基于相似模擬試驗的斷層防水煤柱留設(shè)研究

畢堯山 吳基文 黃 凱,2 翟曉榮 張紅梅

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽省淮南市，232001；2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽省合肥市，230009)

礦井突水問題一直是煤礦安全生產(chǎn)中的重要問題。據(jù)資料統(tǒng)計，絕大部分礦井突水事故的發(fā)生都與斷層有關(guān)，且多是由于小斷層或隱伏斷裂在釆動影響下活化造成的。因此研究斷層采動效應(yīng)對于礦井安全生產(chǎn)也有十分重要的意義，研究近斷層處煤層開采與斷層防水煤柱的合理留設(shè)問題也一直是煤礦科學(xué)技術(shù)問題的熱點。

在諸多研究方法中，相似模擬試驗因其試驗結(jié)果直觀、效應(yīng)清楚、周期短、效果顯著等優(yōu)點而備受青睞。彭蘇萍等通過相似材料模擬試驗，對煤層在回采過程中煤層頂板巖體的變形破壞特征和礦壓的分布規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)斷層會隨著采動的變化而發(fā)生活化；黎良杰通過相似模擬試驗，認(rèn)為斷層突水的實質(zhì)是在承壓水的作用下，斷層兩盤的關(guān)鍵層向上相對位移差的產(chǎn)生。若斷層越易產(chǎn)生最大位移差，則越易突水；翟曉榮等通過進行斷層帶相似材料模擬試驗，跟蹤監(jiān)測了在煤柱縮小過程中近斷層帶煤層底板的采動應(yīng)力特征和斷層帶兩側(cè)巖體的應(yīng)力變化規(guī)律；吳基文等利用相似材料模擬試驗，監(jiān)測了煤柱在不斷縮小過程中斷層帶兩側(cè)巖體位移的變化規(guī)律。

本文通過相似模擬試驗，對龍東煤礦7號煤層開采時煤柱寬度不斷減小的過程中斷層帶巖體變形破壞特征、煤層底板應(yīng)力及位移情況進行監(jiān)測、分析，從而為合理留設(shè)斷層防水煤柱提供有益參考。

1 模型的研究與建立

1.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

試驗研究原型為徐州境內(nèi)的龍東煤礦東二采區(qū)邊界斷層F孫斷層，試驗的主采煤層為山西組中下部的7號煤層。東二采區(qū)7號煤層底板等高線和斷層模型圖如圖1所示。由圖1可知，煤層傾角平均15°，煤層采厚為5 m，底板標(biāo)高-250～-600 m，平均標(biāo)高-425 m，平均采深460 m。F孫斷層走向NE，傾向SE，傾角70°～76°，延展長度3336 m，落差30～240 m，屬可靠正斷層。

圖1 F孫斷層地質(zhì)模型

1.2 相似模型的建立

1.2.1 試驗材料和參數(shù)的選取

本次模型所選相似材料的骨料為細(xì)砂，膠結(jié)物骨料為石灰與石膏，斷層破碎帶的骨料為云母粉及細(xì)砂。根據(jù)實驗室長期試驗所總結(jié)出的配比，此次試驗相似常數(shù)如表1所示。

表1 模擬試驗主要相似比參數(shù)

1.2.2 F孫斷層相似材料模型

此次試驗所搭建的模型幾何尺寸為300 cm×30 cm×150 cm(長×寬×高)，依據(jù)相似比，相當(dāng)于模擬包括7號煤層及7號煤層底板以下60 m和頂板以上85 m共計厚約150 m的巖層。為保證模型整體及斷層在加壓之后的穩(wěn)定性，斷層帶沒有延伸到模型頂部，斷層延伸高度120 m，在其之上的30 m由水平層覆蓋。F孫斷層相似材料模型如圖2所示。

圖2 F孫斷層相似材料模型

1.2.3 加載方式

由于本次試驗只能模擬7號煤層頂板以上85 m的巖層自重，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件得知，模擬區(qū)段內(nèi)7號煤層平均埋深460 m，因此模型上沒有模擬到的巖層需通過施加載荷的方式來補償垂直應(yīng)力，此次試驗補償荷載選取配重塊加壓。

試驗?zāi)M平均采深460 m，煤層上覆巖層的平均密度取2.5×103kg/m3，7號煤層實際應(yīng)力為11.5 MPa，則模型中7號煤層的模擬應(yīng)力根據(jù)應(yīng)力相似系數(shù)計算為0.07 MPa；模型中7號煤層上覆巖層模擬厚度為0.85 m，模擬應(yīng)力經(jīng)計算為0.0129 MPa，需要補償?shù)膽?yīng)力應(yīng)為0.0557 MPa。模型的橫截面積為0.9 m2(3 m×0.3 m)，則需要施加的荷載為50.13 kN，即所配加壓重塊為5013 kg。

