逆斷層區域采動煤體力學特征

周 睿

（1.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122）

斷層是煤炭開采常見的地質構造之一，在我國煤炭產區分布廣泛[1]。尤其是我國西南地區的貴州、云南、重慶等省份，煤礦井下工程往往需要穿過斷層或者靠近斷層布置[2-4]，造成采掘影響區域煤體存在復雜的應力狀態，研究其力學特征及其穩定性時，不僅要考慮煤體的原始應力，而且要注意構造應力的影響[5-6]。逆斷層構造作為1種斷層主要表現形式，巨大的水平擠壓應力改變了斷層影響區域煤體的原始力學特征，進而影響煤層的賦存狀態、應力變化以及瓦斯分布[7-9]，當回采工作面臨近逆斷層時，在構造應力和采動應力影響下煤體力學特征將發生改變，這種改變將會對煤礦安全開采造成影響，因此開展逆斷層區域煤體應力特征研究十分必要。

長期以來，煤巖體力學特征的研究一直受到國內外力學專家的廣泛關注，開展了大量的力學加載試驗研究，針對煤巖體的強度特征和變形特征進行了一系列的研究，尤其近些年注意到工程煤巖體在加、卸載不同力學路徑下表現出的力學性質有很大的差別。邱士利等[10]開展不同初始損傷程度和卸荷路徑下大理巖三軸力學試驗，深入分析了初始損傷程度和卸荷路徑對深埋大理巖卸荷變形破壞規律的控制作用；張寧博等[11]對大理巖在單軸壓縮、等幅循環加卸載和分級循環加卸載條件下損傷破壞全過程的聲發射特性進行研究，提出了1個能夠反映聲發射波形信息的指標；韓鐵林等[12]針對砂巖試樣開展3種不同應力路徑下的三軸試驗，得出砂巖的變形和強度特性主要受初始軸壓和初始圍壓的影響，而卸圍升軸和定軸卸圍時試樣常常呈現出張剪破壞特征。煤礦井下煤炭回采、巷道掘進、鉆孔施工等均是復雜的三向力學行為，若想準確獲得這些條件下煤巖體的力學特征則需要針對具體的力學路徑開展研究，獲得其在實驗室條件下力學環境還原的方法。謝和平等[13]針對放頂煤開采、無煤柱開采與保護層開采3種條件下工作面前方煤體所承受的采動力學應力環境條件，開展不同開采條件下煤體采動力學行為的實驗研究；尹光志等[14]利用自行研制的含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流實驗裝置進行不同加卸載條件下含瓦斯煤力學特性的試驗研究，得出不同加卸載條件下含瓦斯煤的力學特性表現各異；許江等[15]采用加軸壓、卸圍壓的應力控制方式開展煤巖加卸載試驗，得出應力差與應變關系不同階段煤體力學特征；CHEN等[16]采用數值模擬方法研究了開采過程中被保護層三向應力演化規律，并應用該規律進行力學試驗加卸載路徑，分析了保護層開采過程中卸載煤體損傷及滲透性的演化特征；黃啟翔等[17]結合煤體試樣卸圍壓過程中全應力-應變過程煤巖瓦斯滲透特性的試驗結果，推導出煤體力學特征及瓦斯滲透特性曲線。

圍繞逆斷層構造，很多學者也開展了卓有成效的研究，但主要集中在斷層活化誘導沖擊地壓[18-19]以及斷層突水[20-21]等方面，針對逆斷層影響區域煤體力學特征的研究較少，但煤體力學特征將直接影響區域內煤體應力的分布以及瓦斯賦存以及運移等特征，對指導煤礦現場安全生產有著積極重要的意義。因此，結合煤礦現場實際條件，通過理論分析和現場測試獲得距離逆斷層不同距離條件下煤體應力變化規律，并將此規律轉化為實驗室力學加、卸載應力路徑，進一步研究逆斷層構造影響區域內煤巖體力學變化特征，為逆斷層構造影響區域煤炭資源安全開采提供參考。

1 工程地質概況

貴州新春煤礦設計生產能力90萬t/a，服務年限62年。井田位于仁懷背斜北東端的北西翼，即官店向斜南東翼的南西端。礦井主采C5煤層，煤層厚度為1.50～2.87m，其中1503工作面位于礦井東南部，采深300～420m，采煤方法為走向長壁采煤法。1503回采工作面走向前方存在F4隱伏逆斷層，逆斷層傾角60°，長度195m，斷距0～6m，逆斷層位置如圖1。通過對地質條件的綜合分析，逆斷層構造巖石硬度系數f為5.5 ，故采用煤機直接截割方式過斷層。

