伴生台阶断层近距离煤层开采覆岩运移及应力变化规律试验研究

孙亚楠，张培森，颜 伟，赵亚鹏，闫奋前，吴俊达

（1.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；2.矿业工程国家级实验教学示范中心，山东 青岛266590）

经过数十年的开采，我国煤炭生产越来越向着高效、安全、绿色、无人化的方向发展[1-3]，同时由于我国煤炭产区众多，煤层赋存情况多种多样，随着煤炭储量的减少，近距离以及极近距离煤层群的开采研究逐渐引起人们的重视[4-6]。杜计平等[7-8]对上、下工作面中巷道的内错式、外错式与重叠式3 种位置关系进行了详细论述；索永录等[9-10]在此基础上针对该3 种位置关系进行了受力研究，认为内错式布置巷道受力最小，外错式布置巷道受力最大，而重叠式居中；针对巷道错距问题，徐永圻[11]与任德惠[12]等给出了一般最小合理错距公式。对于开采顺序问题，一种观点认为上层煤对于下层煤的影响较小，或者说其位于下层煤的弯曲下沉带之上就可以采用上行开采，另一观点认为，只要位于垮落带之上就可以[13]，而针对上行开采的采用与否一般有经验法、围岩平衡法、比值判别法和“三带”判别法[14-16]等。针对采煤工作面附近断层存在情况，朱砚秋[17]，朱光丽等[18]分别以断层活化影响因素与莫尔-库仑准则为基础，将其与力学模型相结合，获得了断层活化与断层倾角的关系；郭维嘉等[19-22]通过数值模拟手段对断层在突水时效性方面进行了研究，张培森[23-26]等以断层作为出发点，分别采用试验、模拟等不同研究手段从不同的角度对断层活化以及突水过程进行了研究。据现有资料分析，目前对于近距离煤层同时存在断层的情况研究有限。为此，以柴里煤矿实际地质情况为出发点，采用相似材料模拟试验的手段对近距离煤层下行开采同时伴有台阶断层的特殊覆存情况进行了研究，为相似地质情况的近距离煤层开采提供了参考。

1 工程地质概况

柴里煤矿23614 工作面分为23上614 工作面和23下614 工作面，煤层间距7 m，煤层厚度均为6 m，两工作面位于两断层之间。工作面西侧田岗断层为一正断层组，岩层被逐级抬升，断层组构成台阶断层，其倾角70°，整体落差300～410 m，试验模拟2 级断层，每级断层落差50 m；工作面东侧二龙岗断层为一东升西降正断层，断层倾角65°，落差40～80 m，此外煤层底板存在1 个含水层，含水层距离煤层48 m，断层、工作面及含水层位置关系如图1。

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

2 模型建立与设计

1）试验方案。模拟对象包括上、下工作面及田岗、二龙岗断层、三灰含水层，含水层采用水袋进行模拟。试验比例为1∶200，与之对应的时间及应力相似比分别为1∶14 和1∶300，试验平台尺寸为1.9 m×0.22 m×1.8 m，模拟煤层埋深550 m，对于未能模拟的岩层在上部采用液压千斤顶进行应力补偿，共需补偿12.17 kN。

2）应力测点布设。由于本文篇幅有限，在此仅对分析的应力测点进行介绍分析。在两工作面临近断层处以及三灰含水层底界面布设有12 个应力传感器，测点1～测点5 位于下层煤顶板处，测点6～测点8 位于下层煤底板处，测点9～测点12 位于三灰含水层底界面处，应力测点布置如图2。

图2 应力测点布设图Fig.2 Layout of stress measurement points

3）开采方案。按照近距离煤层下行开采的方式在工作面中部开切眼，逐步向两侧断层推进，研究上下煤层在台阶断层附近的合理煤柱宽度，设计上下煤层在台阶段分别留设25 cm 和30 cm 煤柱。

3 覆岩运动规律

3.1 上层煤开采覆岩运移

根据试验结果，直接顶初次垮落步距为22 cm，周期跨落步距为6 cm，随工作面推进，覆岩出现离层、悬顶及基本顶的周期跨落等现象，各岩层的离层空间与碎胀空间伴随岩层的不断下沉而逐渐缩小，并最终在采空区上部形成稳定的“三带”；断裂线倾角整体呈现增大趋势，但在推进一定距离之后基本保持在一定数值，变化较小，断裂线倾角在35°～68°间，覆岩运动如图3。

