断层采动活化对导水裂隙带高度影响的模拟实验研究＊

路 军 许家林 王 露 刘栋林 朱卫兵

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221116）

断层采动活化对导水裂隙带高度影响的模拟实验研究＊

路 军1，2许家林1，2王 露1，2刘栋林1，2朱卫兵1，2

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221116）

通过物理模拟研究了断层采动活化对导水裂隙带高度的影响，实验结果表明：断层断至层位在正常导水裂隙带范围内，断层活化对导水裂隙带高度没有影响；断层断至层位在正常导水裂隙带范围之外，受断层切割的关键层因断层活化而失去控制作用，导水裂隙带将发育到上一层关键层的底部；断层断至层位高度相同时，导水裂隙带发育高度相同，但此时工作面推进方向与断层面倾向的位置关系对导水裂隙发育速度有一定影响。

断层采动活化 断至层位 导水裂隙带高度 关键层 物理模拟

1 引言

断层是导致矿井突水的主要原因之一，有关统计资料表明，80%的矿井突水和断层有关，断层面附近的岩体较破碎，在采动影响下，易于使构造结构面“活化”，沟通导水裂隙而导水。因此，研究断层采动活化对导水裂隙带的影响具有重要意义。

长期以来，许多学者对断层采动活化做了大量研究，彭苏萍等开展了断层对顶板稳定性影响相似模拟实验研究，分析了断层采动活化对断层及其影响范围内岩体的影响。黄炳香等采用相似模拟实验对采场小断层区域覆岩破断规律和断层构造裂隙的演化过程进行了研究，得出了工作面不同推进方向时采场小断层对导水裂隙高度的影响规律。胡戈等通过综放开采过断层时顶板破坏规律的数值模拟，分析了断层倾向对导水裂隙带高度的影响，李辉等通过数值模拟断层对导水裂隙带高度影响，结果证明有断层时导水裂隙带高度比无断层时要高。

上述研究成果在分析断层采动影响对围岩应力的分布和裂隙演化方面有重要的参考价值，但这些都是从断层倾向、倾角及落差方面考虑。描述断层的三要素包括断层产状、落差和断至层位，因此断至层位对导水裂隙带高度的影响值得研究，由此，本文在上述研究的基础上，通过模拟实验分析了断层断至层位对导水裂隙带高度的影响。

2 实验方案

根据实验目的设计模型模拟煤层采高为4m，上覆岩层中存在4层关键层，亚关键层1位于煤层上方4m处，厚度为2m；亚关键层2位于煤层上方18m处，厚度为4m；亚关键层3位于煤层上方45m处，厚度为5m；主关键层位于煤层上方85m处，厚度为10m。

根据现有资料分析工作面回采过程中遇到的逆断层活化威胁大于正断层，因此研究逆断层更有意义，据此在回采工作面内设置3条逆断层进行研究，断层相关参数见表1，为了避开各断层之间的相互影响，每两条相邻断层之间相距100m，断层倾角75°，落差3m。大量的井下现场观测表明，对于落差小于5m的采场小断层，大多数断层上下盘岩层间只有明显的擦痕和滑移面，没有明显的破碎带，断层面实质为一弱面，与岩层间的层面相似，所以断层面采用厚层云母粉来模拟，云母粉厚度依据几何相似比确定。

模拟实验在5.0m平面应力模型架上进行。选用的几何相似比为CL＝1∶100，容重相似比Cγ＝1∶1.6，应力相似比Cσ＝1∶160。根据相似理论确定各分层物理力学参数并进行材料的配比，物理模拟材料以河砂、云母做骨料，以碳酸钙和石膏做胶结料，在煤层中则加入一定比例的煤粉。模型尺寸为5.0m×0.3m×1.2m（长×宽×高），上部加等价载荷代替，其模拟煤岩分层的物理力学参数见表2。由此设计断层采动活化对导水裂隙带高度影响相似模型如图1所示。

表1 断层相关参数表

表2 实验模型中煤岩层的物理力学参数

模型开采过程中，在两侧各留300mm的保护煤柱，以消除边界效应。模型中每次开挖步距为50mm，每隔15～20min开挖一步。

图1 煤岩层物理实验模型图

3 实验结果与分析

3.1 有无断层时导水裂隙带高度

（1）无断层存在时导水裂隙带高度。正常回采（无断层构造）情况下，导水裂隙带高度主要受关键层控制。随着工作面向前推进，由于亚关键层1、2的作用，导水裂隙带高度呈台阶状上升：当工作面推进80m时，关键层1初次破断，导水裂隙带高度开始发展到亚关键层2底部，高度为18 m，如图2（a）所示；当工作面推进110m时，关键层2初次破断，导水裂隙带高度开始发育到亚关键层3底部，高度为45m，如图2（b）所示；此后，随着工作面继续推进，亚关键层3底部的离层空间不断增大，其悬露长度也逐渐增加，但导水裂隙高度保持不变，在工作面推进到断层影响区前，导水裂隙带高度始终保持在45m的高度，说明亚关键层3对导水裂隙带高度有控制作用，阻止了裂隙继续向上发育，这与已有的研究成果相符。