圖1 1503回采工作面示意圖Fig.1 Schematic diagram of1503mining face

2 逆斷層區域采動煤體應力變化

2.1 逆斷層影響區域采動煤體應力分析

根據現場地質條件，建立采動影響下逆斷層區域煤體應力分析模型，研究煤體應力變化規律。采動影響下逆斷層區域煤體力學模型如圖2。

圖2 采動影響下逆斷層區域煤體力學模型Fig.2 Mechanical model of coal in reverse fault affected by mining

以工作面開采條件下逆斷層上盤作為分析對象，存在逆斷層構造的煤巖地質體在煤層頂板上方受到垂直分布載荷作用，在水平方向受到水平分布載荷作用。建立煤巖地質體力學分析模型，x方向長度為H，y方向長度為L，O為逆斷層與煤層頂板的交點，在煤層頂板上方受到上覆巖層的垂直應力qx作用，在水平方向受到水平應力qy作用，正常情況下水平應力和垂直應力近似相等，但由于逆斷層的存在，水平擠壓作用明顯，故水平應力取為垂直應力的1.5 倍。依據礦山壓力分布規律，采動條件下逆斷層上盤垂直應力分為8個區域，包括工作面前方應力升高區ab、bc，最大應力為K1·qx；工作面后方應力升高區fg、gh，最大應力為K3·qx；采空區應力區cd、df，最大應力為K2·qx；原巖應力區Oa、hj，應力為qx。

為了方便統計工作面頂板不同區域垂直應力變化規律，這里將各區域應力變化簡化為線性變化；并且假定煤巖體為均質、各向同性材料；根據彈性力學理論，推導得出在垂直應力作用下，逆斷層影響區域煤體任意一點M（x，y）的垂直應力σx1為：

在水平應力作用下，任意一點M（x，y）的垂直應力σx2為：

結合式（1）和式（2），可以得出采動影響下任一點M（x，y）的垂直應力σx為：

式中：x、y為點M（x、y）的坐標；a、b、c、d、f、g、h、j均為y軸方向的長度，m；K1、K2、K3均為應力集中系數。

為更加形象的表述采動影響下逆斷層影響區域煤體力學分析模型，獲得煤體應力變化規律，結合現場地質條件對相關力學參數進行賦值，其中垂直應力qx為9.45MPa，水平應力qy為14.18MPa、煤層與頂板距離為9m、開采高度1.36m；力學模型地質體長度L為200m，深度H為200m；依據采礦學理論以及現場考察，距離參數LOa為105m，Lab為28 m，Lbc為2m，Lcd為4m，Ldf為100m，Lfg為2m，Lhg為28m。

將相關參數代入式（3）中，分別計算工作面距離逆斷層80、60、40、20m4個位置時工作面前方煤體應力。采動影響下與距逆斷層不同距離時工作面前方煤體的力學變化規律如圖3。

由圖3可以看出，工作面前方煤體受采動影響，出現應力集中，垂直應力存在1個應力升高區，超出應力升高區影響范圍后煤體應力再次逐漸回歸初始應力狀態；并且初始應力呈現出距離逆斷層越近，其初始應力相對越大的變化規律。距離逆斷層80m時，煤體垂直應力最大值為23.26MPa；距離逆斷層60m時煤體垂直應力最大值為23.85MPa；距離逆斷層40m時煤體垂直應力最大值為24.54MPa，距離逆斷層20m時煤體垂直應力最大值為25.24 MPa，故對比得出，距離逆斷層越近，工作面前方煤體的應力最大值相對越大。

圖3 與逆斷層不同距離時工作面前方煤體應力變化Fig.3 Stress variation of coal in front of working face with different distances from reverse fault

2.2 采動煤體應力監測

為了驗證理論分析結果，得出逆斷層區域煤體采動應力變化特征，對采動煤體進行應力監測采用KBJ-60Ⅲ-1型回采支架工作阻力連續記錄儀監測支架工作狀況，工作面支架工作阻力變化如圖4。