对相似材料模拟试验的覆岩垮落形式进行分析并结合相关文献[27]总结后发现，上覆岩层的结构形式主要有悬臂梁结构、砌体梁结构以及暂时稳定的过渡结构，而暂时稳定的过渡结构又区别于悬臂梁与砌体梁，是1 种在两端暂时铰接的短暂过渡结构，在推进距离稍增加情况下，此过渡结构即随之结束，3 种结构的覆岩垮落结构形式如图4。

图3 覆岩运动图Fig.3 Overburden rock movement diagram

在对上覆岩层的结构形式分析的基础上，发现其垮落形式也可分为3 种，即悬臂梁直接垮落形式、悬臂梁-过渡结构垮落形式与悬臂梁-砌体梁垮落形式，3 种垮落形式如图5～图7。

此外，砌体梁可分为一次断距形成式与多次断距形成式，其中多次断距形成式多为2 次断距或3次断距形成式，即经历1 次周期来压后，覆岩并未直接垮落，而是与下一次周期来压后形成的断距共同组成新的砌体梁结构，砌体梁结构形成形式如图8。

图4 覆岩垮落结构形式Fig.4 Overlying rock collapse structure

图5 悬臂梁直接垮落形式Fig.5 Cantilever beam directly collapsed form

图6 悬臂梁-过渡结构垮落形式Fig.6 Falling form of cantilever beam-transition structure

图7 悬臂梁-砌体梁垮落形式Fig.7 Falling form of cantilever beams-masonry beams

图8 砌体梁结构形成形式Fig.8 Form of masonry beam structure

直接顶及基本顶的垮落步距受所铺设岩层厚度、岩层强度以及来压的影响，其步距呈现一定的差异性，并非固定不变。此外，试验发现当上覆岩层离层距离较大时（亦可视为存在关键层），关键层垮落，往往造成破断距的减小，即周期来压的提前，关键层垮落导致来压提前如图9。

图9 关键层垮落导致来压提前Fig.9 The collapse of key layer causing early pressure

对于工程实际，当煤层上覆岩层存在硬厚岩层，即关键层时，关键层的垮落往往导致工作面周期来压提前、来压步距变短[28]，因此，对于此种情况，在进行煤炭生产过程中一定要引起高度重视，提前做好预警准备。

3.2 下层煤开采覆岩运移

试验结果表明，下层煤层在推进至15 cm 时，便发生直接顶的初次垮落。并且由于夹层较薄，上覆破碎岩体的负荷压力较大，初次垮落岩层较为破碎，在高度10 cm 范围内形成了较为独立的“三角空间”，此“三角空间”与上层煤层垮落形成的“梯形空间”区别明显，上下煤层垮落不同空间结构图如图10。

图10 上下煤层垮落不同空间结构图Fig.10 Different spatial structures of the upper and lower coal seams

经分析，煤层垮落形式存在“三角空间”与“梯形空间”的差异主要是由于：2 个层煤的夹层较薄，仅有4 cm，因此造成其垮落步距较短；上部岩体为已垮落岩体，较为破碎，因此当下部岩层垮落时，破碎岩体即随之下落，不构成形成梯形空间上部存在完整岩层的条件；上部岩层已垮落，重力支撑由完整岩体自身承接转变为下部岩体承接，荷载较大；10 cm范围上部岩层较为完整，可构成弯曲结构，不随下部垮落岩层垮落。

随着工作面的持续推进，上覆岩层表现出明显的“随推随垮”的顶板垮落形式，很难形成悬臂梁或者砌体梁结构，即使形成悬臂梁，其结构也极不稳定，在极小断距下就完全垮落，并最终呈现出十分破碎的顶板结构，总结起来说，下层煤推进过程中，顶板垮落呈现出“随挖随垮、无明显周期来压步距、很难形成梁式结构”的特点。

