下保护层工作面过断层区覆岩裂隙-应力 演化规律研究

田 燚，刘 勇,2，康向涛,2，王 沉,2，贺征勋

(1.贵州大学矿业学院,贵州 贵阳 550025； 2.复杂地质矿山开采安全技术工程中心，贵州 贵阳 550025)

覆岩裂隙是瓦斯运移和扩散的重要通道，研究采动裂隙演化分布规律，对瓦斯抽采和瓦斯治理具有重要基础意义。学者对采动裂隙发育演化和分布特征进行了大量研究。钱鸣高等[1]提出“O”型圈模型；袁亮等[2]、卢平等[3]、林柏泉[4]分别提出“顶板环形裂隙”和“回”形圈概念；李树刚等[5]、林海飞等[6]运用理论分析和实验验证方法提出采动覆岩裂隙椭抛带的动态演化形态；冯国瑞等[7]运用实验研究发现上行开采岩层间裂隙产生、扩展过程；杨科等[8]指出不同采厚采动裂隙分布具有“∩”型高帽状的分布特征；程志恒等[9]运用模拟实验研究了叠加开采影响下裂隙分布与演化特征，得出裂隙在叠加开采条件下裂隙发育明显增加的分布特征；张勇等[10]研究采动影响下底板不同应力分区裂隙动态分布及其演化规律，得到煤层底板不同分区裂隙发育特点。而对裂隙场而言，煤层群中含有规模不等的断层，断层在采动影响下容易“活化”引起其附近应力发生变化，从而影响裂隙的发育和分布特征[11-14]。由此，文章结合贵州某矿现场条件，应用物理相似模拟对煤层群下保护层开采过断层区上覆岩层裂隙发育和覆岩运动规律进行研究，为工作面过断层区瓦斯防治提供参考。

1 工程概况

贵州某矿为煤与瓦斯突出矿井，上煤层组有6#与10#可采煤层，其中10#煤层埋深567 m，平均厚度2 m，煤层平均倾角8°；直接顶为砂质泥岩，平均厚度1.8 m，上距6#煤层33.7 m，两煤层均为煤与瓦斯突出煤层；6#煤层局部可采且瓦斯涌出量较大，故将10#煤层作为下保护层进行开采，6#煤层含有一落差为4 m、倾角为45°断层。断层贯穿6#煤层工作面，断层在10#煤层顶板上方15.2 m处尖灭，煤层地质钻孔柱状图如图1所示。

2 物理相似模拟实验

2.1 相似模拟模型制作

模型试验采用相似模拟实验架，模型架尺寸为3.0 m×0.3 m×1.8 m。根据模拟煤层顶底板岩性，选用河砂作为骨料，石膏和石灰作为胶结料。模型铺设依次称取骨料和胶结料，并称取适量水搅拌均匀，倒入模型架铺平捣实。每一层铺设完成后在其层面上均匀洒上云母粉。贯穿6#煤层的断层先铺设其下盘，下盘铺设完成后铺设断层，并且在断层面两侧均匀洒上云母粉，按照断层落差完成上盘铺设。

2.2 相似材料相似比

综合考虑影响因数，精确选定与模型参数相一致的配比，取实验的几何相似比1∶100，容重相似比1∶1.6，应力相似比1∶160。实验模型材料配比见表1。

图1 煤层地质钻孔柱状图(资料来源：贵州某矿相关地质资料)

表1 实验煤岩层厚度及模型材料配比表

岩性原型模型厚度/m抗拉强度/MPa抗压强度/MPa密度/(kg/m3)配比号总重量/kg分层材料重量/kg石灰石膏水页岩32.02.543.02 660437466.0372.828.065.2粉砂岩27.82.440.22 460355379.8284.947.547.5石灰岩25.81.938.32 100346335.9251.950.450.4灰色细粉砂岩3.12.032.82 20035537.328.0 4.7 4.76#煤2.00.222.01 62037320.515.4 3.6 1.6砂质泥岩11.72.543.02 660437170.4136.310.223.9粉砂岩2.42.440.22 46035532.824.6 4.14.1灰色细粉砂岩17.82.543.02 660437230.1184.113.832.2砂质泥岩1.81.730.51 98045520.016.0 2.02.010#煤2.00.2318.01 62065520.517.5 1.51.5粉砂岩43.62.443.02 460355595.7446.774.574.5

