下保护层开采扰动断层区覆岩应力及 滑移变形规律研究*

田燚，舒仕海，王维建，任建军，阮毅，王玉丽

(兴义民族师范学院 物理与工程技术学院， 贵州 兴义市 562400)

矿井断层是开采地质条件中的重要因素。矿井断层对于煤矿井型设计和煤层开采的选择至关重要，还对煤矿冲击地压、煤与瓦斯突出、围岩变形有着重要的影响。针对断层附近应力及覆岩位移变形规律，很多学者做了大量的理论与试验研究。韩科明等基于关键层理论，建立了断层上下盘活化力学模型并推导出开采断层上下盘失稳判据[1]。于秋鸽等运用数学分析与数值模拟研究了断层滑移力学模型与断层面应力[2]。李志华得出了断层面正、剪应力变化与断层活化规律[3]。张宁博等运用数学建模建立了断层失稳多滑块-弹簧力学模型，提出逆冲断层的冲击矿压防治技术[4]。朱广安等推导出了断层面剪切应力与正应力的数学公式[5]。姜耀东等发现煤岩轴向荷载与砂岩-煤组合结构滑动形式呈相关性[6]。王涛等得出断层活化时，正应力与剪切应力迅速增加，由于工作面煤体局部失效引起断层滑移[7]。潘一山运用实验室相似模拟试验，发现断层受到工作面开采扰动作用明显，断层滑移后，断层滑移速度与滑移量快速增加[8]。对于断层失稳与应力规律，学者多关注于断层整体变化，但对煤层开采扰动断层不同部位应力变化表现出不同的反应研究较少[9-20]。鉴于此，本文通过相似模拟试验，研究了断层不同部位的应力变化及断层滑移失稳情况。

1 工程概况

贵州阳箐煤矿位于百纳向斜西翼北端翼部，矿区总体呈一单斜构造。矿区范围内断层构造发育，地质条件复杂。矿井为煤与瓦斯突出矿井，且为煤层群开采，煤层间距为3～57 m，其二采区10煤层埋深597 m，平均厚度2.0 m，煤层倾角8°。10煤层距上部6煤层33.7 m，6煤层局部可采且时见落差较小的断层穿过，开采地质条件复杂，故优先开采10煤层作为下保护层开采。采区内21001工作面推进约620 m发现F8断层贯穿6煤层，其落差为4 m、倾向59°、倾角45°。F8断层在10煤层顶板上方15.2 m处尖灭，10煤层工作面巷道布置如图1所示。

图1 10煤层工作面巷道布置

2 物理相似模拟试验

2.1 相似材料相似比

综合考虑现场地质条件及试验影响因素，精选与模型参数一致的配比，取相似模拟试验的几何相似比为 1∶100，容重相似比为 1∶1.6，应力相似比为1∶160。试验模型材料配比见表1。

2.2 试验测点布置

模型试验运用相似模拟试验架，长×宽×高为3.0 m×0.3 m×1.8 m。根据试验模型物理尺寸，在断层面底部、中部和顶部不同位置处设置A、B、C应力观测点。针对断层面应力测点布置提出断层面正应力与剪切应力观测方法，各测点埋设应力盒时，一个应力盒与断层面平行，另一个应力盒与煤层走向平行。对于断层面正应力值，可通过平行于断层面的应力盒测取，而断层面剪应力则需间接求取，在开采盘沿着断层面线为对角线取微元体，微元体内部再取三角微元abc，断层面应力观测如图2所示。该微元极小，各边受到的应力可视为均布荷载，由竖直方向力系平衡方程∑M=0，可得：