下层煤层推进过程中覆岩垮落过程如图11。下层煤持续开采过程中，上覆岩层的垮落持续加剧，其“梯形空间”与周围岩体的裂隙不断扩大，并且上层煤层垮落后形成的弯曲下沉带进一步下沉并出现裂隙，其最终由弯曲下沉带过渡为裂隙带。

此外，本次试验上覆岩层的垮落并未一直向上延伸，而是在遇到1 层硬厚岩层（可视为上覆岩层中的一关键层）后停止发育，下部垮落岩层与此关键层间离层距离随着下层煤的推进不断扩大，直至下层煤回采完毕，关键层下岩层完全发育为裂隙带，而关键层及关键层以上部分岩层并未发生弯曲下沉或出现裂隙现象，即上覆岩层呈现出仅存在垮落带及裂隙带，而没有弯曲下沉带的特殊“两带”现象，这与平时上覆岩层呈现的“三带”有所区别。分析发现，这种现象出现的原因主要为，没有关键层的存在，其裂隙带的发育高度必将高于目前裂隙带高度，弯曲下沉带随即出现，即展现完整的“三带”现象；另外，若关键层存在，但其位于正常裂隙带高度之上，则裂隙带的高度不会发生变化。

对于工程实际，确定工作面回采后的裂隙带高度，除了要在经验基础上进行计算外，还要考虑回采工作面上覆岩层是否存在关键层[29]，以及关键层与工作面间的距离是否会影响到裂隙带发育高度。

表11 下层煤层推进过程中覆岩垮落过程Table 11 Overburden collapse process during lower coal seam advancement

4 应力变化规律

4.1 上层煤开采应力变化规律

田岗断层附近煤层顶、底板应力变化如图12。由图12（a）可知，在工作面推进初期各应力测点并未发生变化，当工作面推进至17.5 cm 时，测点1 发生变化，并在推进至32.5 cm 时，测点1 应力变化达到峰值，接着应力逐渐降低并在工作面推进至42.5 cm 时出现负值，随后其数值在负值范围内进一步升高；测点2～测点3 呈现出与测点1 相同的变化规律，但测点2～测点3 未出现负值现象；测点4～测点5 的应力变化规律与测点1～测点3 不同，在推进过程中呈现单调递增的变化规律，由图12 可看出工作面超前支承压力影响范围为24.5 cm，最大支承压力出现在距工作面10 cm 处。

图12 田岗断层附近煤层顶、底板应力变化图Fig.12 Stress variation diagram of the coal seam top and floor near Tiangang fault

经分析测点1～测点2 呈现先升高后降低的变化规律，主要是由于随着工作面的推进，超前支承压力向前传递，测点受到支承压力的影响，应力开始升高，并在持续推进过程中达到支撑力的影响峰值，而当支承压力经过测点后，测点应力逐渐降低。测点1 出现负值现象，主要是由于测点1 经历了压-拉应力变化过程，当工作面尚未推过测点1 时，测点1 处于压应力状态，当工作面推过测点1，处于底板位置的测点1 在底鼓现象中受到拉应力的作用，应力由最初的正值转变为负值；测点2～测点3经历过程与测点1 相似，但工作面并未推过测点2～测点3，因此未出现负值现象；测点4～测点5 由于距离断层较近，工作面在推进至煤柱停采线附近停止推进，此时测点4～测点5 仍处于支承压力传递过程中，并未达到压力影响峰值，因此测点4～测点5呈现单调递增状态。

此外，测点1～测点3 所达到的峰值依次升高，主要是由于断层的存在所造成的，测点1～测点3 依次距离断层越来越近，故其所能达到的峰值也就越来越大。断层带往往由破碎岩体所构成，其岩性与周围岩体有较大差异，而这种岩性弱化的破碎岩体受力更易产生变形，造成应力传递的不连续性。另一方面，断层构造的存在对于应力传递可起到缓冲作用，受到这种“屏障”作用的影响，支承压力在向前传递过程中应力大大减小。图12（b）下层煤层底板的应力变化规律与图12（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，并在推进至45 cm 时达到峰值，随后逐渐降低，由于支承压力并未越过测点7～测点8，因此测点7～测点8 一直处于逐渐升高的状态。