2 相似模擬試驗

為分析煤層開采對斷層采動效應(yīng)的影響，研究在7號煤層煤柱寬度不斷縮小的情況下斷層帶巖體變化、煤層底板應(yīng)力變化以及位移變化情況，布設(shè)本次傾向斷層模型。

2.1 測點的布置

由于本次試驗主要模擬煤層底板及斷層帶兩側(cè)巖體的采動效應(yīng)變化情況，因此主要在模型中的煤層底板及斷層附近布置測點。

為研究F孫斷層帶對煤層開過程中采動應(yīng)力傳遞的影響及應(yīng)力在對盤的傳遞規(guī)律，在模型中距離煤層底板10 cm及30 cm處鋪設(shè)應(yīng)力測線，對煤柱減小過程中的應(yīng)力變化進行監(jiān)測。

為研究F孫斷層帶兩盤巖體位移變化規(guī)律，分別在煤層底板10 cm及30 cm處布置位移測線，對煤柱減小過程中的位移變化進行監(jiān)測。

2.2 煤層開采過程

此次模擬對近斷層邊界7號煤層進行開采，重點模擬隨著斷層煤柱不斷減小的過程中煤層底板與斷層兩側(cè)巖體的采動效應(yīng)特征。模型建立后，進行加載，然后放置2 d，等應(yīng)力完全傳遞到各巖層以后，將加載系統(tǒng)應(yīng)力清零，開始開采。煤層左側(cè)留50 cm的約束煤柱，從左向右，向F孫斷層推進。首次開采10 cm，以后每隔2 h開采5 cm，共計開采150 cm，然后模型放置2 d，等應(yīng)力傳遞穩(wěn)定后，結(jié)束測試。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 模型采動變形破壞特征

通過觀察煤層在開采過程中，即煤柱寬度不斷縮小過程中，發(fā)現(xiàn)斷層帶因為采動作用的影響而發(fā)生開裂現(xiàn)象直至最終破壞，變形破壞過程見表2，部分變形破壞特征演變?nèi)鐖D3所示。

表2 煤層推進過程模型變形破壞特征記錄表

為了更好地判斷煤層開采過程中對斷層產(chǎn)生的采動影響，還應(yīng)對煤層底板近斷層帶附近巖體的應(yīng)力及位移進行研究。

3.2 煤層底板巖體應(yīng)力變化

通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀分析巖層中的電阻應(yīng)變片獲得其微應(yīng)變，再通過計算獲得相應(yīng)的應(yīng)力，進而對斷層帶附近巖體應(yīng)力進行分析。對煤層底板10 cm和30 cm處應(yīng)力測線進行監(jiān)測與分析，得出了應(yīng)力變化曲線如圖4所示。由圖4(a)可知，近斷層帶33#、45#測點應(yīng)力在工作面回采前期變化趨勢基本一致，且應(yīng)力值基本相同。當(dāng)工作面推進130 cm即煤柱寬度為20 cm時，位于下盤的測點應(yīng)力出現(xiàn)突降，且由最初的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換為拉應(yīng)力，45#測點位于L10灰頂部，對阻水不利。由圖4(b)可知，在底板下方30 cm近斷層帶附近同一水平的28#、40#測點變化趨勢差異最為明顯，在工作面回采初期二者變化基本一致，雖然在工作面推進80 cm時，兩處監(jiān)測點的應(yīng)力增幅達(dá)到最大，但28#測點應(yīng)力值遠(yuǎn)大于40#測點，且在推進90 cm后下盤40#測點應(yīng)力發(fā)生了突降，由原來的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換為拉應(yīng)力，此時煤柱寬度為60 cm；當(dāng)回采至120 cm即煤柱寬度為30 cm時，應(yīng)力發(fā)生二次突降，拉應(yīng)力進一步增大，40#測點正好位于礦井內(nèi)L12灰上部，應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換為拉應(yīng)力對阻水不利。

圖3 煤層推進過程模型典型變形破壞特征

通過對7號煤層開采過程中煤層底板近斷層帶附近巖體應(yīng)力變化進行分析研究，發(fā)現(xiàn)煤層開采過程中對斷層產(chǎn)生了采動效應(yīng)，使得斷層處應(yīng)力發(fā)生改變，近斷層處的應(yīng)力由壓應(yīng)力逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力，煤層底板應(yīng)力變化明顯，說明隨著煤層的開采，采動作用已經(jīng)影響到近斷層帶處應(yīng)力平衡，易使斷層發(fā)生活化現(xiàn)象。

