伴生臺階斷層近距離煤層開采覆巖運移及應(yīng)力變化規(guī)律試驗研究

孫亞楠，張培森，顏 偉，趙亞鵬，閆奮前，吳俊達(dá)

（1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島266590；2.礦業(yè)工程國家級實驗教學(xué)示范中心，山東 青島266590）

經(jīng)過數(shù)十年的開采，我國煤炭生產(chǎn)越來越向著高效、安全、綠色、無人化的方向發(fā)展[1-3]，同時由于我國煤炭產(chǎn)區(qū)眾多，煤層賦存情況多種多樣，隨著煤炭儲量的減少，近距離以及極近距離煤層群的開采研究逐漸引起人們的重視[4-6]。杜計平等[7-8]對上、下工作面中巷道的內(nèi)錯式、外錯式與重疊式3 種位置關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)論述；索永錄等[9-10]在此基礎(chǔ)上針對該3 種位置關(guān)系進(jìn)行了受力研究，認(rèn)為內(nèi)錯式布置巷道受力最小，外錯式布置巷道受力最大，而重疊式居中；針對巷道錯距問題，徐永圻[11]與任德惠[12]等給出了一般最小合理錯距公式。對于開采順序問題，一種觀點認(rèn)為上層煤對于下層煤的影響較小，或者說其位于下層煤的彎曲下沉帶之上就可以采用上行開采，另一觀點認(rèn)為，只要位于垮落帶之上就可以[13]，而針對上行開采的采用與否一般有經(jīng)驗法、圍巖平衡法、比值判別法和“三帶”判別法[14-16]等。針對采煤工作面附近斷層存在情況，朱硯秋[17]，朱光麗等[18]分別以斷層活化影響因素與莫爾-庫侖準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，將其與力學(xué)模型相結(jié)合，獲得了斷層活化與斷層傾角的關(guān)系；郭維嘉等[19-22]通過數(shù)值模擬手段對斷層在突水時效性方面進(jìn)行了研究，張培森[23-26]等以斷層作為出發(fā)點，分別采用試驗、模擬等不同研究手段從不同的角度對斷層活化以及突水過程進(jìn)行了研究。據(jù)現(xiàn)有資料分析，目前對于近距離煤層同時存在斷層的情況研究有限。為此，以柴里煤礦實際地質(zhì)情況為出發(fā)點，采用相似材料模擬試驗的手段對近距離煤層下行開采同時伴有臺階斷層的特殊覆存情況進(jìn)行了研究，為相似地質(zhì)情況的近距離煤層開采提供了參考。

1 工程地質(zhì)概況

柴里煤礦23614 工作面分為23上614 工作面和23下614 工作面，煤層間距7 m，煤層厚度均為6 m，兩工作面位于兩斷層之間。工作面西側(cè)田崗斷層為一正斷層組，巖層被逐級抬升，斷層組構(gòu)成臺階斷層，其傾角70°，整體落差300～410 m，試驗?zāi)M2 級斷層，每級斷層落差50 m；工作面東側(cè)二龍崗斷層為一東升西降正斷層，斷層傾角65°，落差40～80 m，此外煤層底板存在1 個含水層，含水層距離煤層48 m，斷層、工作面及含水層位置關(guān)系如圖1。

圖1 工作面及斷層位置關(guān)系圖Fig.1 Relationship between working face and fault

2 模型建立與設(shè)計

1）試驗方案。模擬對象包括上、下工作面及田崗、二龍崗斷層、三灰含水層，含水層采用水袋進(jìn)行模擬。試驗比例為1∶200，與之對應(yīng)的時間及應(yīng)力相似比分別為1∶14 和1∶300，試驗平臺尺寸為1.9 m×0.22 m×1.8 m，模擬煤層埋深550 m，對于未能模擬的巖層在上部采用液壓千斤頂進(jìn)行應(yīng)力補償，共需補償12.17 kN。

2）應(yīng)力測點布設(shè)。由于本文篇幅有限，在此僅對分析的應(yīng)力測點進(jìn)行介紹分析。在兩工作面臨近斷層處以及三灰含水層底界面布設(shè)有12 個應(yīng)力傳感器，測點1～測點5 位于下層煤頂板處，測點6～測點8 位于下層煤底板處，測點9～測點12 位于三灰含水層底界面處，應(yīng)力測點布置如圖2。