圖4 支架支撐力變化曲線Fig.4 The variation curves of support pressure

由如圖4可以看出，當工作面頂板經過周期來壓階段時，支架支撐力上升達到應力極大值，與逆斷層距離不同，支撐力的極值也不同。其中支架1在距離斷層45m的位置時，支架支撐力極值為14MPa；在距離逆斷層35m的位置時，支架支撐力極值為15MPa；在距離逆斷層18m位置時，支架支撐力極值為18MPa；在距離逆斷層10m位置時，支架支撐力極值為27MPa。支架2在距離斷層50m的位置時，支架支撐力極值為13MPa；在距離逆斷層35m的位置時，支架支撐力極值為14MPa；在距離逆斷層25m位置時，支架支撐力極值為17MPa；在距離逆斷層10m位置時，支架支撐力極值為20MPa。因此可以得出，隨著回采工作面與逆斷層距離的減小，支架支撐力極值存在明顯的上升，即工作面頂板應力集中程度提高，由此可以反映出煤體承載應力增大，與理論分析的結果相同。

3 逆斷層影響區域煤體力學試驗

由于逆斷層構造的影響，在采動影響下距離逆斷層不同位置時煤體經歷不同的應力變化，導致不同距離條件下煤體力學特征存在一定差別，考慮到逆斷層構造區域是沖擊地壓[22-23]、煤與瓦斯突出[24-25]等災害的易發區域，如果忽略這種區別很容易導致嚴重的安全生產事故。為此，為了確切掌握與逆斷層不同距離造成煤體應力特征的改變，基于采動影響下逆斷層構造影響區域煤體應力變化規律，開展應力加、卸載路徑并進行煤體力學特征研究試驗。試驗采用Rockman207巖石三軸試驗機進行加載，其具備完成復雜路徑下應力加卸載試驗條件，最大軸向力輸出為2000kN，最大圍壓70MPa，傳感器測量范圍0～2mm，精度可以達到0.05 %。

同時，為了盡可能還原煤體井下實際情況，本次試驗煤樣選取井下原煤煤樣進行測試。要求試樣完整性較好、未風化，尺寸長、寬均大于250mm，高大于200mm。采集煤樣后運輸至實驗室，利用鉆孔取樣機從完整煤塊中鉆取直徑為50mm的圓柱體煤心，之后利用煤巖切割機將已經鉆取的煤心切成高度為100mm的圓柱體；最后利用端面磨石機將圓柱體煤心加工成端面平整、兩端平行的標準煤樣，要求上下端面平行度小于0.05mm，端面平面度小于0.02mm，煤樣加工完成后用塑料膜包裹，以防止煤樣風化。試驗機和煤體試樣如圖5。

圖5 實驗系統和煤樣Fig.5 Test system and coal samples

3.1 試驗方案確定

為了探尋與逆斷層不同距離煤體應力特征，結合理論分析和現場監測結果，確定了3種力學加、卸載方案模擬與逆斷層不同距離煤體進行試驗。方案1、方案2和方案3分別模擬距離逆斷層65、35、5m位置煤體，應力集中系數分別取為1.5 、2.0 、2.5 ，每個煤樣加載分為3個階段，3個方案的初始應力均取為15MPa，加載速率取為0.0083MPa/s[26]；水平應力逐漸降低，通過卸載速率進行調整。為獲得煤樣破壞后的力學行為和瓦斯滲流特征參數，峰后過程采用位移控制。煤體應力加卸載方案見表1。

表1 煤體應力加卸載方案Table1 Coal stress loading and unloading schemes

3.2 試驗結果與分析

3個加載方案的偏應力、軸向應變、環向應變、體積應變的變化情況如圖6。在初始加載階段和第1加載階段，煤樣處于彈性變形階段，體積變形處于壓縮狀態，應力-應變曲線近似保持直線；隨后進入屈服和破壞階段，煤樣出現明顯的體積膨脹，偏應力降低，軸向應變、側向應變和體積應變曲線仍繼續增大。加載條件不同，導致煤樣具有不同的應力-應變關系，說明采動影響下，煤體與逆斷層距離不同，煤體的力學行為存在區別。對比分析3個加載方案的試驗結果，距離逆斷層65m的M1煤樣偏應力峰值較低，這是由于軸向應力加載速率較低，圍壓卸載速率相同，導致軸向加載過程中對應的圍壓更低，強度和延性降低，低圍壓狀態下煤體更容易破壞。距離逆斷層5m的M3煤樣偏應力峰值較高，這是由于軸向應力加載速率較高，圍壓卸載速率相同，導致軸向加載過程中對應的圍壓更高，在高圍壓狀態下煤樣相對不容易破壞，此外M3煤樣在偏應力峰值位置的軸向應變、環向應變以及體積應變均相對最高，并且完全破壞后其體積應變也相應較大。