图2 无断层时随工作面推进导水裂隙发育图

因此，在正常回采情况下，导水裂隙带最大发育高度保持在45m左右，如图3所示。

（2）有断层存在导水裂隙带高度。断层F1的倾向和工作面的推进方向相反，工作面由断层下盘向上盘推进，当工作面推进到距断层5m时，断层受采动影响明显，裂隙沿着断层倾向向上发育，当回采工作面到达断层时，断层下盘覆岩自断层顶端整体切落，导水裂隙带迅速突破亚关键层3，发育到主关键层底部，达到85m，如图4（a）所示，说明关键层3在被断层切断之后失去了关键层的控制作用，断层活化使导水裂隙带向上发育到主关键层底部，主关键层并没有贯通，阻断了裂隙的向上发育。

断层F2倾向和工作面的推进方向一致，工作面从断层下盘向上盘推进，当工作面推进到距断层5m时，断层受采动影响并不明显，裂隙缓慢发育，在工作面推进到断层时，由于断层前方岩体与后方垮落岩体形成铰接结构，如图5（a）所示，断层并没有立即活化到顶部，而是在工作面推过15m，铰接结构滑落之后，导水裂隙才沿着断层发展到断层顶部，并延伸到主关键层底部，达到85m，如图5（b）所示。与工作面过断层F1时下盘覆岩整体切落相比，断层活化相对平缓。

断层F3倾向和工作面推进方向亦相反，工作面从断层下盘向上盘推进，在工作面推进到断层之前，断层受采动影响并不明显，裂隙发育缓慢，当工作面推进到断层时，断层下盘上覆岩层整体切落，导水裂隙立即发育到断层顶端，并延伸到亚关键层3底部，达到45m，和无断层时导水裂隙带高度相同，如图6所示。

3.2 断层断至层位对导水裂隙带高度的影响

在推进过程中，工作面上方裂隙实时发育高度如图7所示。

（1）有断层存在时，断层断至层位决定了断层对导水裂隙带高度的影响。

工作面推过断层F3之后，导水裂隙带高度仍为45m，和无断层时相同，说明断层F3对导水裂隙带高度没有影响。从图1中可以看出，断层F3断至层位在亚关键层3之下，断层采动活化后，导水裂隙带沿断层发育到亚关键层3底部，断层F3处在正常情况下导水裂隙带范围之内，因此对导水裂隙带高度的发育没有影响。

断层F1断至层位在亚关键层3之上9m处，在工作面推进到距其5m时，断层就开始活化，亚关键层3失去了关键层的控制作用，导水裂隙带高度迅速发育到主关键层底部，达85m，比无断层时的45m增加了89%。

（2）断层F1与断层F2相比，断至层位高度相同，但断层的倾向不一样，工作面推进方向分别是从下盘向上盘、从上盘向下盘。前者在工作面推进到断层时，采空区上覆岩层整体切落，导水裂隙带迅速发育到断层顶端，并向上延伸到主关键层底部；后者在工作面推进到断层时，断层后方垮落岩体与前方岩体形成了铰接结构，当工作面推过断层后，断层才开始活化，导水裂隙带沿着断层缓慢发展到断至层位顶部，随着工作面的继续推进，导水裂隙带逐步发育到主关键层底部。

由此可以看出，工作面过断层F1和断层F2时导水裂隙带发育高度相同，只是断层活化剧烈程度不同，工作面从逆断层下盘向上盘推进时，工作面到达断层时，断层就充分活化；而从上盘向下盘推进时，当工作面过断层之后断层才开始活化。说明在相同覆岩情况下，断层断至层位相同时，导水裂隙带高度相同，断层倾向对导水裂隙带高度并没有影响，但工作面从逆断层下盘向上盘推进时，断层更容易活化，导水裂隙带较快发育到最大高度。

图7 推进过程中导水裂隙动态发育高度

4 结论

（1）揭示了断层断至层位对导水裂隙带高度的影响规律。断层断至层位在正常导水裂隙带范围内，断层活化对导水裂隙发育没有影响，导水裂隙带高度和无断层时相同；断层断至层位在正常导水裂隙带范围之外，导水裂隙发育高度比无断层时增大，导水裂隙带高度将达到上一层关键层底部。

（2）断层断至层位相同时，导水裂隙带发育高度相同，但导水裂隙发育速度受推进方向与断层面倾向相对关系的影响，如工作面从逆断层下盘向上盘推进，导水裂隙带更快发育到最大高度。

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Physical simulation of height of water－flowing fractured zone influenced by fault activation after coal extraction

Lu Jun1，2，Xu Jialin1，2，Wang Lu1，2，Liu Donglin1，2，Zhu Weibing1，2
（1.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

The effect of fault activation after the coal extraction on height of water－flowing fractured zone was researched by the physical simulation experiment.The results showed that the fault activation after coal extraction had no influence on the height of water－flowing fractured zone when the fault extended within the normal water－flowing fractured zone.When the fault extended out of normal water－flowing fractured zone，the key stratum cut by the fault would lose the control on the movement of overlying strata，so the height of water－flowing fractured zone would develop to the bottom of upper key stratum.When the faults extended to the same height，the water－flowing fractured zone would be at the same height.Simultaneously，the relative position of working face advance and the fault dip direction would have a certain effect on the developing rate of water－flowing fractured zone.

fault activation after coal extraction，position of fault extension，height of water－flowing fractured zone，key stratum，physical simulation

P641

A

国家重点基础研究发展计划（973）资助项目（2007CB209403）；国家自然科学基金资助项目（50974116）

路军（1986－），男，安徽淮南人，硕士研究生，从事岩层控制与绿色开采方面的研究。

（责任编辑 张毅玲）