层，通过模型上方的液压千斤顶加压来实现垂直应力补偿。

图2 模型铺设及测点布置Fig.2 Laying of model and measuring point arrangementⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ—水平测线;1～20—垂直位移观测点;1#～13#—压力传感器

试验选取的相似材料为沙子、碳酸钙、石膏、云母粉和水。相似材料试验要求模型与原型之间作用力保持相似，根据相似模型的应力相似比和室内实验测定的原岩强度，调整相似材料配比，直到相似材料强度达到要求。本次试验材料配比见表1。

表1 相似材料强度及配比Table 1 Strength and ratio of the similar material

2.2 试验过程

首先将模型按照设计要求铺设。铺设过程中，在预设位置布设传感器(1304工作面上方1#～4#，F10断层下盘侧1304工作面东侧实体煤上方5#、6#、7#，F10断层上盘侧煤层下方 8#、9#、10#，DF14断层西侧 11#、12#、13#)，用于监测工作面开采过程中岩层应力变化情况，模型铺设效果如图3所示。模型铺设完毕后，在模型表面布设5条水平测线，以观测1304工作面开采断层及上盘岩层垂直位移变化情况，观测点如图2所示。试验前，将压力传感器进行调平设置。准备工作完成后，开始试验。

图3 模型实物Fig.3 Practicality model

1304工作面斜长180 m，由于模拟的是倾斜方向，在试验时，把距离模型左侧57 cm至147 cm范围内的1304工作面一次开采完毕，开采后模型图见图4。工作面开挖前后，压力传感器实时采样，记录岩层应力的变化过程;对位移测点进行定期观测，记录采动后断层及上盘岩层的位移变化。应力监测和位移观测直至采动上覆岩层稳定后结束。

3 下盘煤层采动上盘煤层受力影响

1304工作面开采后，断层附近岩层以及上盘区域煤岩应力变化情况如图5～图8所示。

图4 模型开采完毕Fig.4 Model after mined

图 5 1#、2#、3#、4#传感器压力变化曲线Fig.5 Pressure curves of 1#、2#、3#、4#□—1#点;●—2#点;▲—3#点;○—4#点

图 6 5#、6#、7#传感器压力变化曲线Fig.6 Pressure curves of 5#、6#、7#▲—5#点;●—6#点;□—7#点

图 7 8#、9#、10#传感器压力变化曲线Fig.7 Pressure curves of 8#、9#、10#□—8#点;▲—9#点;◆—10#点

图5 是1304工作面上方覆岩的压力传感器受力变化情况。可以看出，开始时传感器压力值保持不变或略有增大，一段时间后，传感器压力值出现大幅度的减小(1#传感器的最小压力达到－0.04 MPa，2#传感器最小压力达到 －0.05 MPa，3#、4#传感器最小压力均达到－0.06 MPa)，并趋于稳定。说明1304工作面开挖初期在此区域有暂时的应力集中;随着工作面开挖完成，顶板垮落、开裂、弯曲下沉，覆岩重力向工作面两侧转移，传感器所在区域岩层压力减小。

图 8 11#、12#、13#传感器压力变化曲线Fig.8 Pressure curves of 11#、12#、13#●—11#点;◆—12#点;□—13#点

图6 为F10断层下盘侧1304工作面东侧实体煤上方传感器测得的压力变化曲线。初始时传感器压力值读数较小，待工作面开采完成后，传感器压力值均有所增加。1304工作面开采后覆岩重力向两侧转移，作用在传感器布置区域，使得此区域覆岩应力增大。由于传感器位于F10断层下方，下面有实体煤支承，传感器压力值增大尚不足以说明1304工作面开采对F10断层的影响。

图7为F10断层上盘侧煤层下方传感器测得的压力变化曲线。在工作面开采初期，传感器压力值没有变化，随着时间推移，压力值出现微小幅度的增长。

图8是位于F10断层上盘区域北部DF14断层西侧传感器测得的压力变化曲线。在工作面开采初期，采空区覆岩运动尚未影响到DF14断层附近，传感器压力值保持不变;随着时间的推移，采空区覆岩运动逐渐发展，开采影响区域逐渐增大，影响到传感器布设区域，传感器压力值升高。虽然距离1304工作面较远，但由于F10断层的影响和DF14断层的存在，该区域仍能受到工作面开采的影响。

从 5#、6#、7#和 8#、9#、10#这 2 组传感器的空间位置关系分析，两者同处于1304工作面开采后形成的“压力拱”，监测到的压力值应该相近，但由于F10断层的存在，使得2组传感器压力值出现较大差别，说明F10断层对上下盘间的压力有隔断作用，在断层附近必然会产生应力集中。

从上盘煤层受力变化情况看，1304工作面开采后，上覆岩层重力向工作面两侧转移，F10断层附近压力增大;工作面开采对F10断层附近应力分布影响较大，断层下盘侧压力远大于上盘侧，在断层附近产生应力集中;断层上盘煤层应力分布受工作面开采影响较小，煤层的性质不会发生大的变化;1304工作面开采对距离较远的DF14断层也存在一定程度的影响。

