柴里煤矿23下614工作面断层与顶底板应力变化规律研究

刘同飞 杜晓林 安保润

（1．枣庄矿业（集团）有限责任公司柴里煤矿，山东 枣庄 277500；2．山东省煤炭技术服务有限公司，山东 济南 250031）

柴里煤矿23下614 综放工作面位于236 采区西部，主要开采3下煤层。23下614 工作面走向长度1270m 左右，倾向长度84~195.3m。工作面位于田岗断层与二龙岗断层形成的地堑内，地质条件相对比较复杂。因此，依据23下614 工作面的实际地质构造条件分析采动过程中顶底板应力变化情况，总结断层变化规律，为煤层开采提供地质依据。

1 工作面概况

1.1 地层

23下614 工作面主要发育地层为二叠纪山西组地层，岩性主要由砂岩、泥岩、砂质泥岩组成，含主要可采煤层3 煤，煤层赋存稳定。

1.2 构造

工作面范围内受田岗断层、F2 断层、二龙岗断层的影响，断层较发育，对工作面的布置有较大影响。

根据矿井地质资料，23下614 工作面西侧的田岗断层为井田西边界断层，落差北大南小。工作面东侧的二龙岗断层位于井田西北部，一水平多条巷道及工作面揭露该断层，在生产过程顶板无异常破碎、裂隙增加等现象。F2 断层在井田中部落差较大，向23下614 工作面方向落差逐渐减小，23下614 工作面运输巷实际揭露，该断层落差为5m，揭露时断层干燥无水。

2 断层活化和顶底板应力变化的相似试验研究

2.1 田岗断层、二龙岗断层活化相似模拟试验研究

本次模拟试验主要在田岗断层的不同高度断层带及断层带两侧、逐级台阶断层煤层底板处、3上煤层临近二龙岗断层的顶底板处、3下煤层临近田岗断层的顶底板处布设有应力测点，用以分析开采3下煤层过程中田岗断层不同高度断层带及断层带两侧的应力变化情况、两级台阶断层煤层底板的受力情况、煤层临近田岗和二龙岗断层的顶底板应力变化规律。设计在模型中布设21 个应力传感器，布设如图1 所示。

图1 田岗、二龙岗断层应力测点布置图

2.1.1 顶、底板应力变化规律

（1）田岗断层附近顶、底板应力变化规律

田岗断层附近顶、底板处布设有1~5 号应力测点和6~8 号应力测点，对获取的数据进行整理。应力变化规律如图2 所示。

图2 田岗断层附近煤层顶、底板应力变化图

由图2（a）可知，在工作面推进初期各应力测点并未发生变化，随着工作面推进，支承压力向前传递。当工作面推进到不同长度时，测点1~5 应力逐渐升高，测点1~3 达到峰值后又逐渐降低，测点1 在工作面推进到42.5cm 时出现负值，随后其数值在负值范围内进一步升高，测点2~3 未出现负值。测点4~5 的应力在推进过程中呈现单调递增的变化规律，工作面超前支承压力影响范围为24.5cm，最大支承压力出现在距工作面10cm 处。

图2（b）所示3下煤底板的应力变化规律与图2（a）的应力变化规律基本相同。测点6 在支承压力影响下逐渐升高，并在推进到45cm 时达到峰值，随后逐渐降低，由于支承压力并未越过测点7~8，因此测点7~8 一直处于逐渐升高的状态。

（2）二龙岗断层附近顶、底板应力变化规律

二龙岗断层附近设有5 个应力传感器，分别为测点17~21。其中测点17~19 设在3上煤层顶板处，20~21 设在3上煤层底板处。具体应力变化曲线如图3 所示。

图3 二龙岗断层附近煤层顶、底板应力变化图

由图3 可知，二龙岗断层附近煤层顶、底板应力变化规律与田岗断层附近煤层顶底板应力变化规律大体相同，均是在开采初期并未发生应力测点的应力变化，当工作面推进到20cm 时，测点17 开始发生变化，并随工作面推进逐渐升高，在工作面达到32.5cm 时达到其峰值，随后逐渐降低。

