基于相似材料模擬法的煤層開采對(duì)斷層影響評(píng)價(jià)

周 科

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北邯鄲 056004)

0 引言

相似材料模擬試驗(yàn)可以模擬涉及彈塑性、破碎、垮落等各種形式的采空結(jié)構(gòu)的多種物理力學(xué)過程，是研究煤層采動(dòng)后的巖體變形、移動(dòng)及破壞的規(guī)律的一種有效研究方法[1-3]。在模擬煤層采動(dòng)裂隙過程中，以砂子為骨料，石膏、石灰為膠結(jié)材料，硼砂為緩凝劑，云母粉為分層材料，制作與實(shí)際巖層物理力學(xué)參數(shù)相似模型[4-5]。模擬采動(dòng)過程中，采用全站儀和數(shù)碼照相機(jī)的照片，觀察上覆不同高度的巖層破壞和移動(dòng)程度。在建立模型過程中還可以增加斷層等天然構(gòu)造因素，通過觀察辨別采動(dòng)裂隙對(duì)斷層的影響程度，從而推測(cè)煤層開采時(shí)對(duì)斷層導(dǎo)富水性的影響[6]。

研究區(qū)域?yàn)辁Q崗礦區(qū)，地層構(gòu)造復(fù)雜，煤層傾角變化大且開采方式為多層厚煤層聯(lián)合開采。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，水害發(fā)生往往是煤層開采過程中擾動(dòng)波及大的富水?dāng)鄬铀拢瑐鹘y(tǒng)的方法無法判斷煤層開采過程中擾動(dòng)對(duì)斷層的影響[7-9]。為了較為準(zhǔn)確地判別煤層開采對(duì)斷層的影響，進(jìn)而評(píng)估發(fā)生水害的危險(xiǎn)程度，通過相似材料模擬實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬方法，利用礦區(qū)施工的導(dǎo)水裂縫帶探測(cè)孔所取得的地質(zhì)及巖石物理力學(xué)資料進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，從而研究推測(cè)了煤層開采對(duì)斷層的影響程度，取得了較好的效果[10-15]。

1 地質(zhì)與工程地質(zhì)條件

鶴崗礦區(qū)含煤地層為白堊系石頭河組碎屑巖?？刹擅簩禹敯鍘r石以粉砂巖、細(xì)粒砂、中砂巖、粗砂巖、含礫砂巖及礫巖互層狀為主，地層傾角15°～30°。主采煤層有9#、17#煤層，9#煤層開采方式為綜采放頂開采，17#煤層開采方式為分層開采。9#煤層：全區(qū)發(fā)育，煤層厚度為1.25～5.24m,平均厚2.37m。17#煤層：煤層穩(wěn)定，全區(qū)發(fā)育，厚度1.99～15.83m，平均為9.95m。

據(jù)以往資料可知，井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，對(duì)地層破壞程度較大，巖石裂隙較發(fā)育。區(qū)內(nèi)F6斷層為影響煤層開采的主要斷層，為滑脫狀平緩正斷層，走向NEE，傾向N，傾角20°～35°，斷距35～50m，根據(jù)物探瞬變電磁聯(lián)合鉆探探查，該斷層為富水?dāng)鄬印?/p>

為了研究F6斷層的富導(dǎo)水性，在F6斷層兩盤施工了7個(gè)探測(cè)孔。根據(jù)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)資料可知，鉆孔中所取巖石力學(xué)樣測(cè)試結(jié)果抗壓強(qiáng)度為27.20～104.7MPa，平均抗壓強(qiáng)度為58.3～89.8 MPa，平均飽和抗壓強(qiáng)度為38.9～55.9MPa。因試驗(yàn)室測(cè)得結(jié)果一般比實(shí)際巖體的抗壓強(qiáng)度大20%～40%。根據(jù)覆巖巖性劃分標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際覆巖巖體的性質(zhì)為中硬—堅(jiān)硬巖。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探資料和覆巖破壞探測(cè)鉆孔位置，以礦區(qū)內(nèi)的峻德煤礦三帶孔附近為研究區(qū)域，將17#煤頂板以上總計(jì)301.40m開采有關(guān)的巖土體劃分為22類主要工程地質(zhì)類型(表1)。 A-A'剖面主要斷裂構(gòu)造為F6斷層，斷層規(guī)模較大，斷層面切割整個(gè)剖面，對(duì)煤層影響較大(圖1)。

