斷層滑動對采動壓力的影響及斷層影響研究

劉曉龍

（山西寧武大運(yùn)華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

斷層滑動主要是指煤炭工業(yè)中由于長壁板的抽采而引起的一種突然而強(qiáng)烈的斷層滑動，這種滑動會對巷道造成重大破壞。因此，研究斷層滑動的預(yù)測是一項重要的安全問題。

文獻(xiàn)[1]采用了高分辨率地震反射技術(shù)來構(gòu)造斷層的成像和映射定位煤礦斷層。在作業(yè)中，從地震剖面中探測和解釋了幾條斷層，并估算了斷層的位移，從而在斷裂帶內(nèi)設(shè)計出更安全、更高產(chǎn)的煤礦。文獻(xiàn)[2]利用地質(zhì)建模軟件對多個煤層和多個逆斷層進(jìn)行了計算機(jī)制圖，對煤礦開采中的斷層進(jìn)行有效的制圖。文獻(xiàn)[3]用各種方法進(jìn)行了一系列的研究來模擬斷層滑動的影響。

在分析斷層活化機(jī)制，預(yù)測采礦活動引起的斷層滑動，開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值研究和現(xiàn)場試驗(yàn)。然而，針對多斷層結(jié)構(gòu)對采動壓力的影響的研究較少。本文從這個角度出發(fā)建立了兩種斷層構(gòu)造的物理模型，對未受影響帶和受斷層影響帶采動壓力進(jìn)行了研究。

1 物理建模及其步驟

1.1 物理建模

要建立模型，首先要滿足彈性和相似性理論[4]。因此，模型的幾何形狀、材料的強(qiáng)度和密度應(yīng)滿足以下方程[5]:

式中：CL，Cσ和Cρ分別為模型幾何形狀、材料強(qiáng)度和密度的相似系數(shù)。這些參數(shù)可以通過式（2）來獲得。

式中：LP，σP，ρP分別表示模型的幾何形狀、強(qiáng)度和密度。如果系數(shù)Cσ和CL可知，則系數(shù)Cρ可由方程（1）（2）求得。需要注意的是，這三個系數(shù)都是無量綱參數(shù)。

1.2 物理模型的建立

建立長4.2 m、高1.5 m、厚0.25 m的物理模型，如下頁圖1所示。相似系數(shù)CL設(shè)置為200。根據(jù)砂、石膏、石灰粉混合料質(zhì)量經(jīng)驗(yàn)值，相似系數(shù)Cρ設(shè)為1.2~1.7，在本研究中，設(shè)置為1.5。由式（1）可計算出相似系數(shù)Cσ為300，不同巖層的砂、石灰粉、石膏混合料比例如表1所示。

表1 不同巖層的砂、石灰粉和石膏的混合比例

為了獲得斷層滑動，需要在物理模型周圍設(shè)置邊界條件[6-7]。在模型的頂部，施加豎向荷載來模擬覆蓋層重量。掘進(jìn)方向?yàn)槟Ｐ蛷淖笙蛴?，掘進(jìn)步驟為5 cm。因此，為了減少邊界效應(yīng)，在模型的左右邊界保留兩個寬度為40 cm的柱子，如下頁圖1所示。

由于難以模擬地質(zhì)演化和斷層形成，在建立物理模型時，F(xiàn)36和F37斷層自下而上逐步形成。圖1-2為物理模型中斷層構(gòu)造過程示意圖。

1.3 監(jiān)測方案

在物理模型中監(jiān)測應(yīng)力和變形。如圖1-1所示，應(yīng)變傳感器檢測煤層開采過程中的應(yīng)力變化。斷層F37前有13個傳感器。傳感器之間的間距為15 cm。根據(jù)應(yīng)變傳感器的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，將傳感器的應(yīng)變變化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力變化數(shù)據(jù)（圖2）。

圖1 物理模型及故障構(gòu)造示意圖

圖2 應(yīng)變傳感器的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2 監(jiān)測結(jié)果及分析

2.1 上覆巖層移動特征

在煤層開采過程中，可以看到未受影響帶和斷層影響帶。第一次頂板冒落跨度約為45 cm。未受影響帶頂板周期性崩落跨度約為15 cm，斷層影響帶頂板周期性崩落跨度約10 cm，利用1.3節(jié)的應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確確定這兩個區(qū)域之間的邊界。F37-F36斷裂間的周期性頂板垮落跨度為10~15 cm，表明該區(qū)頂板巖層裂隙擴(kuò)展嚴(yán)重。