2.1.2 断层活化及煤柱留设研究

在3下煤层开采过程中，综合3上煤层开采对于覆岩垮落及断层活化的影响，田岗断层煤柱计划留设宽度为30cm，二龙岗断层煤柱计划留设宽度为20cm。在工作面推进过程中，当煤柱宽度为35cm时，断层活化没有明显的加剧现象；当煤柱缩短到30cm 左右时，在采空区与煤柱交界处，由于水压作用，田岗断层活化明显加剧，出现了一条向上发育的剪切破坏裂隙，由此可见煤柱采空区交界处剪切作用明显。

继续缩减保护煤柱宽度，在缩减过程中，底板三灰含水层及断层带含水层的作用明显。当缩减至25cm 时，底板三灰含水层由于水压作用在水袋高度处出现了明显的水平裂隙，且采空区与煤柱交界处剪切破坏裂隙增大；当缩减至22cm 时，由于田岗断层带含水层的水压作用，在第二级及第三台阶断层区域出现裂隙，同时裂隙向第三级断层发育；当断层煤柱为20cm 时，田岗断层附近裂隙发育明显增大，二龙岗断层没有发生断层活化及断层带的离层等现象。

综上所述，3下煤层开采田岗断层煤柱留设宽度应不小于30cm，按照比例宽度应不小于60m，二龙岗断层煤柱留设宽度应不小于20cm，按照比例宽度应不小于40m。

2.2 工作面过F2断层相似模拟试验研究

本次试验主要运用相似材料试验方法研究23下614 工作面开采中过F2 断层时的断层活化以及相关应力的变化规律。本次模拟试验主要在下盘工作面临近F2断层顶板附近、工作面过断层开挖区域顶板、上盘临近F2 断层顶板区域、F2 断层不同高度处断层带及断层带两侧共布置12 个应力传感器，如图4所示。

图4 F2 断层应力测点布置图

由1~6 号应力测点应力变化曲线图分析可知，在上下盘煤层及过断层路线顶板的应力测点呈现较强的规律性。工作面开采初期，应力测点距离工作面较远，超前支承压力尚未传递到应力测点区域，应力测点均未发生变化。当工作面继续推进时，各测点应力发生变化，应力逐渐达到峰值后，随工作面的推进，应力数值不断降低，并在一定位置时由正值转为负值，测点失效。由图5 可知，测点1~3的应力峰值逐渐增大，主要原因为断层的“阻隔”、“屏障”作用，集中应力由于受到断层的阻隔，很难越过断层，因此越靠近断层，集中应力就越大。测点4~6 的应力变化规律亦基本相同，均是逐渐升高达到其峰值随后降低，并最终呈现负值，测点失效。

图5 F2 断层推进过程中顶板应力变化曲线图

由图5 可知，超前支承压力影响范围在28cm左右，且各个测点达到峰值点时距工作面的距离也不同。断层下盘测点越靠近断层，应力峰值越大，且达到应力峰值时与工作面的距离越小，断层上盘测点没有呈现该规律。

图6 F2 断层带及两侧应力变化折线图

由F2 断层不同高度处断层带及两侧的测点（7~12 测点）应力变化曲线图6 分析可知，7~9 测点在断层下盘推进过程中呈现先升高达到峰值后逐渐降低的规律。工作面开采F2 断层煤柱时，测点7应力值转为负值，测点失效，随工作面推过F2 断层，测点8、9 应力逐渐降低，煤柱全部采完时，断层带下界面与覆岩离层裂隙突然增大，下方覆岩发生位移及应力的突变。随着工作面不断推进，覆岩及断层带下部破碎带逐渐垮落，测点应力变为负值，测点失效。图6（b）整体规律与图6（a）相同，由于其高度较高，远离应力集中区域，其数值要小于下部测点应力值。

3 结论

（1）23下614 工作面开采时，超前支承压力随工作面向前传递，由于断层的“屏障”及“吸附”作用，顶板集中应力很难越过断层，且越靠近断层带，应力集中程度越明显，造成越靠近断层应力测点峰值就越高的现象；工作面过F2 断层时，由于断层带下界面与覆岩离层裂隙突然增大，下方覆岩位移及应力易发生突变。

（2）断层煤柱留设宽度的大小直接影响断层的活化程度。煤柱留设宽度越小，断层活化越明显，受含水层水压影响，裂隙发育越多，在煤柱与采空区交界处，剪切应力效果明显。根据试验结果分析，3下煤层开采田岗断层煤柱留设宽度应不小于60m，二龙岗断层煤柱应不小于40m。