断层滑动对采动压力的影响及断层影响研究

刘晓龙

（山西宁武大运华盛老窑沟煤业有限公司，山西 宁武 036700）

断层滑动主要是指煤炭工业中由于长壁板的抽采而引起的一种突然而强烈的断层滑动，这种滑动会对巷道造成重大破坏。因此，研究断层滑动的预测是一项重要的安全问题。

文献[1]采用了高分辨率地震反射技术来构造断层的成像和映射定位煤矿断层。在作业中，从地震剖面中探测和解释了几条断层，并估算了断层的位移，从而在断裂带内设计出更安全、更高产的煤矿。文献[2]利用地质建模软件对多个煤层和多个逆断层进行了计算机制图，对煤矿开采中的断层进行有效的制图。文献[3]用各种方法进行了一系列的研究来模拟断层滑动的影响。

在分析断层活化机制，预测采矿活动引起的断层滑动，开展了大量的实验研究、数值研究和现场试验。然而，针对多断层结构对采动压力的影响的研究较少。本文从这个角度出发建立了两种断层构造的物理模型，对未受影响带和受断层影响带采动压力进行了研究。

1 物理建模及其步骤

1.1 物理建模

要建立模型，首先要满足弹性和相似性理论[4]。因此，模型的几何形状、材料的强度和密度应满足以下方程[5]:

式中：CL，Cσ和Cρ分别为模型几何形状、材料强度和密度的相似系数。这些参数可以通过式（2）来获得。

式中：LP，σP，ρP分别表示模型的几何形状、强度和密度。如果系数Cσ和CL可知，则系数Cρ可由方程（1）（2）求得。需要注意的是，这三个系数都是无量纲参数。

1.2 物理模型的建立

建立长4.2 m、高1.5 m、厚0.25 m的物理模型，如下页图1所示。相似系数CL设置为200。根据砂、石膏、石灰粉混合料质量经验值，相似系数Cρ设为1.2~1.7，在本研究中，设置为1.5。由式（1）可计算出相似系数Cσ为300，不同岩层的砂、石灰粉、石膏混合料比例如表1所示。

表1 不同岩层的砂、石灰粉和石膏的混合比例

为了获得断层滑动，需要在物理模型周围设置边界条件[6-7]。在模型的顶部，施加竖向荷载来模拟覆盖层重量。掘进方向为模型从左向右，掘进步骤为5 cm。因此，为了减少边界效应，在模型的左右边界保留两个宽度为40 cm的柱子，如下页图1所示。

由于难以模拟地质演化和断层形成，在建立物理模型时，F36和F37断层自下而上逐步形成。图1-2为物理模型中断层构造过程示意图。

1.3 监测方案

在物理模型中监测应力和变形。如图1-1所示，应变传感器检测煤层开采过程中的应力变化。断层F37前有13个传感器。传感器之间的间距为15 cm。根据应变传感器的应力应变关系，将传感器的应变变化数据转换为应力变化数据（图2）。

图1 物理模型及故障构造示意图

图2 应变传感器的应力-应变关系

2 监测结果及分析

2.1 上覆岩层移动特征

在煤层开采过程中，可以看到未受影响带和断层影响带。第一次顶板冒落跨度约为45 cm。未受影响带顶板周期性崩落跨度约为15 cm，断层影响带顶板周期性崩落跨度约10 cm，利用1.3节的应力和位移数据可以准确确定这两个区域之间的边界。F37-F36断裂间的周期性顶板垮落跨度为10~15 cm，表明该区顶板岩层裂隙扩展严重。

2.2 断层运动特征

图3为煤矿开采过程中上覆岩层移动的典型图像，3-1是为第14次主冒顶周期性崩落，上覆岩层严重坍塌，断层滑动严重；3-2为第16期周期性主冒落和断层滑动；3-3为断层滑动。

从图3的实验结果可以看出，当工作面推进到距离F37断层115 cm位置时，F37断层对煤层的回采开始产生轻微的响应。当距离F37断层20 cm时，F37断层发生剧烈运动。

图3 上覆岩层移动的典型图像

2.3 采动压力分布

2.3.1 确定不受影响带和受断层影响带之间的边界

由于断层活动是由开采活动引起的，煤层的开采是主导因素，采动压力在正常和断层影响带的特征会有所不同。下页图4为1-13号传感器在工作面推进过程中检测到的一系列应变变化曲线。当工作面与F37断层距离达到115 cm时，采动压力变化显著。应力曲线在受断层影响带呈现出剧烈的波动（图4-2），而在未受断层影响带则相对稳定（图4-1）。该边界应与实验观测到的采动断层滑动起始位置一致。因此，不受影响带和受断层影响带之间的边界确定为距离F37断层115 cm。

图4 1-13号传感器探测工作面推进过程中的应变变化曲线

2.3.2 未受影响区采动压力

下页图5为1-3号传感器在未受影响区监测时间下采动应力的变化规律。开始时应力较低，在工作面前方某一时刻应力急剧增大。图6为1号传感器采动应力随工作面距离的变化规律。结果表明，在试验尺度（原型尺度10 m）下，支承应力在工作面前方5 cm处达到峰值。影响带长度约为长壁工作面前15 cm（原型尺度下为30 m）。这些结果与现场试验中观察到的采动压力一致。

图5 煤层开采时采动压力在不受影响带和受断层影响带的分布

图6 1号传感器采动压力随离工作面距离在不受影响区域的分布

2.3.3 断层影响带采动压力

图5为断层影响带8-11号传感器采动压力分布图。对比未受影响带和断层影响带的传感器，断层影响带采动压力最大值比未受影响带大26%。以11号传感器为例如图7所示变化。由于上覆岩层的压实作用，在顶板坍塌前会出现轻微和逐渐增加的阶段。顶板连续冒落会导致应力逐渐减小，断层粘滞和断层滑移交替发生是采动压力急剧上升和随后稳定阶段的主要原因。因此，应力的急剧增加和随后的稳定可以作为断层滑动的前兆信息。

图7 断层滑动过程及其前兆解释

2.4 上覆岩层变形特征

图8为F37断层周围5个监测站的断层位移结果（图1-1）。结果表明，在断层滑动发生前，监测站的位移有一个稳定的增加阶段。这一阶段也可以作为断层滑动的前兆信息。下页图9为断层滑动前后物理模型的位移等值线。需要注意的是，当断层滑动发生时，顶板岩层的位移急剧增加。

图8 断层F37附近监测站的位移结果

图9 断层滑动前后物理模型的位移等值线

3 结论

采用断裂构造存在时的物理模拟方法，研究了上覆岩层的坍塌特征及未受影响带和受断层影响带的采动压力。得出的主要结论总结如下:

1）在地下开采中，断层等不良地质条件的存在会严重导致岩石损伤的扩大和事故的发生。由于开采活动和断层滑动的共同作用，断层影响带的采动压力和岩体损伤程度大于未受影响带。

2）应力的急剧增加和随后的稳定或位移的稳定增加可作为断层滑动的前兆信息。