深井构造区域采动断层活化特征

曹吉胜

摘 要：以深部矿井FD121断层为背景，对其进行相似材料模拟试验，深入研究采动过程中断层的活化规律。研究结果表明，工作面在临近断层时，煤柱顶底板会出现高应力集中区，临近断层侧的煤柱和底板受不同程度的破坏。煤层采动过程中，顶底板支承压力呈先增后减的趋势，即增加到最大值后逐渐降低，而且断层带对于支承压力的传播起到“屏障”作用，即当测点距工作面越近时，所受的支承压力越大。根据试验分析结果，工作面开采对于FD121断层的影响深度在22.5cm-30cm之间;工作面推进对于FD121断层下盘三灰含水层会有一定的影响。

关键词：构造区域;断层活化;相似材料;深部矿井

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.051

断层的存在破坏了岩层的完整性，常常成为与含水层联系的导水通道。国内外许多学者对煤田开采过程中发生的断层活化问题进行了研究。周瑞光等[1]、李青峰等[2]、彭苏萍[3]、左建平[4]等分别应用三轴剪应力仪、隔水关键层原理、矿压理论分析了不同条件断层泥的力学特征并建立了隔水岩层的理论模型，分析了水力耦合作用下断层的采动活化特征;徐德金[5]、黄存捍[6]等分析了采动断层的活化机理及其与底板导水之间的关系;于广明[7]、李利平等[8]则分别从分形角度和力学角探讨了断层活化的抗剪强度及灾变演化机制。上述文献对断层活化现象进行了分析，但在断层活化与其诱发原因之间的关系方面仍有问题尚不清楚。

1 采矿地质条件及试验方案

选取矿井深部构造区域1311工作面，其涉及的季庄断层（正断层）位于井田中部，走向45°，倾向315°，倾角65°，落差50～290m。该断层将井田分为南北两大部分。季庄断层附近，其南部存在一FD121断层，该断层为一正断层，走向45°，倾向315°，倾角50°，落差20～50m。开采煤层为3煤层，煤层厚度6.9m，煤层倾角20°。

模拟试验主要分析在工作面回采期间，煤层顶、底板的应力变化情况，FD121断层上下盘三灰含水层应力变化，以及在回采期間煤层开采对于FD121断层的破坏深度和季庄断层两盘界面处的应力变化规律，从而反应出断层在工作面开采过程中断层的活化特性。

模拟岩层高度为：FD121断层下盘煤层上方210m，下方50m。模型总得尺寸为长×宽×高=1900mm×220mm×

1500mm。试验模型由模型架左侧向右推进工作面，每2小时采一次，推进3.5cm，相当于实际每天推进7米。

2 顶底板岩层及断层破坏规律

首先按照设计方案从距模型左侧边界32cm处开切眼，然后向FD121断层进行推进。物理模拟试验表明：试验所研究的工作面，直接顶初次断裂步距为24cm，周期断裂步距为8cm;老顶的初次断裂步距为33cm，其周期步距为7cm。从工作面开始从切眼回采，至20cm时，直接顶有离层现象，且比较明显的;当工作面回采到24cm时，直接顶产生首次垮落;随着回采工作的继续，当工作面回采至32cm时，直接顶开始出现周期性垮落;进一步进行回采，当工作面推进了33cm时，老顶首次发生垮落，当持续推荐工作面至40cm时，周期来压在老顶岩层出现，老顶逐步开始垮落，上覆岩层的弯曲沉降逐渐显现，直至发展到上方的坚硬厚岩层，产生离层现象;随着工作面的持续回采，上覆岩层弯曲、下沉及垮落的范围不断增加，与现场矿压显现过程基本一致，印证了物理实验的合理性，能够较准确的反映工作面回采的实际情况。

当工作面推进结束，即按计划在FD121断层处留设10cm煤柱时，FD121断层基本没有发生活化现象。为了进一步验证缩短煤柱对于FD121以及季庄断层的影响，在开挖结束后继续向FD121断层推进，当煤柱缩短为7cm时，FD121断层带下界出现明显的离层现象，断层发生活化，继续向前推进，离层现象加剧，当煤柱被开挖完毕，FD121断层带上界也出现较为明显的离层现象，同时断层带发生断裂破坏，断层活化严重。通过上述试验结果可以得到，采动支承压力增大，煤体变形破坏严重，且随着断层煤柱的缩短，断层发生活化且活化现象不断加剧。