表1 鉆孔巖心力學(xué)參數(shù)

圖1 A-A′剖面Figure 1 Section A-A′

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 模型尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)原型條件與室內(nèi)條件，模型與原型的幾何尺寸比例取為1∶200。模型安裝在平面應(yīng)力模型架上，模型長(zhǎng)300.0cm，寬30.0cm，高160.0cm，按照A-A′剖面鋪裝。

2.2 相似材料及配比

模擬巖層的實(shí)際物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。主要參考實(shí)際巖組的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，相似材料的力學(xué)參數(shù)及材料配比見表3。

表2 模擬巖層物理力學(xué)參數(shù)

表3 煤層頂板巖石類型配比

2.3 位移監(jiān)測(cè)

為全面監(jiān)測(cè)上覆巖體的下沉值，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拿簩由先嗽煜嗨撇牧细矌r體中均勻布設(shè)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝位移監(jiān)測(cè)裝置。

3 模型開采方案

根據(jù)試驗(yàn)相似比，模型上1.7h相當(dāng)于1d。根據(jù)設(shè)計(jì)，每次煤體開挖2h后采集數(shù)據(jù)，再進(jìn)行下一次的開挖。在開挖過程中，采集百分表的示數(shù)的同時(shí)用數(shù)碼相機(jī)記錄系統(tǒng)記錄上次開采覆巖的移動(dòng)變形，并通過數(shù)字圖像處理，推算煤層頂板巖體的移動(dòng)變形值。

模型先開采9#煤，按斷層上盤、下盤分兩段開采。斷層上盤從左側(cè)開切眼向右開挖(預(yù)留邊界煤柱20cm)，每隔2h采5～10cm，采到距F6斷層10cm處結(jié)束。一次采全厚1.0cm，相當(dāng)于實(shí)際采厚2.0m。再?gòu)臄鄬酉卤P距F6斷層10cm處開切眼向右開挖。根據(jù)采掘計(jì)劃等比例模擬煤層采掘方式，9#煤在F6斷層上盤分9次開采，前8次模擬開采長(zhǎng)度為5cm,第9次模擬開采長(zhǎng)度為10cm；在F6斷層下盤分14次開采，前3次模擬開采長(zhǎng)度為5cm，第4～13次模擬模擬開采長(zhǎng)度為10cm，第14次模擬開采長(zhǎng)度為14cm。

9#煤采完后開采17煤，從左側(cè)開切眼向右開挖(預(yù)留邊界煤柱30cm)。由于17煤較厚，故采取分層開挖。第一層開挖2.5cm，相當(dāng)于實(shí)際采厚5m，每隔2h采10cm，直至第一層采完結(jié)束。第二層開挖余下的3cm，相當(dāng)于實(shí)際采厚6m，直至第二層采完結(jié)束。根據(jù)采掘計(jì)劃等比例模擬煤層采掘方式，17#煤開采上層厚度為2.5cm，分14次開采，前13次模擬開采長(zhǎng)度為10cm,第14次模擬開采長(zhǎng)度為18cm；開采下層厚度為3cm，分13次開采，前12次模擬開采長(zhǎng)度為10cm，第13次模擬開采長(zhǎng)度為22cm。

4 開采破壞及分析

4.1 9#煤開采

隨著從左側(cè)開切眼向右開挖，開采初期煤層頂板保持較好的穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)煤層開采80m時(shí)，9#煤頂板以上10m粗砂巖、30m粉砂巖出現(xiàn)順層裂隙，裂隙長(zhǎng)度分別為50、15m，并且粉砂巖層向下發(fā)育豎向裂隙，裂隙長(zhǎng)度9m，見圖2。

當(dāng)煤層開采至100m時(shí)，斷層上盤煤層采完，9#煤頂板以上10m粗砂巖層的裂隙閉合，30m粉砂巖層的裂隙進(jìn)一步發(fā)育，裂隙間最大距離0.2m。頂板以上20m粉砂巖出現(xiàn)順層裂隙，裂隙長(zhǎng)度50m，并且與粉砂巖層中的豎向裂隙連通，見圖2。