圖2 應(yīng)力測點布設(shè)圖Fig.2 Layout of stress measurement points

3）開采方案。按照近距離煤層下行開采的方式在工作面中部開切眼，逐步向兩側(cè)斷層推進(jìn)，研究上下煤層在臺階斷層附近的合理煤柱寬度，設(shè)計上下煤層在臺階段分別留設(shè)25 cm 和30 cm 煤柱。

3 覆巖運動規(guī)律

3.1 上層煤開采覆巖運移

根據(jù)試驗結(jié)果，直接頂初次垮落步距為22 cm，周期跨落步距為6 cm，隨工作面推進(jìn)，覆巖出現(xiàn)離層、懸頂及基本頂?shù)闹芷诳缏涞痊F(xiàn)象，各巖層的離層空間與碎脹空間伴隨巖層的不斷下沉而逐漸縮小，并最終在采空區(qū)上部形成穩(wěn)定的“三帶”；斷裂線傾角整體呈現(xiàn)增大趨勢，但在推進(jìn)一定距離之后基本保持在一定數(shù)值，變化較小，斷裂線傾角在35°～68°間，覆巖運動如圖3。

對相似材料模擬試驗的覆巖垮落形式進(jìn)行分析并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[27]總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，上覆巖層的結(jié)構(gòu)形式主要有懸臂梁結(jié)構(gòu)、砌體梁結(jié)構(gòu)以及暫時穩(wěn)定的過渡結(jié)構(gòu)，而暫時穩(wěn)定的過渡結(jié)構(gòu)又區(qū)別于懸臂梁與砌體梁，是1 種在兩端暫時鉸接的短暫過渡結(jié)構(gòu)，在推進(jìn)距離稍增加情況下，此過渡結(jié)構(gòu)即隨之結(jié)束，3 種結(jié)構(gòu)的覆巖垮落結(jié)構(gòu)形式如圖4。

圖3 覆巖運動圖Fig.3 Overburden rock movement diagram

在對上覆巖層的結(jié)構(gòu)形式分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)其垮落形式也可分為3 種，即懸臂梁直接垮落形式、懸臂梁-過渡結(jié)構(gòu)垮落形式與懸臂梁-砌體梁垮落形式，3 種垮落形式如圖5～圖7。

此外，砌體梁可分為一次斷距形成式與多次斷距形成式，其中多次斷距形成式多為2 次斷距或3次斷距形成式，即經(jīng)歷1 次周期來壓后，覆巖并未直接垮落，而是與下一次周期來壓后形成的斷距共同組成新的砌體梁結(jié)構(gòu)，砌體梁結(jié)構(gòu)形成形式如圖8。

圖4 覆巖垮落結(jié)構(gòu)形式Fig.4 Overlying rock collapse structure

圖5 懸臂梁直接垮落形式Fig.5 Cantilever beam directly collapsed form

圖6 懸臂梁-過渡結(jié)構(gòu)垮落形式Fig.6 Falling form of cantilever beam-transition structure

圖7 懸臂梁-砌體梁垮落形式Fig.7 Falling form of cantilever beams-masonry beams

圖8 砌體梁結(jié)構(gòu)形成形式Fig.8 Form of masonry beam structure

直接頂及基本頂?shù)目迓洳骄嗍芩佋O(shè)巖層厚度、巖層強(qiáng)度以及來壓的影響，其步距呈現(xiàn)一定的差異性，并非固定不變。此外，試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)上覆巖層離層距離較大時（亦可視為存在關(guān)鍵層），關(guān)鍵層垮落，往往造成破斷距的減小，即周期來壓的提前，關(guān)鍵層垮落導(dǎo)致來壓提前如圖9。

圖9 關(guān)鍵層垮落導(dǎo)致來壓提前Fig.9 The collapse of key layer causing early pressure

對于工程實際，當(dāng)煤層上覆巖層存在硬厚巖層，即關(guān)鍵層時，關(guān)鍵層的垮落往往導(dǎo)致工作面周期來壓提前、來壓步距變短[28]，因此，對于此種情況，在進(jìn)行煤炭生產(chǎn)過程中一定要引起高度重視，提前做好預(yù)警準(zhǔn)備。

