礦物開采引起的突發性斷層失穩研究

葛志強

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業有限公司，山西 寧武 036700）

1 研究背景

斷層失穩沖擊地壓是影響開采的一個關鍵問題。斷層被認為是地殼的構造斷裂，斷層平面一側相對于另一側發生水平、垂直或對角位移。根據上盤和下盤相對運動方向，可分為正斷層、倒斷層和走滑斷層。如果在壓縮作用下，上盤相對于下盤向上移動，則故障類型為反向故障。由于逆斷層平面周圍應力分布不規律，累積應變能突然釋放，開采活動誘發的突發性強斷層滑移，可能會對井下的開采量造成明顯的塌陷[1]。大多數由地殼運動不利或地下人類活動引起的重大災難性斷層滑動都是沿著反向斷層發生。因此，斷層滑變的研究對維持地下礦物開采的長期安全生產具有重要意義。

由于斷層滑動引起的構造應力不利條件下的深部開采會導致突發性事件，為了全面認識斷層滑動，防止斷層失穩沖擊地壓，人們做了大量的工作。例如，王濤等人的研究表明，采用莫爾-庫侖準則，通過數值模擬研究了開采深度、摩擦角、膨脹角和斷層剛度對斷層滑動的影響[2]。在不考慮斷層表面粗糙度和滑移弱化行為的情況下，進一步定量分析了斷層滑移引起的崩塌程度。此外，郭玲莉等在一系列滑移實驗的基礎上，研究了外部擾動觸發斷層滑移事件的機理和閾值條件，指出初始應力狀態對斷層滑移閾值條件有較大影響[3]。

2 現場試驗場地和模型

2.1 試驗場地

某103長壁板運輸巷道在開采活動的動壓作用下運行。根據該地質條件，選擇該參數作為現場試驗場地和物理模型原型。103長壁板長1 589 m，寬180 m，覆蓋層深度650 m。開采高度約為4.0 m厚。根據地質巖心測井，面板主頂為細砂巖，平均厚度5.4 m，單軸抗壓強度41.0 MPa。面板底板為泥巖，厚度約3.6 m。支助計劃開列如下：

1）矩形形狀：4 500 mm×2 800 mm。

2）螺栓：Φ18 mm×1800 mm螺紋鋼筋螺栓與空間兩側墻體支撐700 mm×800 mm。Φ20 mm×2 500 mm螺紋鋼筋螺栓傾斜的空間屋面支架角度15°，800 mm×800 mm。

3）電纜：Φ18.96 mm×6 500 mm鋼絲電纜的空間屋面支架尺寸1 600 mm×2 000 mm。

通過鉆探和電磁輻射勘探，在103-長壁盤區發現了I、II斷層。這兩個斷層都是反向斷層。這些主要的地質構造使煤層處于斷陷狀態，嚴重威脅著煤礦的安全生產。由于斷層的存在使巷道頂板和肋部受到削弱，曾多次發生過突發性、嚴重的頂板塌落。此外，由于采礦活動和斷層活化引起的動壓也對現有支護系統造成了破壞。

本研究在兩個故障之間建立了三個監測站。在103-的運輸巷道進行了4次現場試驗長壁板。這些測試包括錨桿加載、頂板分離、巷道變形(包括兩側墻和頂底板匯合點)和工作面支護應力。測試被記錄下來每日或在工作面前方約2 m處。這些試驗站的布置如下頁圖1所示。在三站監測了錨桿頂板荷載和巷道變形情況。1號和3號站觀測到頂板離層，監測儀分別安裝在2 m和7 m的頂板鉆孔中。在回采工作面推進過程中，對120支液壓支架進行了回采工作面支架應力觀測。

圖1 試驗站布置圖

2.2 物理建模

考慮到成本昂貴和現場試驗的長期監測，物理模型已被廣泛應用于研究上覆巖層的移動行為、礦物開采引起的應力分布和地表沉降。模擬了節理巖體在靜荷載和循環荷載作用下的淺孔行為。

本研究在二維平臺上建立了長4.2 m、高1.5 m、厚0.25 m的物理模型，如圖2所示。在本研究中，幾何相似系數Cl設為200。根據砂的質量經驗值，石膏和石灰粉混合物，密度相似系數CP設置為1.5[4-5]。壓力相似系數Cσ可以根據條件計算表1列出了沙子的比例，石灰粉和石膏對不同巖層的物理模型。斷層構造是建立物理模型的關鍵過程。這兩個斷層都是在構造物理模型時預先形成的。斷層面上放置一層云母粉，隔離上盤和下盤。

根據邊界條件，由于平臺的約束，左、右、底側均受到嚴格限制。采用豎向荷載（P=γH=20 MPa）模擬模型頂部覆巖重量[6-7]。在模型兩側保留兩個40 cm寬的柱子，以減小邊界效應（見圖2）。

圖2 物理模型示意圖、采礦示意圖、應力監測示意圖

此外，通過應變傳感器監測應力，應變按應力-應變線性關系轉換為應力（如圖2所示）。在物理模型中，在4-1#煤層上方40 cm的頂板放置22個應變傳感器。故障1左側有13個傳感器，故障1和故障2之間有9個傳感器埋于頂板。兩個傳感器之間的間距為15 cm。在這里，需要注意的是，在之前的研究中討論了1號斷層左側的13個傳感器所觀測到的應力特征。本研究主要針對9個傳感器在1-2故障之間的應力數據，這些傳感器被命名為1-9號。32 cm-2b的靜態應變監測與監控渠道和最低的能力監控間隔5 s應用于記錄的應變信號（見圖2）。應變傳感器的信號處理后靜態應變監測，煤炭開采的影響在斷層附近的應力場進行分析。

從左到右每隔5 cm模擬一次采煤。每次開挖設置模型時間為2 min。隨著工作面的推進，上覆巖層出現了裂隙擴展、頂板離層、突然加重和斷層滑移等宏觀演化特征。

3 仿真和實驗結果

3.1 工作面仿真支護應力

對120個液壓支架的前柱進行了應力分析。圖3為工作面支護應力的三維分布。結果表明，當工作面位于斷層I左側時，支護應力相對較低，且保持不變；當工作面位于斷層I與斷層II之間時，支護應力急劇增大。此外，當工作面位于這兩條斷層之間時，支護應力波動較大。

圖3 120個不同采動位置的液壓支架上得到了三維的采動支架應力分布

3.2 斷層引起的應力突變

圖4為采礦工作面推進過程中應變率的突變。從圖4可以看出，所有4個傳感器的應變速率幾乎保持恒定。然而，幾個急劇的變化在煤層開采過程中明顯可見。應變傳感器在斷層影響區內的應變速率大于其他區域的應變速率，在斷層I附近的應變速率大于斷層II附近的應變速率。應變率變化最劇烈的區域位于采礦工作面前方5 cm（原型尺度為10 m）處。結果表明，采煤活動是引起應力劇烈變化的主要因素。

圖4 采礦工作面推進過程中應變率的突變

4 結論

為確保礦物開采活動擾動下存在雙斷層構造的安全問題，對雙斷層影響帶周圍的突發性應力變化進行了現場試驗和物理模擬研究。雖然在開采過程中，應變率在大部分時間內保持不變，但也出現了明顯的急劇變化。從相對較低的應變速率到突變速率可以確定為斷層滑移的前兆。此外，應重視采空區上部覆巖在兩大斷層之間的移動，巖層突發性賦權和頂板塌陷會引起應力的急劇變化。