2.3 实验测点布置

根据实验模型物理尺寸，在物理模型10#煤层顶板上方5 cm处布置第一排位移测线，竖直方向上共布置层距为10 cm的8排测线；在距离10#煤层底板2 cm和顶板5 cm布设应力应变片，观测记录工作面接近和远离断层过程中应力变化情况，同时在断层面底端、中部和顶端不同位置处设置A、B、C应力观测点。在断层上下盘附近布设位移下沉测点观测记录断层面的滑移量，物理模型各测点布置如图2所示。

图2 模型设计及应力位移测点示意图

3 实验结果与分析

3.1 10#煤层开采裂隙场演化特征

为表述裂隙发育演化，以走向裂隙密度定量描述下保护层开采从接近至远离断层区采动裂隙发育过程。图3(a)为工作面接近和远离顶板断层裂隙发育曲线。由图3(a)可知覆岩采动裂隙发育大致可分为三阶段。①工作面推进至120 m，即覆岩裂隙未受顶板断层影响阶段：从开切眼至顶板岩层初次来压与周期来压过程中，顶板岩层由弹性向塑性变形发展，逐渐积聚能量破坏，上覆岩层破断、冒落产生纵向与横向采动裂隙，裂隙密度也随工作面推进不断增加。工作面推进至120 m时，采空区中部裂隙被逐渐压实，此时覆岩裂隙发育未受断层影响，裂隙密度曲线呈现驼峰状。②工作面推进160 m，即采动覆岩裂隙受顶板断层剧烈影响阶段：随着工作面不断向断层推进，岩层受采动影响断裂垮落，引起顶板断层附近煤岩体破碎，形成断层带，在工作面逐渐接近顶板断层过程中，裂隙带进入顶板断层带，在采动与断层双重影响下，顶板岩层破碎严重，覆岩采动裂隙向更高层位发育；当工作面推进至160 m时，如图3(b)所示，裂隙发育集中在工作面向采空区内60 m并斜向上30 m与断层带范围内，此时，一方面断层带原生微观裂纹扩展为宏观裂隙，另一方面采动引起断层周围岩体结构破坏出现同断层倾向方向平行的采动裂隙。工作面附近裂隙密度曲线陡升到达峰值，裂隙密度曲线呈现前低后高的驼峰状。③工作面推进至200 m，即采动覆岩裂隙受顶板断层影响减弱阶段：随着工作面远离断层带，采空区覆岩逐渐冒落压实，断层带裂隙密度亦随覆岩垮落压实而减小，在切眼和工作面处由于压实相对缓慢裂隙密度依然较大，采空区裂隙密度曲线大致呈现切眼和工作面、中部断层带处较高的“W”型分布。

图3 覆岩裂隙分布特征

3.2 10#煤层开采断层面应力变化规律

断层底端应力变化如图4(a)所示，工作面从开切眼推进至距离顶板断层20 m过程中，断层受采动影响较小，正应力、剪应力增加缓慢；当工作面推进至距顶板断层20 m时，断层底端剪应力显著上升，当工作面恰好位于顶板断层正下方时，正应力、剪应力达到峰值-22.55 MPa与-17.58 MPa；当工作面过顶板断层后，断层面的正应力、剪应力迅速降低，且随工作面继续推进断层面底端处的正应力、剪应力得到释放，其附近的围岩重新被上覆岩层压实，且保持在一定水平。