3.2 下層煤開采覆巖運移

試驗結(jié)果表明，下層煤層在推進(jìn)至15 cm 時，便發(fā)生直接頂?shù)某醮慰迓?。并且由于夾層較薄，上覆破碎巖體的負(fù)荷壓力較大，初次垮落巖層較為破碎，在高度10 cm 范圍內(nèi)形成了較為獨立的“三角空間”，此“三角空間”與上層煤層垮落形成的“梯形空間”區(qū)別明顯，上下煤層垮落不同空間結(jié)構(gòu)圖如圖10。

圖10 上下煤層垮落不同空間結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Different spatial structures of the upper and lower coal seams

經(jīng)分析，煤層垮落形式存在“三角空間”與“梯形空間”的差異主要是由于：2 個層煤的夾層較薄，僅有4 cm，因此造成其垮落步距較短；上部巖體為已垮落巖體，較為破碎，因此當(dāng)下部巖層垮落時，破碎巖體即隨之下落，不構(gòu)成形成梯形空間上部存在完整巖層的條件；上部巖層已垮落，重力支撐由完整巖體自身承接轉(zhuǎn)變?yōu)橄虏繋r體承接，荷載較大；10 cm范圍上部巖層較為完整，可構(gòu)成彎曲結(jié)構(gòu)，不隨下部垮落巖層垮落。

隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，上覆巖層表現(xiàn)出明顯的“隨推隨垮”的頂板垮落形式，很難形成懸臂梁或者砌體梁結(jié)構(gòu)，即使形成懸臂梁，其結(jié)構(gòu)也極不穩(wěn)定，在極小斷距下就完全垮落，并最終呈現(xiàn)出十分破碎的頂板結(jié)構(gòu)，總結(jié)起來說，下層煤推進(jìn)過程中，頂板垮落呈現(xiàn)出“隨挖隨垮、無明顯周期來壓步距、很難形成梁式結(jié)構(gòu)”的特點。

下層煤層推進(jìn)過程中覆巖垮落過程如圖11。下層煤持續(xù)開采過程中，上覆巖層的垮落持續(xù)加劇，其“梯形空間”與周圍巖體的裂隙不斷擴(kuò)大，并且上層煤層垮落后形成的彎曲下沉帶進(jìn)一步下沉并出現(xiàn)裂隙，其最終由彎曲下沉帶過渡為裂隙帶。

此外，本次試驗上覆巖層的垮落并未一直向上延伸，而是在遇到1 層硬厚巖層（可視為上覆巖層中的一關(guān)鍵層）后停止發(fā)育，下部垮落巖層與此關(guān)鍵層間離層距離隨著下層煤的推進(jìn)不斷擴(kuò)大，直至下層煤回采完畢，關(guān)鍵層下巖層完全發(fā)育為裂隙帶，而關(guān)鍵層及關(guān)鍵層以上部分巖層并未發(fā)生彎曲下沉或出現(xiàn)裂隙現(xiàn)象，即上覆巖層呈現(xiàn)出僅存在垮落帶及裂隙帶，而沒有彎曲下沉帶的特殊“兩帶”現(xiàn)象，這與平時上覆巖層呈現(xiàn)的“三帶”有所區(qū)別。分析發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因主要為，沒有關(guān)鍵層的存在，其裂隙帶的發(fā)育高度必將高于目前裂隙帶高度，彎曲下沉帶隨即出現(xiàn)，即展現(xiàn)完整的“三帶”現(xiàn)象；另外，若關(guān)鍵層存在，但其位于正常裂隙帶高度之上，則裂隙帶的高度不會發(fā)生變化。

對于工程實際，確定工作面回采后的裂隙帶高度，除了要在經(jīng)驗基礎(chǔ)上進(jìn)行計算外，還要考慮回采工作面上覆巖層是否存在關(guān)鍵層[29]，以及關(guān)鍵層與工作面間的距離是否會影響到裂隙帶發(fā)育高度。

表11 下層煤層推進(jìn)過程中覆巖垮落過程Table 11 Overburden collapse process during lower coal seam advancement

