大倾角断层下煤层开采诱发顶底板及附近含水层应力变化规律的试验研究

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(1.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2. 山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590；3.山东能源枣矿(集团)有限责任公司柴里煤矿，山东 枣庄 277519)

大倾角断层下煤层开采诱发顶底板及附近含水层应力变化规律的试验研究

张培森1,2，赵亚鹏1,2，张明光1，武守鑫1,2，马如庆3，阚忠辉1,2

(1.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2. 山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590；3.山东能源枣矿(集团)有限责任公司柴里煤矿，山东 枣庄 277519)

以某煤矿田岗及二龙岗断层地质条件为背景，并以相似材料模拟试验为研究方法，研究了断层附近煤层顶、底板以及含水层在煤层开采过程中的一般变化规律。研究结果表明：由于断层的“屏障”作用，集中应力很难穿过断层而被限制在工作面一侧，导致断层附近越靠近断层应力集中程度越高；煤层的开采导致顶、底板出现应力集中，随着工作面推进，集中应力向前方转移，离断层越近集中应力越大，顶、底板发生破坏的可能性就越大；由于断层明显的“屏障”作用，工作面开采对断层另一盘三灰含水层的影响较小。

断层；应力集中；相似材料试验；屏障

Abstract: Based on the geological condition of Tiangang fault and Erlonggang fault in a coal mine, the stress variation law of the coal seam roof, floor and aquifer in the mining process is studied by simulating experiment with similar material. Research results show that due to the “barrier” effect of the fault, the concentrated stress is difficult to penetrate the fault and can only be cut off at one side of the working face, leading to a higher degree of stress concentration near the fault. The mining of coal seam leads to stress concentration in the roof and floor, which is transfered to the front with the advance of the working face. The closer it is to the fault, the larger the concentration stress becomes and the greater the possibility of failure of the roof and floor is. Because of the obvious “barrier” function of the fault, the mining of the working face has little influence on the third limestone aquifer of the other side of the fault.Keywords: fault; stress concentration; similar material experiment; barrier

断层作为一种常见的断裂地质构造，其对于煤炭开采的影响无疑是巨大的，不仅体现在断层是多种煤矿灾害事故发生的主要根源[1-2]，更因为断层会造成大量煤炭资源的浪费[3-4]。因此，在含断层情况下，工作面推进过程中的顶、底板应力变化规律研究对于煤炭的安全高效开采具有重要意义。

煤层及其附近岩层的完整性由于断层的存在而被破坏，导致了应力传递上的差异性以及断层的易导水性[5-6]；针对断层的特殊性，国内外学者进行了大量的研究，主要涉及断层带应力变化规律、断层附近巷道支护、断层诱发突水等方面[7]。人们采用数值模拟和相似材料模拟试验的方法，研究了断层倾角与断层活化突水的一般规律[8-9]；分析了上下盘的不同推进过程对断层活化的影响[10-11]；针对两盘围岩变形与断层的一般关系，建立了扰动判别准则[12]；研究了在固液耦合模式下，采动引起断层活化突水以及断层应力变化的一般规律[13-14]；讨论了工作面回采与断层活化的相互影响过程[15]；分析了硬厚覆岩下正、逆断层附近的不同应力变化规律[16-17]；研究了断层活化与冲击地压的发生机理[18]；分析了开采过程中断层导致能量释放的机制问题[19]。本文以某煤矿田岗断层和二龙岗断层地质条件为背景，采用相似材料模拟试验方法，研究了断层附近煤层顶、底板以及含水层在煤层开采过程中的一般变化规律，为相似地质条件下，煤层顶、底板及附近含水层的研究提供了理论参考。

图1 工作面及断层位置关系图Fig. 1 Position of working face and fault

1 工程地质概况

23上614工作面位于两正断层之间，东西分别以二龙岗断层和田岗断层为界。田岗断层为一西升东降正断层，倾角80°，落差150～470 m；二龙岗断层为一东升西降正断层，倾角66°，落差30～90 m，模拟开采煤层为3上煤，煤层平均厚度4.75 m，煤层埋深550 m，三灰含水层距离3煤底板36 m，煤层顶板为中粒砂岩或砂质泥岩，底板为泥岩、砂质泥岩或细、中粒砂岩。工作面、断层及含水层的位置关系如图1所示。