式中，Lbc为bc边长度；Lab为ab边长度；P1为ab边所受应力；τ为微元剪应力；σ为微元正应力；α为断层倾角。

表1 材料配比

由于顶板断层倾角为45°，代入式（1）中，则断层面剪应力可按式（2）求取：

同时在断层上下盘附近布设位移测点，观测断层面的滑移量，物理模型各位移测点布置及地质柱状图如图3所示。

图2 断层面应力观测示意

3 试验结果与分析

3.1 下保护层开采断层面应力变化规律

下保护层工作面接近至远离断层过程中，断层不同部位应力变化和应力观测点布置如图3所示。工作面接近至远离断层过程中，断层面应力变化大致可分为3个阶段。

（1）工作面推进至距离顶板断层40 m，即断层受下保护层工作面采动影响微弱阶段，一方面，从工作面开切眼至距离顶板断层40 m过程中，断层正应力、剪应力逐步上升，应力增长幅度较小，此过程中工作面对断层影响较弱；另一方面，断层正应力与剪应力比值能直观反映出断层不同部位对采动敏感变化程度，如图4（a）所示，工作面推进过程中，由于断层顶部C测点处距离工作面最近，正应力与剪应力比值变化下降最快，断层顶部最先受到工作面采动影响。

（2）工作面推进至距离顶板断层40～0 m过程中，即断层受下保护层工作面采动影响剧烈阶段，工作面不断接近顶板断层，断层不同部位应力大幅度上升，断层底部A测点部位剪应力受采动工作面影响强烈，在工作面距离顶板断层0 m处达到峰值；此过程中，上覆岩层受采动工作面影响断裂垮落，引起顶板断层附近煤岩体破碎，形成断层带，在采动与断层耦合作用下，引起断层活化，当工作面推进至距断层0 m时，断层面正应力与剪应力比值趋于3，断层活化最为活跃。

（3）工作面过断层，即断层受下保护层工作面采动影响减弱阶段，随着工作面逐步远离断层，采空区覆岩逐渐冒落压实，断层底部、中部A、B测点进入断层带，应力释放；如图4（b）所示，断层顶部C测点处由于剪应力释放，在工作面远离断层20 m后正应力与剪应力比值出现大幅度回升。

图3 位移测点布置及地质柱状图

图4 断层面应力变化

3.2 下保护层开采断层面滑移量

为表述断层滑移量，选取断层上下盘上、中、下不同位置测点滑移量，得到断层滑移量变化如图5所示，在工作面推进至距离断层80～40 m过程中，由于断层下盘顶部距离采动工作面较近而先出现滑移。断层下盘较上盘滑移明显，滑移量更大；在采动工作面推进至距离断层40～0 m过程中，断层下盘在采动工作面作用下，剪应力大幅度增大，断层下盘滑移迅速增加，而上盘滑移在工作面推进至距离断层约20 m时，滑移量开始迅速上升。工作面推进至断层正、下方时，断层上、下盘滑移量分别升至396 mm及805 mm，断层上、下盘滑移不同 步，下盘滑移更明显；当工作面过断层20 m时，由于断层附近岩体的逐步垮落，断层上盘滑移随着工作面推进快速上升至785 mm，而在此过程中，断层下盘附近岩体垮落压实导致断层下盘滑移相对快速减缓；随着工作面过断层40 m，断层附近上覆岩层垮落压实，断层受采动影响逐步减弱，断层上下盘滑移量逐步稳定。整个开采阶段的滑移曲线呈现“瀑布”状分布。

图5 工作面推进不同距离断层滑移变化

3 结论

（1）下保护层开采对顶板断层不同部位应力扰动呈分区性，依次为顶部、中部、底部。断层面应力变化大致可分为3个阶段：断层距离采动工作面大于40 m，断层受工作面影响微弱阶段；断层距离工作面40～0 m，断层受工作面影响剧烈阶段；工作面过断层，断层受工作面影响减弱阶段。

（2）工作面由断层下盘向上盘推进，断层下盘滑移量大于断层上盘，上、下盘滑移不同步；工作面推进至距离断层20 m时断层滑移速率大幅上升，工作面过断层40 m后，断层滑移逐步稳定。整个开采阶段的断层滑移曲线呈现“瀑布”状分布。