试验在三灰含水层底板附近布有4 个应力测点，分别为测点9～测点12，三灰含水层应力变化如图13。

图13 三灰含水层应力变化图Fig.13 Stress change diagram of three-ash aquifer

由图13 可知，随着工作面推进，测点9～测点12应力逐渐升高，在达到峰值后逐渐降低，且测点9～12 的峰值依次升高，但其差值变化并不明显，可见在距离断层及工作面较远处，断层的“屏障”作用尚不明显。

此外还可注意到各测点的数值在逐渐降低后由正值变为负值，且测点9～测点12 的最终负值在数值大小上依次降低，这是由于工作面在推过测点上方后，测点处于采空区，同时由于含水层水压的作用，测点应力状态由此前的压应力转为拉应力，因而其数值由正变负，并且测点9～测点12 依次远离采空区中间位置，越靠近采空区中间位置，其底鼓弯曲程度也就越明显，数值也就越大，因此呈现出图13 的变化规律。

4.2 下层煤开采应力变化

下层煤推进过程中顶、底板应力变化规律与图12 类似，但两者又存在一定区别，顶板应力中测点4～测点5 以及底板应力测点7～测点8 距离采空区较远，支承压力尚未传递至此，因此该4 个测点未发生应力变化。田岗断层附近煤层顶、底板应力变化如图14。

图14 田岗断层附近煤层顶、底板应力变化图Fig.14 Stress change diagram of coal seam roof and floor near Tiangang fault

如图14（a），当工作面推进至22.5 cm 时，测点1 开始逐渐升高，在推进至35 cm 时达到峰值，随后逐渐下降，并在推进至42.5 cm 时转为负值，这一过程与图12（a）的变化规律基本一致，但该测点转为负值是由于应力测点随上覆岩层垮落，测点失效导致；测点2 随工作面推进逐渐升高，最后达到峰值并逐渐降低，其峰值较测点1 峰值要大，主要是断层的“屏障阻隔”作用所造成；在下层煤层推进过程中一直处于上升阶段，说明支承压力峰值尚未越过该测点，并且可预计，由于断层的存在测点3 所能达到的峰值必将大于测点2。由14（b）可看出，仅有测点6发生变化，且一直处于上升阶段，若继续推进，测点6 必将经历逐步上升达到峰值并降低的过程。由图14（a）可知，超前支承压力影响范围为20 cm，最大峰值出现在距工作面前方8 cm 左右处。

通过图14 与图12 对比可发现，在下层煤层回采过程中，支承压力数值远小于上层煤层的压力数值，且下层煤层支撑力影响范围明显小于上层煤层影响范围。究其原因，主要是由于下层煤层回采过程中，上覆岩层为上层煤层已垮落的破碎岩层，由于其较为破碎，整体性差，对支承压力形成一定的吸附缓解作用，且不利于应力传递，因此下层煤层支承压力远小于上层煤层支承压力。

5 结 论

1）近距离上层煤开采过程与单层煤开采类似，覆岩垮落结构可分为“悬臂梁、砌体梁、过渡结构”3类，其垮落形式可分为“悬臂梁直接垮落形式、悬臂梁-过渡结构垮落形式与悬臂梁-砌体梁垮落形式”；当上覆岩层存在关键层时，关键层的垮落往往造成周期来压提前。

2）下层煤开采过程中，其覆岩垮落形成区别于上层煤开采的“三角空间”，并且下层煤开采整体呈现随挖随垮、无明显周期来压步距、很难形成梁式结构的特点；下层煤开采后会造成覆岩裂隙带高度的显著增高，而当裂隙带发展遇到硬厚关键层后，很有可能形成特殊的“两带”现象。

3）当断层存在时，支承压力的传递往往受到断层的应力阻隔作用，越靠近断层顶板应力集中程度越高；处于工作面底板前方的测点经过工作面推进，其将经历应力的“压-拉”过程。

4）下层煤开采初次垮落步距与“不明显的周期垮落步距”均明显小于上层煤；由于覆岩垮落，下层煤造成的支承压力影响范围与应力归零后的压力值均小于上层煤。