2.2 斷層運(yùn)動特征

圖3為煤礦開采過程中上覆巖層移動的典型圖像，3-1是為第14次主冒頂周期性崩落，上覆巖層嚴(yán)重坍塌，斷層滑動嚴(yán)重；3-2為第16期周期性主冒落和斷層滑動；3-3為斷層滑動。

從圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)到距離F37斷層115 cm位置時，F(xiàn)37斷層對煤層的回采開始產(chǎn)生輕微的響應(yīng)。當(dāng)距離F37斷層20 cm時，F(xiàn)37斷層發(fā)生劇烈運(yùn)動。

圖3 上覆巖層移動的典型圖像

2.3 采動壓力分布

2.3.1 確定不受影響帶和受斷層影響帶之間的邊界

由于斷層活動是由開采活動引起的，煤層的開采是主導(dǎo)因素，采動壓力在正常和斷層影響帶的特征會有所不同。下頁圖4為1-13號傳感器在工作面推進(jìn)過程中檢測到的一系列應(yīng)變變化曲線。當(dāng)工作面與F37斷層距離達(dá)到115 cm時，采動壓力變化顯著。應(yīng)力曲線在受斷層影響帶呈現(xiàn)出劇烈的波動（圖4-2），而在未受斷層影響帶則相對穩(wěn)定（圖4-1）。該邊界應(yīng)與實(shí)驗(yàn)觀測到的采動斷層滑動起始位置一致。因此，不受影響帶和受斷層影響帶之間的邊界確定為距離F37斷層115 cm。

圖4 1-13號傳感器探測工作面推進(jìn)過程中的應(yīng)變變化曲線

2.3.2 未受影響區(qū)采動壓力

下頁圖5為1-3號傳感器在未受影響區(qū)監(jiān)測時間下采動應(yīng)力的變化規(guī)律。開始時應(yīng)力較低，在工作面前方某一時刻應(yīng)力急劇增大。圖6為1號傳感器采動應(yīng)力隨工作面距離的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在試驗(yàn)尺度（原型尺度10 m）下，支承應(yīng)力在工作面前方5 cm處達(dá)到峰值。影響帶長度約為長壁工作面前15 cm（原型尺度下為30 m）。這些結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)中觀察到的采動壓力一致。

圖5 煤層開采時采動壓力在不受影響帶和受斷層影響帶的分布

圖6 1號傳感器采動壓力隨離工作面距離在不受影響區(qū)域的分布

2.3.3 斷層影響帶采動壓力

圖5為斷層影響帶8-11號傳感器采動壓力分布圖。對比未受影響帶和斷層影響帶的傳感器，斷層影響帶采動壓力最大值比未受影響帶大26%。以11號傳感器為例如圖7所示變化。由于上覆巖層的壓實(shí)作用，在頂板坍塌前會出現(xiàn)輕微和逐漸增加的階段。頂板連續(xù)冒落會導(dǎo)致應(yīng)力逐漸減小，斷層粘滯和斷層滑移交替發(fā)生是采動壓力急劇上升和隨后穩(wěn)定階段的主要原因。因此，應(yīng)力的急劇增加和隨后的穩(wěn)定可以作為斷層滑動的前兆信息。

圖7 斷層滑動過程及其前兆解釋

2.4 上覆巖層變形特征

圖8為F37斷層周圍5個監(jiān)測站的斷層位移結(jié)果（圖1-1）。結(jié)果表明，在斷層滑動發(fā)生前，監(jiān)測站的位移有一個穩(wěn)定的增加階段。這一階段也可以作為斷層滑動的前兆信息。下頁圖9為斷層滑動前后物理模型的位移等值線。需要注意的是，當(dāng)斷層滑動發(fā)生時，頂板巖層的位移急劇增加。

圖8 斷層F37附近監(jiān)測站的位移結(jié)果

圖9 斷層滑動前后物理模型的位移等值線

3 結(jié)論

采用斷裂構(gòu)造存在時的物理模擬方法，研究了上覆巖層的坍塌特征及未受影響帶和受斷層影響帶的采動壓力。得出的主要結(jié)論總結(jié)如下:

1）在地下開采中，斷層等不良地質(zhì)條件的存在會嚴(yán)重導(dǎo)致巖石損傷的擴(kuò)大和事故的發(fā)生。由于開采活動和斷層滑動的共同作用，斷層影響帶的采動壓力和巖體損傷程度大于未受影響帶。

2）應(yīng)力的急劇增加和隨后的穩(wěn)定或位移的穩(wěn)定增加可作為斷層滑動的前兆信息。