2 模型建立与设计

2.1 试验方案

模拟试验范围主要包括-510～-310 m标高内的23上614工作面以及田岗断层、二龙岗断层。根据试验模拟范围和模拟架尺寸，确定模型的应力相似比为1∶300，时间相似比为1∶14，几何相似比为1∶200。实验设备采用山东科技大学实验室的二维相似材料模拟实验平台，平台尺寸为：长×宽×高=1 900 mm×220 mm×1 800 mm，煤层及各岩层均水平铺设，以石灰、石膏粉、普通河砂和云母粉作为试验用料，断层破碎带岩体采用泥岩进行模拟，在搅拌时放入少量的水以模拟胶结性较差的断层，提高其活化性。对于未能模拟到的上覆岩层，通过模型上方的液压千斤顶实现应力补偿，按照应力比1∶300计算模型上部共需补偿应力11.95 kN。

图2 应力测点布置Fig.2 Layout of measuring points of stress

2.2 试验测点设计

为了研究工作面推进过程中煤层顶、底板应力变化规律以及二龙岗断层下盘三灰含水层的应力变化情况，此次试验共布设有14个应力测点，其编号为S1～S14。其中S1～S3及S4～S6测点分别位于煤层临近田岗断层的顶、底板处，；S7～S9及S10～S11测点分别位于临近二龙岗断层的煤层顶、底板处；S12～S14测点位于二龙岗断层下盘三灰含水层底界面处。具体测点布置如图2所示。

2.3 开采方案

23上614工作面位于田岗和二龙岗断层之间，在距离模型左边界100 cm处开切眼，由切眼位置向田岗断层和二龙岗断层方向分别推进，各自推进至断层保护煤柱处停采，田岗断层和二龙岗断层分别留设35和10 cm煤柱，模型总计推进距离105 cm，即左右两侧各推进52.5 cm。具体推进方向可见图2。

3 工作面推进过程中，覆岩及顶、底板应力变化规律的研究

3.1 回采过程中覆岩变化规律

在工作面推进过程中，煤层上部岩层发生垮落、弯曲、下沉等变化，覆岩运动规律如图3所示。

工作面推进到22 cm时，直接顶发生初次垮落；推进到30 cm时，直接顶出现周期垮落，同时上部未垮落岩层出现明显的离层现象；推进到32 cm时，老顶初次垮落； 推进到40 cm时，老顶出现周期来压；继续推进工作面，上覆岩层发生大范围的垮落、弯曲和下沉。

图3 覆岩变化规律图Fig.3 Variation law of overlying strata

3.2 田岗断层附近顶、底板应力变化规律

在开始进行数据采集之前，先将压力传感器上显示数值平衡调零。图4为工作面推进过程中田岗断层附近煤层顶、底板应力变化图。

图4 田岗断层附近顶、底板应力变化图Fig.4 Stress variation of roof and floor in the vicinity of Tiangang fault

从图4(a)可以看出，在开采初期各个应力测点并未发生变化，随着煤层的开采，顶板出现应力集中，测点应力逐渐增大，当工作面推过22 cm时，即距S1测点38 cm时，S1测点发生变化，随后S2测点与S3测点也逐渐发生变化，随着工作面持续推进，顶板集中应力向断层方向延伸，工作面推过40 cm时，即距S1测点20 cm时，S1测点数据达到峰值，之后随工作面推进逐渐减小；工作面继续推进，S2测点数据持续升高，并在工作面推过50 cm时，即距S2测点20 cm时达到峰值，再逐渐减小，并且S2测点的峰值较S1测点要大；随着工作面推进，S3测点数据也开始升高，但是当工作面开采完毕，即推过52.5 cm的时候，S3测点仍在持续升高阶段且并未达到其峰值。

S2测点的峰值较测点1的更高，这是由于断层带的“屏障”作用，集中应力随着工作面推进向断层侧转移并被断层限制在工作面一侧，因此距离断层越近，应力集中程度就越大；由于顶板集中应力尚未转移至S3测点的前方，因此S3测点仍处在数据上升阶段，虽然S3测点并未达到峰值，但是可以预计，由于S3测点较S1和S2测点距离断层更近，因此其峰值会更大。图4还可以看出，工作面超前支承压力影响范围为38 cm，且工作面前方20 cm处出现最大超前支承压力。

图4(b)所呈现出的规律和图4(a)基本一致，S4测点在工作面推过22 cm时，即距S4测点38 cm时才发生变化，随工作面推进，集中应力向断层侧转移，各个测点应力值依次增大，可以注意到在开采完毕时S6测点和S3测点呈现的规律基本一致，均在持续升高过程中，但是开采结束的时候S6测点的数值已经高于S5测点的峰值，这也说明了S6测点最终的峰值必定将大于S5测点的峰值，S4、S5、S6测点所达到的峰值依次升高也是由于断层的“屏障”作用导致集中应力被限制在工作面一侧所造成的。