3.3 底板近斷層帶巖體位移變化

在開挖不同步距時對煤層底板10 cm及30 cm處位移測線進行巖體位移變化研究，得到煤層底板10 cm及30 cm處位移變化曲線如圖5所示。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作面推進100 cm即煤柱寬度為50 cm時，在底板10cm及30 cm測線近斷層帶兩側(cè)均出現(xiàn)位移差，但位移差較小，斷層兩側(cè)最大位移差為0.5 mm左右；在工作面推進120 cm即煤柱寬度為30 cm時，位移差出現(xiàn)明顯增大，最大位移差在0.7 mm左右；當(dāng)回采150 cm即無煤柱時，位移差為1.1 cm，斷層兩側(cè)位移差大，此時斷層發(fā)生活化現(xiàn)象。這說明隨著煤柱寬度的縮小，煤層開采時所產(chǎn)生的采動作用對斷層帶兩側(cè)巖體表現(xiàn)得越來越強烈，使得斷層兩側(cè)位移差逐漸增大，引起斷層發(fā)生活化，從而導(dǎo)致斷層導(dǎo)水。

3.4 斷層防水煤柱寬度的確定

通過上述分析可知，當(dāng)斷層煤柱寬度為50 cm時，斷層帶兩側(cè)巖體開始出現(xiàn)位移差；當(dāng)煤柱寬度為30 cm時，位移差進一步增大。隨著煤柱寬度的不斷減小，斷層兩側(cè)出現(xiàn)的位移差逐漸增大，直到斷層發(fā)生活化。為了防止出現(xiàn)斷層活化，應(yīng)避免斷層帶兩盤巖體出現(xiàn)位移差，經(jīng)相似比換算后可得，所留斷層防水煤柱應(yīng)不少于50 m。

圖4 煤層底板應(yīng)力變化曲線

圖5 煤層底板位移變化曲線

4 與經(jīng)驗公式計算值的對比

由于此次相似模擬試驗是基于4號勘探剖面線布設(shè)的，故以4號勘探線剖面為例采用經(jīng)驗公式計算F孫斷層防水煤柱寬度值。F孫斷層4號勘探線剖面如圖6所示。

圖6 F孫斷層4號線勘探剖面圖

由圖6可以看出，上盤地層傾角變大，7號煤層傾角約為18°，下盤地層較為平緩，傾角4°左右，上盤7號煤層底板距離下部L4灰含水層65 m，正常開采情況下不會發(fā)生底板L4灰突水，但由于斷層落差較大，導(dǎo)致下盤L12灰和奧灰等與上盤煤層底板對接，易導(dǎo)致底板突水。因此，此處主要考慮斷層活化導(dǎo)水后煤層底板突水這種情況，對4號勘探剖面線剖面處防水煤柱寬度進行計算。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，如果受采動影響，斷層發(fā)生活化導(dǎo)水且煤層底板突水時，按式(1)計算煤柱寬度，計算結(jié)果見表3。

式中：L2——煤柱寬度，m；

Ha——斷層安全防水煤柱的寬度，m；

α——斷層傾角，(°)；

P——防水煤柱所承受的靜水壓力，MPa；

TS——突水系數(shù)，斷層影響帶突水系數(shù)取0.06 MPa/m。

根據(jù)經(jīng)驗公式計算得出的煤柱留設(shè)寬度結(jié)果，當(dāng)斷層發(fā)生活化導(dǎo)水時，所留煤柱寬度應(yīng)不小于43.31 m，與根據(jù)相似模擬試驗確定的斷層防水煤柱寬度結(jié)果接近，說明本次相似模擬試驗結(jié)果具有一定可靠性。

表3 考慮煤層突水時留設(shè)煤柱寬度計算結(jié)果

5 結(jié)論

本文采用相似模擬試驗方法建立工程地質(zhì)模型，模擬煤層開采過程中隨著煤柱寬度的不斷減小過程中斷層的采動效應(yīng)，據(jù)此確定了F孫斷層防水煤柱的寬度，并通過采用經(jīng)驗公式計算驗證了相似模擬試驗確定的結(jié)果。

(1)隨著煤層開采的不斷推進，斷層帶會受到采動作用的影響而發(fā)生變形甚至開裂現(xiàn)象。并且隨著煤層的開采，采動作用已經(jīng)影響到近斷層帶處應(yīng)力平衡。為了防止出現(xiàn)斷層活化，應(yīng)避免斷層帶兩盤巖體出現(xiàn)位移差。據(jù)此，確定F孫斷層防水煤柱寬度應(yīng)不小于50 m。

(2)通過經(jīng)驗公式計算，得到F孫斷層防水煤柱寬度應(yīng)不小于43.31 m，與本次相似模擬試驗結(jié)果接近。

(3)綜合確定留設(shè)的F孫斷層防水煤柱寬度為50 m，為分析、確定合理斷層防水煤柱寬度、保證煤礦安全生產(chǎn)提供了有益參考。