(a)80m處 (b)100m處圖2 斷層上盤9#煤開采頂板變化情況Figure 2 Upfaulted coal No.9 roof mining variations

在開采斷層下盤9#煤時(shí)，隨著從左側(cè)開切眼向右開挖，開采初期煤層頂板保持較好的穩(wěn)定狀態(tài)，開采至170m時(shí)，9#煤頂板以上15m泥巖出現(xiàn)順層裂隙，裂隙長(zhǎng)度150m，裂隙間最大距離0.2m。煤層頂板以上30m粉砂巖出現(xiàn)裂隙，裂隙長(zhǎng)度70m。斷層出現(xiàn)較大張裂隙，見圖3。

(a)170m處 (b)210m處 (c)240m處圖3 斷層下盤9#煤開采頂板變化情況Figure 3 Downfaulted coal No.9 roof mining variations

當(dāng)煤層開采至210m時(shí)，上盤9#煤頂板以上30m粉砂巖的裂隙部分閉合。下盤煤層頂板以上15m泥巖裂隙部分閉合，30m粉砂巖的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，并且頂板以上80m粉砂巖出現(xiàn)裂隙，裂隙長(zhǎng)度70m，頂板以上110m出現(xiàn)離層，見圖3。

當(dāng)開采至240m時(shí)，下盤9#煤開采完。上盤煤層頂板30m粉砂巖層中部分裂隙閉合。斷層裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，裂隙長(zhǎng)度80m，并發(fā)育至與下盤煤層頂板以上80m粉砂巖層間的順層裂隙連通，見圖3。

通過以上試驗(yàn)分析，9#煤垮落帶高度為8m，導(dǎo)水裂縫帶高度為30m，在F6斷層上盤，采動(dòng)變形影響范圍向上延伸但變形破壞不明顯；在F6斷層下盤，采動(dòng)變形影響范圍向上延伸到斷層并越過斷層。

4.2 17#煤開采

在開采17#上分層時(shí)，隨著從左側(cè)開切眼向右開挖，開采初期煤層頂板保持較好的穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)開采至100m時(shí)，17#煤頂板以上4m中砂巖由于下部垮落出現(xiàn)離層，垮落長(zhǎng)度100m。斷層上盤9煤頂板以上80m粉砂巖發(fā)育小裂隙，表明17#煤開采對(duì)9#煤采空區(qū)頂板會(huì)產(chǎn)生“二次破壞”，見圖4。

圖4 17#煤上層開采頂板變化情況Figure 4 Upfaulted coal No.17 roof mining variations

當(dāng)開采至180m時(shí)，17#煤頂板以上4m中砂巖垮落區(qū)域增長(zhǎng)，增長(zhǎng)至175m。頂板以上14m中砂巖出現(xiàn)順層裂隙，裂隙長(zhǎng)度140m。頂板以上20m粉砂巖也出現(xiàn)裂隙，裂隙長(zhǎng)度120m，裂隙間最大距離0.4m，并且有微小豎向裂隙發(fā)育。斷層上盤9#煤頂板以上80m粉砂巖的微小裂隙進(jìn)一步發(fā)育，見圖4。

當(dāng)開采至220m時(shí)，17#煤頂板以上14m中砂巖的裂隙部分閉合，中砂巖層間出現(xiàn)小裂隙，頂板以上60m細(xì)砂巖出現(xiàn)離層，離層長(zhǎng)度120m，離層間最大距離0.4m，見圖4。

當(dāng)開采至260m時(shí)，斷層出現(xiàn)裂隙，頂板以上60m細(xì)砂巖離層進(jìn)一步發(fā)育，長(zhǎng)度增至140m。頂板以上10m中砂巖出現(xiàn)小裂隙，見圖4。