3 FD121断层附近顶底板应力分析

试验在FD121断层附近的煤层顶底板附近布置有6个应力测点，1～3#为顶板测点，4～6#为底板测点。绘制测点的应力变化图，以此来了解工作面推进至断层附近时，采动对岩层破坏的规律。

可以看出，在开采初期，各应力测点基本无明显变化，当推进至35cm时，1#测点应力逐步发生变化，随着工作面推进，2#与3#测点的应力也开始增加。随着工作面继续回采，煤柱上方出现高应力集中，且逐渐向断层侧延伸，测点应力的变化幅度也开始增大;推进至55cm时，1#测点达到最大值，而后开始减小，支承压力向前方转移;其他测点应力在推进到60cm和65cm时达到最大值，之后逐渐减小。随着工作面的不断推进，当推过测点1，即工作面推进至75cm时，测点1出现负值，测点1失效，继续推进工作面，测点2和测点3也出现负值并失效。当工作面推进方向向着断层时，破碎带具有较大的吸收二次应力、减缓变形作用，即产生“屏障”作用。

4 工作面推进对FD121断层影响深度

为了研究工作面推进对FD121断层的影响深度，本次试验在FD121断层煤层下方断层破碎带处布设有7～10共4个应力测点。在开采完毕后对四个测点进行数据整理，其中测点10由于距离深度较深，没有发生应力变化，测点7～9的应力变化曲线如图6。

测点7在工作面推进到60cm时才发生变化，在推进至85cm时达到其峰值，随后逐渐降低，随着工作面推进，测点8和测点9应力值也发生变化，而测点10没有发生应力变化，说明工作面推进结束并未影响到测点10附近区域，因此工作面开采对于FD121断层影响深度为22.5cm～30cm之间，通过观察可以看到测点7～9所达到的应力值较煤层顶底板应力值相比较要小得多，这也说明工作面推进对于断层较深处的影响有限。

5 采动对三灰含水层的影响

此次试验在FD121断层下盘三灰含水层底界面共布设有4个应力测点，即测点11～14。其中测点14在开采过程中并未发生应力变化。

从图7可以看出，11#～13#测点在开采初期无明显变化，直到70cm时，开始出现变化，随后12、13测点也出现变化，但变化值都不大，测点14由于距离工作面较远，在整个开挖过程中并未发生应力变化，可见，测点14附近区域几乎没有受到工作面推进的影响，整体而言，FD121下盘三灰含水层受到工作面开采的影响较小。

6 结论

（1）工作面在临近断层时，煤柱顶底板会出现高应力集中区，临近断层侧的煤柱和底板受不同程度的破坏。

（2）煤层采动过程中，顶底板支承压力呈先增后减的趋势，即增加到最大值后逐渐降低，而且断层带对于支承压力的传播起到“屏障”作用，即当测点距工作面越近时，所受的支承压力越大。

（3）根据试验分析结果，工作面开采对于FD121断层的影响深度在22.5cm～30cm之间;工作面推进对于FD121断层下盘三灰含水层会有一定的影响。

参考文献：

[1]周瑞光，成彬芳.水岩相互作用下金川露天矿F1断层泥破坏特征[J].工程勘察，1996（03）：26-29.

[2]李青峰，王卫军，朱川曲等.基于隔水关键层原理的断层突水机理分析[J].采矿与安全工程学报，2009，26（01）：87-90.

[3]彭苏萍，孟召平，李玉林.断层对顶板稳定性影响相似模拟实验研究[J].煤田地质与勘探，2001，29（03）：1-4.

[4]左建平，陈忠辉，王懷文等.深部煤矿采动诱发断层活化规律[J].煤炭学报，2009，34（03）：305-310.

[5]徐德金.高承压含水层上煤层开采底板断裂活化致灾机制[D].徐州：中国矿业大学，2011.

[6]黄存捍.采动断层突水机理研究[D].长沙：中南大学，2010.

[7]于广明，谢和平，杨伦等.采动断层活化分形界面效应的数值模拟研究[J].煤炭学报，1998，23（04）：396-400.

[8]李利平，李术才，石少帅等.基于应力-渗流-损伤耦合效应的断层活化突水机制研究[J].岩石力学与工程学报：2011，30（S1）：3295-3304.