3.3 二龙岗断层附近顶、底板应力变化规律

图5为工作面推进过程中，二龙岗断层附近顶、底板应力变化图。

图5 二龙岗断层附近顶、底板应力变化图Fig.5 Stress variation of roof and floor in the vicinity of Erlonggang fault

从图5(a)可以看出，S7测点在工作面推过15 cm时，即距S7测点37.5 cm时发生变化，而S8测点和S9测点在分别推过20 cm和25 cm时才发生变化。随着工作面推进，集中应力向断层侧延伸，图中可以看出测点的应力变化幅度逐渐增大，工作面推过35 cm时，即距S7测点17.5 cm时，S7测点达到峰值，之后逐渐减小；工作面继续推进，S8测点数据持续升高，并在工作面推过40 cm时，即距S8测点17.5 cm时，达到峰值，之后逐渐减小，并且S8测点的峰值较S7测点要大；随着工作面推进，S9测点数据也开始升高，在工作面推过45 cm时，S9测点的数据达到峰值；至工作面开采完毕时，恰好推过S7测点，S7测点出现负值，S7测点失效。从图5(a)还可看出随与断层距离的减小，各个测点的峰值在逐渐升高，这是由于断层带内破碎岩体容易发生变形，当集中应力转移到断层破碎带时，集中应力被破碎岩体所吸收，同时岩体产生变形，造成应力难以越过断层，因此出现距离断层越近的测点，其峰值就越大的现象。

图5(b)呈现出和图5(a)相同的变化规律，均是在工作面推进到一定距离之后应力测点才发生反应，且距离断层越近测点峰值就越大，由于工作面并未推过S10和S11测点，因此两个测点并未出现负值。

图6 三灰测点应力变化图Fig. 6 Stress change of measuring point of Third layer limestone

4 煤层开采对三灰含水层的影响

为研究工作面开采过程中采动对二龙岗断层下盘三灰含水层的影响，在三灰含水层底界面布置有S12～S14三个应力测点，图6为三个测点的应力变化曲线图。

从图6可以看出，S12～S14测点在开采初期没有发生变化，直到工作面推过40 cm时，S12测点才开始发生变化，随着工作面推进，S13和S14测点也发生变化，但是三个测点的应力变化值都较小，且都处于上升阶段。

分析S12测点在40 cm时才发生变化的原因，主要是由于断层的“屏障”作用将采动产生的集中应力限制在了工作面一侧，工作面不断向前推进，集中应力不断向前方转移，应力集中程度持续升高，最终才引起S12～S14测点的变化，并且与断层工作面侧应力测点相比，三灰应力测点要小的多，可见断层的“屏障”作用显著，因此，采动对三灰含水层具有一定的影响。

5 结论

1) 对应力数据进行分析，得出顶、底板应力变化的规律大体相同：煤层的开采导致顶、底板出现应力集中，随着工作面推进，集中应力向前方转移，离断层越近集中应力越大，顶底板发生破坏的可能性就越大，因此，在实际开采过程中，有必要对断层附近的煤层顶、底板采取加固措施。

2) 断层带对于应力传播具有“屏障”作用，开采过程中引起的集中应力很难穿过断层破碎带，而被断层限制在工作面一侧，造成断层附近测点呈现出距离断层越近应力值就越大的规律。

3) 通过对三灰含水层应力与工作面顶、底板应力的对比，可得：试验中工作面开采对三灰含水层会产生一定的影响，同时进一步证明了断层带对于应力传播具有显著的“屏障”作用。

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(责任编辑:吕海亮)

ExperimentalStudyonStressVariationLawofRoof,FloorandNearbyAquiferInducedbyCoalSeamMiningUnderLargeDipFault

ZHANG Peisen1,2, ZHAO Yapeng1,2, ZHANG Mingguang1, WU Shouxin1,2, MA Ruqing3， KAN Zhonghui1,2

(1. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China；3.Chaili Coal Mine of Shandong Energy Zaozhuang Mining Group Co.Ltd,Zaozhuang,Shandong 277519,China)

TD745

A

1672-3767(2017)06-0060-06

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2017.06.009

2016-12-30

国家自然科学基金项目(51379119，51109124，51509149，41472281)

张培森(1977—)，男，山东曹县人，副教授，博士，主要从事采矿工程等领域的教学及科研工作. E-mail:peisen_sky@163.com 赵亚鹏(1992—)，男，河北邢台人，硕士研究生，主要从事矿山灾害防治方面的研究，本文通信作者. E-mail:yapeng_sea@163.com