當(dāng)開采至280m時(shí)，17#煤上分層開采完。斷層裂隙進(jìn)一步發(fā)育，裂隙長(zhǎng)度120m，見圖4。

由以上試驗(yàn)分析，17#煤在開采第一個(gè)分層5m時(shí)，最大垮落帶高度14m，最大導(dǎo)水裂縫帶高度60m。當(dāng)開采工作面傾向長(zhǎng)度達(dá)到260m時(shí)，采動(dòng)破壞波及到F6斷層。

在開采17#煤下分層時(shí)，當(dāng)開采至140m時(shí)，煤層頂板以上30m粉砂巖垮落，垮落帶高度20m，頂板以上80m中砂巖、100m粗砂巖出現(xiàn)離層，見圖5。

圖5 17#煤下層開采至140m處頂板變化情況Figure 5 Downfaulted coal No.17 roof mining variationsat depth 140m

當(dāng)開采工作面傾向長(zhǎng)度為260m時(shí)，17#煤下層開采完，繪制開采破壞分區(qū)，見圖6。

Ⅰ—垮落帶范圍 Ⅱ—導(dǎo)水裂縫帶范圍 Ⅲ—斷層破壞影響范圍圖6 垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶、斷層破壞影響范圍Figure 6 Caving zone, water conducted zone and faultdamage impacting extents

由以上模擬分析可知，17#煤在開采第二個(gè)分層(或全厚開采)時(shí)，垮落帶高度20m，導(dǎo)水裂縫帶高度100m。在上山邊界，導(dǎo)水裂縫帶已波及F6斷層帶，必須限制開采范圍。

圖7為A-A'剖面模型9#煤、17#煤開采完時(shí)頂板位移監(jiān)測(cè)三維數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線，反映了不同平面觀測(cè)線沿順槽方向觀測(cè)距離的覆巖下沉情況。由圖7可知，頂板最大下沉量位于140觀測(cè)線上距離模型左端80m處，頂板最大下沉值為6.16m。

圖7 9#煤、17#煤開采完時(shí)頂板位移監(jiān)測(cè)曲線Figure 7 Roof displacement monitoring curves of coal Nos.9and 17 after coal mining

5 斷層活化分析

通過相似材料模擬分析試驗(yàn)觀測(cè)試驗(yàn)研究，開采9#煤、17#煤導(dǎo)致煤層頂板上F6斷層出現(xiàn)比較明顯的新形成的張裂隙帶，在采動(dòng)影響下，煤層覆巖穩(wěn)定性受到影響。開采導(dǎo)致斷層兩盤巖層的天然平衡受到破壞，傾向于引起了F6斷層的“活化”。同時(shí)研究得出F6斷層對(duì)開采破壞范圍具有重要影響，主要表現(xiàn)在緩傾斜斷層的下盤，其中垮落帶變化不大，但導(dǎo)水裂縫帶受斷層影響，與斷層張裂隙帶逐步溝通，形成變異的導(dǎo)水裂縫帶，在斷層含水或?qū)那闆r下，對(duì)生產(chǎn)安全威脅極大。

在斷層影響下，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育表現(xiàn)為如下特征。

1)空間形態(tài)并非以往經(jīng)驗(yàn)描述的“馬鞍形”，剖面形狀不規(guī)則。

2)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度以斷層帶為上界，再向上延伸高度不大。

3)受斷層影響，導(dǎo)水裂縫帶上段沿?cái)鄬用嫠窖由扉L(zhǎng)度較大，匯水面積顯著增大。

6 結(jié)論

在煤層開采過程中，斷層是影響覆巖穩(wěn)定性的重要地質(zhì)因素，對(duì)采區(qū)布置和安全開采及有效支護(hù)起決定性作用。煤層采掘會(huì)造成地下空間地應(yīng)力失衡產(chǎn)生采動(dòng)裂隙，這些人為的采動(dòng)裂隙往往會(huì)與斷層相互作用，形成新的富水空間或?qū)ǖ?。以往鉆孔勘探工作，查明斷層是否具有活化導(dǎo)水趨向極為困難，因此斷層活化導(dǎo)水的判斷也極為困難。采用相似材料模擬的方法，可以模擬類比采掘過程中圍巖的擾動(dòng)情況，分析斷層及導(dǎo)水裂隙帶的富導(dǎo)水性，為煤礦防治水工作提供理論依據(jù)。