4 應(yīng)力變化規(guī)律

4.1 上層煤開采應(yīng)力變化規(guī)律

田崗斷層附近煤層頂、底板應(yīng)力變化如圖12。由圖12（a）可知，在工作面推進(jìn)初期各應(yīng)力測點并未發(fā)生變化，當(dāng)工作面推進(jìn)至17.5 cm 時，測點1 發(fā)生變化，并在推進(jìn)至32.5 cm 時，測點1 應(yīng)力變化達(dá)到峰值，接著應(yīng)力逐漸降低并在工作面推進(jìn)至42.5 cm 時出現(xiàn)負(fù)值，隨后其數(shù)值在負(fù)值范圍內(nèi)進(jìn)一步升高；測點2～測點3 呈現(xiàn)出與測點1 相同的變化規(guī)律，但測點2～測點3 未出現(xiàn)負(fù)值現(xiàn)象；測點4～測點5 的應(yīng)力變化規(guī)律與測點1～測點3 不同，在推進(jìn)過程中呈現(xiàn)單調(diào)遞增的變化規(guī)律，由圖12 可看出工作面超前支承壓力影響范圍為24.5 cm，最大支承壓力出現(xiàn)在距工作面10 cm 處。

圖12 田崗斷層附近煤層頂、底板應(yīng)力變化圖Fig.12 Stress variation diagram of the coal seam top and floor near Tiangang fault

經(jīng)分析測點1～測點2 呈現(xiàn)先升高后降低的變化規(guī)律，主要是由于隨著工作面的推進(jìn)，超前支承壓力向前傳遞，測點受到支承壓力的影響，應(yīng)力開始升高，并在持續(xù)推進(jìn)過程中達(dá)到支撐力的影響峰值，而當(dāng)支承壓力經(jīng)過測點后，測點應(yīng)力逐漸降低。測點1 出現(xiàn)負(fù)值現(xiàn)象，主要是由于測點1 經(jīng)歷了壓-拉應(yīng)力變化過程，當(dāng)工作面尚未推過測點1 時，測點1 處于壓應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)工作面推過測點1，處于底板位置的測點1 在底鼓現(xiàn)象中受到拉應(yīng)力的作用，應(yīng)力由最初的正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值；測點2～測點3經(jīng)歷過程與測點1 相似，但工作面并未推過測點2～測點3，因此未出現(xiàn)負(fù)值現(xiàn)象；測點4～測點5 由于距離斷層較近，工作面在推進(jìn)至煤柱停采線附近停止推進(jìn)，此時測點4～測點5 仍處于支承壓力傳遞過程中，并未達(dá)到壓力影響峰值，因此測點4～測點5呈現(xiàn)單調(diào)遞增狀態(tài)。

此外，測點1～測點3 所達(dá)到的峰值依次升高，主要是由于斷層的存在所造成的，測點1～測點3 依次距離斷層越來越近，故其所能達(dá)到的峰值也就越來越大。斷層帶往往由破碎巖體所構(gòu)成，其巖性與周圍巖體有較大差異，而這種巖性弱化的破碎巖體受力更易產(chǎn)生變形，造成應(yīng)力傳遞的不連續(xù)性。另一方面，斷層構(gòu)造的存在對于應(yīng)力傳遞可起到緩沖作用，受到這種“屏障”作用的影響，支承壓力在向前傳遞過程中應(yīng)力大大減小。圖12（b）下層煤層底板的應(yīng)力變化規(guī)律與圖12（a）的應(yīng)力變化規(guī)律基本相同，測點6 在支承壓力影響下逐漸升高，并在推進(jìn)至45 cm 時達(dá)到峰值，隨后逐漸降低，由于支承壓力并未越過測點7～測點8，因此測點7～測點8 一直處于逐漸升高的狀態(tài)。

試驗在三灰含水層底板附近布有4 個應(yīng)力測點，分別為測點9～測點12，三灰含水層應(yīng)力變化如圖13。

圖13 三灰含水層應(yīng)力變化圖Fig.13 Stress change diagram of three-ash aquifer

由圖13 可知，隨著工作面推進(jìn)，測點9～測點12應(yīng)力逐漸升高，在達(dá)到峰值后逐漸降低，且測點9～12 的峰值依次升高，但其差值變化并不明顯，可見在距離斷層及工作面較遠(yuǎn)處，斷層的“屏障”作用尚不明顯。

此外還可注意到各測點的數(shù)值在逐漸降低后由正值變?yōu)樨?fù)值，且測點9～測點12 的最終負(fù)值在數(shù)值大小上依次降低，這是由于工作面在推過測點上方后，測點處于采空區(qū)，同時由于含水層水壓的作用，測點應(yīng)力狀態(tài)由此前的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，因而其數(shù)值由正變負(fù)，并且測點9～測點12 依次遠(yuǎn)離采空區(qū)中間位置，越靠近采空區(qū)中間位置，其底鼓彎曲程度也就越明顯，數(shù)值也就越大，因此呈現(xiàn)出圖13 的變化規(guī)律。