圖6 試樣應力應變曲線Fig.6 Deviatoric stress-strain complete process of coal samples

煤樣密度、應力、應變等相關力學參數見表2。可以看出，與M1相比，M3煤樣的偏應力峰值和軸向應變分別上升了40.74 %和26.73 %，說明在相同圍壓卸載條件下，軸壓加載速率越高，煤樣的偏應力峰值和延性變形也相對越大。

表2 煤樣物理參數及應力變形參數Table2 Physical parameters of coal specimens

3.3 煤樣能量分析

能量演化貫穿于煤體試樣變形破壞的全過程，試樣受力期間伴隨著能量的吸收，吸收的能量主要由彈性能量和耗散能量組成[27]，其中彈性能量主要被試樣以彈性變形的形式儲存在試樣內部，耗散能量則消耗在試樣內部的裂紋擴展上。試樣峰值應力點位置的彈性能被稱為儲能極限，內部存儲的彈性能在一定程度上也在誘導試樣產生損傷破壞，當彈性能增加時，煤體達到破壞時所需的能量也在增加[28]。

試樣吸收的總能量可以表示成以下形式：

試中：U為煤體受力條件下吸收的全部能量，J；UE為煤體受力過程中存儲的彈性能量，J；UD為受力過程中耗散的能量；σ為應力；ε為應變。

根據試樣應力-應變曲線計算得出試驗過程中試樣的吸收能量密度、彈性能量密度和耗散能量密度。加載方過程中試樣能量曲線如圖7。

圖7 加載方過程中試樣能量曲線Fig.7 Curves of energy evolution of coal samples during loading process

根據能量理論，煤體峰值應力點位置的彈性能被稱為煤體的儲能極限，內部存儲的彈性能在一定程度上也在誘導煤體產生損傷破壞，當彈性能增加時，煤體達到破壞時所需的能量也在增加。距逆斷層不同距離采動煤體的能量演化特征如圖7，在初始加載階段，彈性能和耗散能均表現出增加趨勢，其中彈性能增加相對較快，而耗散能變化緩慢，彈性能密度高于耗散能密度，表明初始階段煤體吸收的能量主要以彈性能形式進行存儲；當應力比接近1時，煤體受載接近其本身強度，內部裂紋擴展迅速，數量也大幅增加，耗散能量密度增加幅度明顯提高，表明煤體吸收的能量主要以耗散能的形式對煤體造成破壞。

對比3個加載方案的能量變化曲線可以看出，M1煤樣吸收的能量密度、彈性能密度和耗散能密度均最小，M3煤樣吸收的能量密度、彈性能密度和耗散能密度最大。當應力比達到100%時，與M1相比，M3煤樣的吸收能密度、彈性能密度和耗散能密度分別提高了58.1 %、57.0 %和66.3 %，表明達到破壞條件時M3煤樣內部存儲的彈性相對最高，也消耗更多的能量用于煤體破壞和裂隙擴展。

4 結 論

1）建立逆斷層影響下采動煤體應力分析模型，得出隨著工作面與逆斷層距離的減小，采動煤體應力集中程度越大的變化規律，并且通過回采支架工作阻力連續記錄儀監測應力變化，驗證了應力分析的結論。

2）基于逆斷層區域采動煤體應力變化規律開展煤體力學特征試驗，分別設計3種加載方案模擬與逆斷層距離65、35、5m位置的煤體，得出煤體力學行為與距逆斷層距離有關，距離逆斷層越近，煤樣偏應力峰值和應變相對越大，與M1煤樣相比，M3煤樣偏應力峰值和軸向應變分別上升了40.74 %和26.73 %

3）通過能量分析方法對采動煤體應力分析，得出與逆斷層不同距離的采動煤體裂隙發育特征不同，距離逆斷層越近，煤樣內部存儲的彈性相對最高，也消耗更多的能量用于煤體破壞和裂隙擴展。