图4 断层不同位置应力变化图

断层顶端应力变化如图4(b)所示，工作面推进至距顶板断层60 m过程中，断层顶端应力上升缓慢，此阶段断层受采动影响较小，当工作面推进至距离顶板断层40 m，正应力、剪应力开始出现明显上升，当回采工作面距离顶板断层20 m时，正应力、剪应力达到峰值-18.47 MPa与-14.88 MPa。此后随工作面继续推进断层面顶端正应力、剪应力得到释放，应力迅速下降并维持稳定。

3.3 覆岩运动分布特征

工作面推进过程中，对煤层顶板上方15 cm处同一层位不同测点覆岩下沉位移进行观测记录，得到位移下沉变化，见图5。由图5可知，覆岩下沉大致分为三阶段：①覆岩下沉停滞稳定阶段，此阶段工作面未推进至测点，覆岩基本稳定；②覆岩下沉剧烈阶段，工作面推进至测点正下方，顶板下沉，随工作面不断推进测点后移距离增加，煤层上覆岩层空间冒落呈指数型上升，延伸幅度与扩展范围增大，覆岩冒落下沉量升高，当测点后移至工作面后方40 m覆岩大幅度垮落下沉，说明测点所处顶板岩层已严重破断冒落；③覆岩下沉平缓阶段，顶板岩层经历剧烈下沉后，测点下降减缓，并逐渐趋于稳定,表明测点所处顶板岩层已基本形成平衡结构，覆岩下沉曲线呈现“瀑布”状分布，工作面接近至远离测点过程中，覆岩运动转变的影响时间由强变弱和空间扩展范围由深至浅，覆岩运动具有一定的时空效应。

图5 同一层位采面推进不同距离测点位移

4 现场实测

现场实测选取工作面端部和中部有代表性的1#支架和43#支架工作阻力数据绘制支架工作阻力变化图，如图6所示，支架工作阻力特征可分为两区域：未受断层影响区与断层影响区域，断层影响区根据支架阻力情况又可分为“高压区”和“低压区”。在未受断层影响区，工作面推进35.0 m和37.5 m支架经历顶板初次来压，1#支架经历平均周期来压步距为21.2 m和平均工作阻力为19.93 MPa的四次周期来压，43#支架经历平均周期来压步距21.8 m和平均工作阻力为19.36 MPa的四次周期来压。工作面推至116～140 m范围进入断层影响异常“高压区”，支架分别经历平均周期来压歩距为7.5 m、9.8 m的四次周期来压与三次周期来压，支架平均工作阻力分别为29.62 MPa、28.38 MPa，此“高压区”内巷道变形严重，发生3次岩爆与60次煤壁片帮。受采动影响，断层下盘附近顶板变形破坏相对上盘更为严重，此与相似模拟实验结果相似。为此对“高压区”范围采用顶板卸压爆破措施，取得较好卸压效果。“低压区”范围内支架平均工作阻力分别为14.33 MPa、13.43 MPa，当工作面过断层后推进至163 m时，“低压区”的顶板经历首次断裂引起支架出现阻力峰值。

图6 支架工作阻力变化图

5 结 论

1) 实验表明下保护层采动裂隙场发育受顶板断层影响强烈。工作面从开切眼推进至120 m过程中，由于顶板断层与工作面间距离较远，顶板断层未对裂隙发育产生影响；工作面推进160 m，过顶板断层一定距离后，断层区内原生裂纹扩展和采动破坏断层区域顶板结构引起覆岩裂隙大幅度增加。工作面远离顶板断层后，采动裂隙逐渐压实，其空间分布形态呈现切眼和工作面、中部断层带处较高的“W”

型分布。

2) 分析了顶板断层底端和顶端正应力与剪应力峰值随采动工作面的接近与远离表现出不同变化，顶板断层底端应力峰值受采动影响更剧烈。同时得到了同一层位覆岩下沉随下保护层开采呈现“瀑布”状分布，覆岩位移下沉具有时空效应。

3) 现场实测工作面推进至116～140 m进入断层影响异常“高压区”范围内，支架平均工作阻力分别为29.62 MPa、28.38 MPa，顶板断层区围岩应力异常，易引起巷道变形和裂隙发育，在此区域应加强卸压和支护措施。