4 下盘煤层采动上盘煤层变形影响

1304工作面开采覆岩运动稳定后，上盘煤层下沉量观测结果如图9所示。

图9 上盘煤层下沉量Fig.9 Sinkage of hanging wall coal seam

由下沉量观测结果可以看出，1304工作面开采后，采空区上方岩层垮落、开裂、弯曲下沉，岩层的下沉量从下往上逐渐变小;断层上盘煤层靠近F10断层一侧下沉量比较小(最大为0.8 mm，模拟实际工程中0.16 m)，而靠近DF14断层一侧煤层则几乎没有下沉，DF14断层附近岩层下沉量为0。

从上盘煤层下沉变形来看，1304工作面开采后，煤层向F10断层发生了轻微的“倾斜”，F10断层及上盘煤层变形量比较小，上盘区域煤岩的性质不会发生大的变化，对上盘煤层的开采影响不大。

5 结论

(1)根据相似材料模拟试验结果，1304工作面开采后，采空区上覆岩层重力向两侧转移，F10断层附近应力增大。

(2)1304工作面开采对F10断层附近应力分布有着较大的影响:断层下盘压力远大于上盘侧压力，断层附近产生应力集中，上盘煤层开采时要注意避开应力集中区。

(3)1304工作面开采对F10断层及上盘煤层在位移变形上影响很轻微，对上盘煤层应力分布影响也很小，煤岩性质不会发生大的变化，对煤层开采的影响不大。

(4)F10断层的影响和DF14断层的存在，使得距离采动区域较远的DF14断层区域也受到1304工作面开采的轻微影响。

［1］ 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［S］.北京:煤炭工业出版社，2000.State Bureau of Coal Industry.Mining Regulations Coal Pillar and Coal of Buildings，Water，Railway and Main Roadway［S］.Beijing:China Coal Industry Press，2000.

［2］ 秦忠诚.构造复杂煤层开采［M］.北京:煤炭工业出版社，2009.Qin Zhongcheng.Complex Coal Seam Mining［M］.Beijing:China Coal Industry Press，2009.

［3］ 曾先贵，李文平，李洪亮，等.综放开采近断层导水断裂带发育规律研究［J］.采矿与安全工程学报，2006，23(3):306-310.Zeng Xiangui，Li Wenping，Li Hongliang，et al.Development rule of height of water conducted zone near fault with fully mechanized topcoal caving［J］.Journal of Mining and Safety Engineering，2006，23(3):306-310.

［4］ 赵海军，马凤山，李国庆，等.断层上下盘开挖引起岩移的断层效应［J］.岩土工程学报，2008，30(9):1372-1375.Zhao Haijun，Ma Fengshan，Li Guoqing，et al.Fault effect due to underground excavation in hanging walls and footwalls of faults［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30(9):1372-1375.

［5］ 李志华，窦林名，曹安业，等.采动影响下断层滑移诱发煤岩冲击机理［J］. 煤炭学报，2011，36(S1):68-73.Li Zhihua，Dou Linming，Cao Anye，et al.Mechanism of fault slip induced rockburst during mining［J］.Journal of China Coal Society，2011，36(S1):68-73.

［6］ 左建平，陈忠辉，王怀文，等.深部煤矿采动诱发断层活动规律［J］. 煤炭学报，2009，34(3):305-309.Zuo Jianping，Chen Zhonghui，Wang Huaiwen，et al.Experimental investigation on fault activation pattern under deep mining［J］.Journal of China Coal Society，2009，34(3):305-309.

［7］ 李青锋，王卫军，彭文庆，等.断层采动活化对南方煤矿岩溶突水影响研究［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(S1):3417-3424.Li Qingfeng，Wang Weijun，Peng Wenqing，et al.Influence of activation fault after coal extraction on coal mine karst water-inrush［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(S1):3417-3424.

［8］ 卢兴利，刘泉声，吴昌勇，等.断层破裂带附近采场采动效应的流固耦合分析［J］. 岩土力学，2009，30(S):165-168.Lu Xingli，Liu Quansheng，Wu Changyong，et al.Hydro-mechanical coupling analysis of mining effect around fault fractured zone［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30(S):165-168.

［9］ 姜耀东，王 涛，赵毅鑫，等.采动影响下断层活化规律的数值模拟研究［J］. 中国矿业大学学报，2013，42(1):1-5.Jiang Yaodong，Wang Tao，Zhao Yixin，et al.Numerical simulation of fault activation pattern induced by coal extraction［J］.Journal of China University of Mining and Technology，2013，42(1):1-5.

［10］ 白海波，茅献彪，吴 宇，等.高压奥灰水大型逆断层下盘煤层安全开采研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(2):246-252.Bai Haibo，Mao Xianbiao，Wu Yu，et al.Research on water-reserved minging with high water pressure under large-sale thrust-fault in ordovician karst［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(2):246-252.