近距离下行工作面过断层开采试验研究

闫奋前 吴俊达 孙亚楠

（山东科技大学矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）

断层是岩层或岩体顺破裂面发生明显位移的构造，在开采过程中会常常遇到不同程度的断层。由于断层破碎带具有低强度、易变形、透水性大及抗水性差的特征，给开采带来了很大的困扰[1-3]。本文以实际工程地质模型为依托，通过相似模拟材料试验，对下层煤过断层开采时覆岩的破坏特征及应力变化进行监测、分析，在煤矿进行过断层开采时可以借鉴。

1 地质条件

本文以煤矿地质原型为研究背景，研究对象包含上、下两层煤层。其中上层煤煤厚3.90～6.60m，平均5.2m，煤层倾角1°～7°，平均4°，属近水平煤层。下层煤赋存于山西组下部，上距上层煤0.20～35.30m，平均15m，间距较稳定。煤层厚度0～7.80m，平均3.96m。

模拟的含煤地层总深度约为300m，试验中以F2断层为例，F2断层位于23614工作面北部区域，为北升南降的正断层。产状：走向68°，倾向158°，倾角60°，落差5～16m。23614工作面北部区域被F2断层切断，由于F2断层落差较小，在开采下层煤时采用直接过断层的方式推过F2断层。以工程实际为前提，本次相似材料模拟的煤层和岩层进行水平铺设。

2 相似材料试验

试验严格按照研究区域煤田地层情况，模型设计的长×宽×高=1.9m×0.22m×1.7m，上部为可供加载的千斤顶，模型的几何相似比为1：100。试验中选取23614工作面开采的上、下两层煤为模拟煤层，两层煤平均厚度均为5m，对应模型煤厚为5.0cm，断层以F2正断层作为模拟断层。相似材料用骨料和胶结料作为模拟材料进行模拟，骨料采用粒径不大于1.5mm的普通河砂，胶结料由石灰和石膏组成，选用可以模拟岩石层理结构的云母粉作为模型的分层材料。

2.1 测点布置

本次模拟试验主要开采下层煤，工作面过断层开挖区域顶板、上盘、下盘临近F2断层顶板区域共布置5个应力传感器。

2.2 开挖方式

在开采上层煤时从右向左开挖，开采下层煤时从左向右开挖。上层煤在开采前留20cm煤柱（相当于实际的20m）作为边界预留煤柱，下层煤在开采前留30cm的煤柱（相当于实际的30m）。每次开采5cm，每隔20min开挖一次，观测在采动过程中上覆岩层破断特征。

用数码相机对断层界面的移动情况进行拍摄，可以直观地观测模型的破坏过程。通过各监测点所得的数据，观测工作面在依次开采过程中覆岩破坏程度以及断层裂隙的发育情况。

3 试验结果与分析

3.1 下行开采过断层覆岩变化规律

在开采上层煤时对断层进行了预注浆处理。上层煤和下层煤相距15cm。上层煤开采完毕24h以后，对下层煤进行开采，从上盘经过断层向下盘开采。在开采后工作面上覆岩层出现弯曲、垮落、下沉等现象。如图1所示，发现在推进过程中并没有明显的周期垮落步距。

当工作面推到距开切眼35cm时顶板初次垮落，在推到40cm时，此时距离断层10cm左右，以11°的倾角向断层下盘处开采，推进过程中发现顶板并没有发生垮落，断层基本保持稳定。直到推进到55cm时，此时已经推进到断层里面，上盘处顶板才发生垮落，但断层却没有出现明显的向下滑移现象。分析其原因可能是在上层煤开采前对断层进行预注浆处理后加强了断层的强度，致使在进入断层时没有出现“随采随垮”现象。在推进到65cm处时煤层上方的下盘岩层处于悬臂状态，并没有发生垮落。在推进到70cm处时出现大范围的垮落，垮落岩体呈破碎状，下盘岩层出现明显破断线，沟通断层带，与断层形成“三角形”形状，三角形岩体整体发生垮落，对工作面危害较大。继续向前推进，直接顶出现“随采随断”的现象。

图1 覆岩垮落过程图

综合图1（a～d）可见，在过F2断层整个过程中，过断层后开采对顶板的影响最大。在过断层前，断层活化程度较小，基本保持稳定；在过断层期间，断层并没有发生向下滑移的现象，这可能是在开采上层煤时，对断层进行了注浆处理，加强了断层的强度；在过断层后，断层活化剧烈，顶板出现“随采随断”的现象。在实际开采过程中要加强顶板的支护。

3.2 下行工作面过断层顶板应力变化规律

对工作面推近过程及过F2断层过程中的1～5应力测点数据进行整理分析，绘制如图2所示的应力变化折线。

图2 过程中顶板应力变化折线图

根据图2所示，在推采下层煤时顶板所受的应力有一定的规律性。具体来说，在工作面开采初期，应力测点均未发生变化，这是因为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。当工作面推进到33cm时，测点1发生应力变化，随后不断上升，在推进到40cm时，其应力达到峰值，接着随工作面的推进，应力数值不断降低，并在工作面推进到53cm左右时，应力由正值转为负值。分析原因，这是因为工作面此时推过测点1，测点1伴随覆岩垮落并随之失效。测点2整体的变化规律同测点1基本相同，均是在受到支承压力影响后不断上升，达到峰值后又逐渐降低，并在工作面推过测点后失效。从测点1、2可以看出应力达峰值都高于其他几个测点，这主要是由于断层的“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3～5的应力变化规律也基本相同，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。将测点3～5与测点1～2对比发现，两者主要存在两点不同：（1）处于断层下盘的测点3～5并没有呈现出断层上盘测点1～2中类似的应力峰值升高或者降低的规律。这主要是由于随着工作面推过F2断层，断层的应力“阻隔”及“屏障”作用消失，因此其峰值基本大小一致。（2）上盘测点3～5应力峰值明显小于断层下盘测点1～2应力峰值。这主要是因为断层下盘岩层覆岩垮落明显，其对应力具有一定的吸附作用，同时下盘垮落岩层与断层下界面离层裂隙较大，造成了应力传递的不连续性，因此其应力值要小于下盘应力值。

4 结论

（1）在过F2断层整个过程中，过断层后开采对顶板的影响最大。在过断层前，断层活化程度较小，基本保持稳定；在过断层期间，断层并没有发生向下滑移的现象，这可能是在开采上层煤时，对断层进行了注浆处理，加强了断层的强度；在过断层后，断层活化剧烈，顶板出现“随采随断”的现象。在实际开采期间，过断层前可以对断层进行预注浆处理，过断层后要加强对顶板的支护。

（2）工作面推进过程中顶板应力规律如下：随着工作面的推进，顶板应力先增加后减小直至变为负值失去作用。由于断层的 “阻隔”、“屏障”作用，越接近断层应力越集中。