4.2 下層煤開采應(yīng)力變化

下層煤推進(jìn)過程中頂、底板應(yīng)力變化規(guī)律與圖12 類似，但兩者又存在一定區(qū)別，頂板應(yīng)力中測點4～測點5 以及底板應(yīng)力測點7～測點8 距離采空區(qū)較遠(yuǎn)，支承壓力尚未傳遞至此，因此該4 個測點未發(fā)生應(yīng)力變化。田崗斷層附近煤層頂、底板應(yīng)力變化如圖14。

圖14 田崗斷層附近煤層頂、底板應(yīng)力變化圖Fig.14 Stress change diagram of coal seam roof and floor near Tiangang fault

如圖14（a），當(dāng)工作面推進(jìn)至22.5 cm 時，測點1 開始逐漸升高，在推進(jìn)至35 cm 時達(dá)到峰值，隨后逐漸下降，并在推進(jìn)至42.5 cm 時轉(zhuǎn)為負(fù)值，這一過程與圖12（a）的變化規(guī)律基本一致，但該測點轉(zhuǎn)為負(fù)值是由于應(yīng)力測點隨上覆巖層垮落，測點失效導(dǎo)致；測點2 隨工作面推進(jìn)逐漸升高，最后達(dá)到峰值并逐漸降低，其峰值較測點1 峰值要大，主要是斷層的“屏障阻隔”作用所造成；在下層煤層推進(jìn)過程中一直處于上升階段，說明支承壓力峰值尚未越過該測點，并且可預(yù)計，由于斷層的存在測點3 所能達(dá)到的峰值必將大于測點2。由14（b）可看出，僅有測點6發(fā)生變化，且一直處于上升階段，若繼續(xù)推進(jìn)，測點6 必將經(jīng)歷逐步上升達(dá)到峰值并降低的過程。由圖14（a）可知，超前支承壓力影響范圍為20 cm，最大峰值出現(xiàn)在距工作面前方8 cm 左右處。

通過圖14 與圖12 對比可發(fā)現(xiàn)，在下層煤層回采過程中，支承壓力數(shù)值遠(yuǎn)小于上層煤層的壓力數(shù)值，且下層煤層支撐力影響范圍明顯小于上層煤層影響范圍。究其原因，主要是由于下層煤層回采過程中，上覆巖層為上層煤層已垮落的破碎巖層，由于其較為破碎，整體性差，對支承壓力形成一定的吸附緩解作用，且不利于應(yīng)力傳遞，因此下層煤層支承壓力遠(yuǎn)小于上層煤層支承壓力。

5 結(jié) 論

1）近距離上層煤開采過程與單層煤開采類似，覆巖垮落結(jié)構(gòu)可分為“懸臂梁、砌體梁、過渡結(jié)構(gòu)”3類，其垮落形式可分為“懸臂梁直接垮落形式、懸臂梁-過渡結(jié)構(gòu)垮落形式與懸臂梁-砌體梁垮落形式”；當(dāng)上覆巖層存在關(guān)鍵層時，關(guān)鍵層的垮落往往造成周期來壓提前。

2）下層煤開采過程中，其覆巖垮落形成區(qū)別于上層煤開采的“三角空間”，并且下層煤開采整體呈現(xiàn)隨挖隨垮、無明顯周期來壓步距、很難形成梁式結(jié)構(gòu)的特點；下層煤開采后會造成覆巖裂隙帶高度的顯著增高，而當(dāng)裂隙帶發(fā)展遇到硬厚關(guān)鍵層后，很有可能形成特殊的“兩帶”現(xiàn)象。

3）當(dāng)斷層存在時，支承壓力的傳遞往往受到斷層的應(yīng)力阻隔作用，越靠近斷層頂板應(yīng)力集中程度越高；處于工作面底板前方的測點經(jīng)過工作面推進(jìn)，其將經(jīng)歷應(yīng)力的“壓-拉”過程。

4）下層煤開采初次垮落步距與“不明顯的周期垮落步距”均明顯小于上層煤；由于覆巖垮落，下層煤造成的支承壓力影響范圍與應(yīng)力歸零后的壓力值均小于上層煤。