采动影响下断层覆岩运移规律的相似模拟研究*

张俊文，钟 帅，梁珠擎

（兰州资源环境职业技术学院，甘肃 兰州730020)

0 引 言

断层的移动规律随开采活动的影响而改变，其移动规律的改变是导致矿井发生断层周围煤炭自燃发火，断层围岩裂隙开张度加大[1]、裂隙发育进而导致断层充水，亦是发生断层周围突水事故的直接诱因。

故此，从灾害防治的角度出发，对断层两盘的相对运动尤其是直线运动的方向和大小进行研究，分析断层两盘移动的产生机理与发生规律，并对断距进行合理测定，提出不同开采方案下断层的移动规律与断距数据，对矿山生产实践具有十分重要的前期指导意义。目前为止，虽然从断层移动机理、移动规律上有大量理论与实践经验，但较为准确合理的对断层位移进行实测，仍然受到生产布局、技术装备水平等多种因素的限制，无法达到实地观测[2、4]。进而，对矿山研究对象采用相似模拟方法，在几何比例、时间比例、物理力学性质上达到数值比例的相似，通过搭建二维模拟实验架，从模拟实验的角度探究断层运动规律，提出模拟实验数据，达到收集断层位移的方向、大小乃至断层运动开始时间的目的，不失为一种从实验角度测定断层位移数据、观测断层移动规律的另一途径[2]。

1 研究对象工程概述

本区位于天山北麓准噶尔盆地南缘，位于昌吉河、乌鲁木齐河、头屯河一带，地层呈近东西向带状展布，古生界二叠系出露地层、中生界三叠系、侏罗系、白垩系及新生界第三系、第四系。本区大地构造位于北天山褶皱带乌鲁木齐山前波状拗陷带，由一系列呈北东东向展布的背向斜和逆冲断裂所组成。与天山褶皱带方向构造线展布基本一致。本勘探区位于阿克德向斜南翼，为一向北西倾斜倾向310°的单斜构造，地层倾角，含煤地层在15°～25°之间，地层走向为北东～南西向走向。

1192 工作面煤质属低水、低中灰、高挥发份、低有害元素、高发热量富油的无粘结性的低变质煤层，主要可采煤层煤类除9－10、15 号煤层为不粘煤（31BN）外，其它煤层均为长焰煤（41CY）。是良好的民用煤及工业用煤，也可作为低温干馏用煤之原料。

1192 工作面位置东至40 勘探线，西至43 勘探线附近，浅部至井田边界，采区下部标高为+850m水平。煤层顶底板岩性多以粉砂岩、细砂岩和炭质泥岩为主，煤层顶底板饱和状态下单向抗压强度一般为15～26MPa，属较软岩类各煤层多属Ⅰ～Ⅱ级很易自燃～易自燃煤层。该工作面回采过程中地质条件复杂，自西向东断层分别有T8、T7、T4、T1 断层，均为正断层，断层落差大致在1.2m～2.7m 之间。其中T1、T4 断层对回采影响较大，本次模拟实验，主要就T1 断层的移动规律进行分析及数据采集。煤层厚度为4.5m～13.2m，平均8.9m，属较稳定煤层，结构简单～复杂。顶板岩性以粉砂岩、细砂岩和炭质泥岩为主。底板岩性以粉砂岩、泥岩炭质泥岩。上距5 号煤间距15～21m，平均18m。

2 相似模拟试验设计及安排

按照实测断层在开采活动中上下盘移动数据的要求，使用二维平面模型；模拟1192 工作面倾向方向开采，并在模拟架搭设过程中使用薄铁片模拟断层，起到隔开模拟材料的作用[3、5]。模型架尺寸的长、宽、高分别为3.0m×0.20m×1.5m。试验材料中骨料选取为河砂，胶结材料选取石膏、碳酸钙，本次是实验使用河砂479.08kg、石膏32.2kg、大白粉138.6kg。将几何相似常数aL 定为100；时间比例常数定为10[4]。体积重度常数为2，模拟实验架搭设效果见图1 所示。

图1 模拟实验架搭设效果

2.1 相似材料的选择

首先需要相似材料的主要力学性质与模拟的岩层或结构相似，其次，相似材料力学性能稳定，可通过改变材料的配比达到调整力学性能的目的，材料分为骨料与胶结材料两类。

骨料：河砂、黏土（模拟黄土层）、做分层模拟时用到的云母粉、铁粉（增加体积密度）、木屑、炉渣（减小体积密度）

胶结材料：石膏（增加材料脆性）、碳酸钙（减小材料强度）

2.2 材料配比

可将河砂、石膏、碳酸钙进行配比模拟岩层，将云母粉作为分层材料，加水量以手可以握成形为标准，在搭设过程中每个十五公分左右模拟裂隙发育。

2.3 模型的设计过程

1）收集研究地区的地质柱状图、岩石试件物理性质（抗压、抗剪、弹性模量）、开采计划、地质条件。

2）根据地质柱状图确定暂定配比号。

3）确定体积质量相似常数，以此计算强度比例。进而推算出模型试件的物理力学指标，即抗压、抗剪。

4）用计算出的模型试件的抗压、抗剪强度得到模拟材料配比。

5）根据配比，计算每分层的实际用量。

2.4 搭架过程

1）铺设并连接好最下部的压力传感器。

2）称好每一分层在搭设过程中所需要的各种材料，在搅拌机中进行搅拌，搅拌一段时间后加入一定的水量，加水量以手握一把砂可以成形为好。

3）将搅拌好的材料倒入模型中可在材料上方放一块薄胶皮，用金属棍来回压实，也可使用工具压实。

4）为保证初始条件的相似，在刚铺好的每一分层岩层中，用刻刀按一定间隔切割裂隙，然后轻轻压实，并撒上云母粉，起到隔层的作用。

5）一直往上铺设，护板随之升高，直到所需高度为止。

6）T1 断层的相似模拟采用物理分割模拟岩体，形成上下盘。

2.5 实验安排

1）测点的布置方式。为收集开采活动对T1 断层的影响，并采集断层上上下盘的移动数据及断层附近煤柱的应力分布情况，在模拟断层T1 的围岩层左右两边各布置两条观测线，即每隔5cm 在模拟架表面布置观测点，分别以英文字母编号，使用全站仪每模拟开挖一次对每个观测点进行位移的测量，确定断层上下盘移动方向及程度。并在搭建模拟架的过程中在断层周围岩层中等距布设一定数量的应力应变片，以此收集观测点运移速率，断层处模拟效果见图2 所示。

图2 断层处模拟效果

2）压力传感器布置方法。为准确测出断层附近的应力集中程度，进而对断层上下盘的移动提出理论支持，故此，搭设模拟实验架之前，在模型架底部分别布置压力传感器，分别编号。

3）模拟开采方法。在模拟开采过程中，按照时间比例常数，每2.4h 模拟工程对象一天的开采进度，该模拟工作面采高5m，每2.4h 模拟开挖2.6cm，并在模拟架的右侧留设10cm 的采区保护煤柱。

3 实验分析

3.1 断层上下盘移动现象

使用双锯条中间夹木块的方法进行模拟开挖，按模拟时间每次向前推进2.6m，在模拟开采的过程中，每开采一次，便通过全站仪观测T1 断层附近的观测点，记录观测数据，以此进行实时动态观测断层的上下盘位移趋势。

该工作面煤柱留设在17m 左右，断层上下盘出现移动现象，通过压力传感器的数据采集，此时断层附近出现支撑压力集中现象。

实验持续推进至距离断层12m 处时，出现第一次断层位移的现象，即当断层保护煤柱留设在12m时，断层周围岩石出现运动，通过断层附近的观测点数据分析，此时T1 断层的上盘、下盘均出现相对位移趋势，并均向下移动，在该处上盘移动距离在10 至75m 范围之间，通过微应变的读取，此时观测点的运移动速率为7mm/m-1。此时将断层煤柱更改为9m，即工作面继续向前推进5m，此时，使用全站仪分别观测断层位移，断层上下盘围岩改变之前的运动方向，出现上下盘围岩均向上移动的趋势，在该处断层上下盘移动距离在10 至70m 之间，观测点的运移动速率在10mm/m-1以上。当工作面推进至175m 时，即断层煤柱留设更改为3m 时，断层的上下盘运移方向出现交错改变，此时，断层上盘改变之前的运动方向变为向下移动，滑距达80m, 运移动速率20mm/m-1,断层下盘出现向上移动的现象，滑距70m, 运移动速率3mm/m-1。

3.2 断层上下盘移动规律分析

基于试验过程，通过观测1192 工作面T1 断层上下盘在开采活动中由于不同煤柱留设量的改变而出现的上下盘位移方向改变。1192 工作面断层上下盘移动规律分析如下：

当工作面断层煤柱的留设定为17m 时，该工作面断层上下盘首次出现上下盘的移动，并在此时出现应力集中的现象，断层容易在此时出现内部裂隙的开张度的加大，从而破坏断层附近围岩的稳定性，使其周围裂隙发育，使得本不导水的断层出现导水的可能，加大该处工作面透水的可能性，此时，应加大顶板管理力度，加强巷道支护，防止巷道局部冒顶、片帮。

断层的移动规律过程随开采活动的影响而改变，是发生断层周围突水事故的诱因之一，上下盘运动方向在开采活动的影响下出现交错运动的现象，亦是矿井发生断层周围煤炭自燃发火，而断层围岩裂隙开张度加大、裂隙发育的现象同样容易使原本的断层特性发生改变，进而导致断层充水，由不充水断层转变为充水断层，对矿山安全构成威胁。

4 结 论

为研究断层在矿山开采活动影响下工作面内的运移规律，并观察留设不同断层煤柱情况下断层上下盘的稳定性，采用相似材料模拟法，对屯宝煤矿1192 工作面进行二维平面架建模，搭建仿真模拟实验架，分析该工作面开采过程中断层上下盘移动规律，确定合理断层煤柱留设量。

本次实验基于相似材料模拟实验的方法，在首先确定模型几何比例、时间比例、物理力学性质的相似后，按照材料的配比要求，将河砂、石膏、碳酸钙进行调配，并进行搭架，使用全站仪、应力应变仪、压力传感器等实测工具对1192 工作面T1 断层上下盘的运移方向、大小进行数据采集及分析。

该工作面煤柱留设在17m 左右，断层上下盘出现移动现象，并出现支撑压力集中现象。当工作面煤柱留设在12m 左右，出现断层上下盘均下移现象，煤柱留设在9m 左右，断层上下盘均向上移动，如若持续推进，断层将出现上盘向下移动，下盘向上移动，形成对断层围岩的剪切破坏。