开采扰动区断层采动活化诱发岩体动态变形模型实验*

来兴平，刘小明，曹建涛，孙 欢

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安710054;2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安710054)

0 引 言

西部大型亿吨煤炭基地中，宁东、乌鲁木齐、华亭和神东矿区等特厚煤层赋存特征有别于东部矿区。煤岩体失稳致灾“多力源”及耦合关系是动力学灾害预报关键因素［1-4］，强弱岩层组合影响断裂韧度重构是动力学灾害前兆。煤岩体结构载荷传递距离、覆岩厚度和结构畸变致灾密切关联，揭示煤岩体结构、应力与力学行为对灾害的控制作用是基础前提。断层采动活化隐蔽性是诱发动力学灾害的典型问题之一，煤岩结构应力畸变致灾是采动耦合作用下发展形成的时间-空间-强度演化过程，基于应力变形、声发射(Acoustic Emission，AE)等多源信息监测是揭示岩体动态变形的先进方法手段［5-10］。通过物理相似模型实验和声发射、应力与变形指标监测，揭示开采扰动区断层下盘、断层附近和断层上盘推进中覆岩运移和矿压显现规律，为采动岩体动态断裂失稳和突水等灾害预报与调控提供理论依据。

1 实验模型与观测方法

相似模型实验框架规格为5.0 m ×0.4 m ×1.5 m.选用石膏和碳酸钙为胶结物，河沙、石膏、大白粉、煤粉和云母片进行沉积岩层和裂隙节理模拟。确定原型-模型几何相似比为200，容重相似比为1.5，应力相似比为750.

测试系统由多路测力系统、声发射和全站仪等构成。工作面前方煤体底板埋设压力传感器监测开采过程中煤体所受应力的变化，采用声发射监测仪监测开采过程中开采扰动产生的围岩破裂及采空区动力灾害，采用全站仪监测覆岩变形。

在煤层底板中埋设3 组压力传感器，在断层附近、断层前方100 cm 和断层后方100 cm 处，通过压力传感器监测的压力变化反映煤层支承压力规律。传感器布置位置总共有3 个(1#2#3#)，压力传感器均布置在煤层底板，其中1 号测点布置在断层下盘，2 号测点布置在断层处，3 号测点布置在断层上盘，相邻两个测点距离为150 cm.

图1 实验模型应力与位移测点布局Fig.1 Monitoring layout of stress and subsidence

在整个模型范围内，自下而上沿煤层倾向铺设5 层位移监测点，同一层相邻两个测点水平间距20 cm，垂直间距20 cm.断层附近相邻两测点水平间距为10 cm，观测上覆岩层垮落及断层滑移情况。在断层上部和下部距断层左右20 cm 位置分别布设4 个声发射探头，重点监测断层采动活化产生的声发射信号。

2 开采实验过程描述

2.1 模型开挖

开挖方向为从断层下盘沿煤层至断层下盘，回采一步结束后待整个模型变形稳定后再继续回采。开切眼距模型边界设置32.0 cm 煤柱，每次开挖进尺4.0 ～6.0 cm.模拟开采进尺8.0 ～12.0 m，当回采工作面接近断层时，每次回采距离改为2.0～4.0 cm，模拟开采进尺4.0 ～8.0 m.开采方式采用放顶煤开采。

2.2 实验过程

开挖至31.0 cm 时，直接顶出现离层。当推至距开切眼37.0 cm 时，直接顶初次垮落，老顶出现离层。当工作面推进至距开切眼42.0 cm，老顶初次垮落。随工作面推进，直接顶和老顶垮落，覆岩“三带”以60°左右垮落角成“正梯形”向上、向前延展分布。

当采至199.0 cm 时，回采工作面自下盘接近断层，直接顶随老顶垮落，断层活化并产生裂隙。离层带裂隙沿岩层层理弱面向断层方向横向扩展，70.0 ～74.0 cm 段岩层横向裂隙延伸至断层，与断层裂连通。三带向上延伸，高度84.0 cm(距底板)，最上关键层中下部产生纵向张拉裂隙。在断层上盘距工作面45.0 cm 距离处从地表至48.0 cm 产生纵向裂隙。

推至断层时，下盘岩层发生整体切落，模型震颤。断层采动活化加剧，裂隙扩大并向上下扩展。

推过断层，在上盘继续推进时，上覆岩层垮落形态与工作面在下盘推进时相比发生明显的变化，当开挖距离为248.0 cm 时，直接顶老顶同时垮落，距底板69.0 cm 高处产生横向裂隙，离层带整体下沉并覆搭断层面上。开挖距离为354. 0 cm时，断层上盘覆岩整体切落，断层大幅滑移，裂隙延至地表。当开挖距离为396.0 cm 时，开挖至上盘边界煤柱，实验结束。

3 实验结果分析

3.1 断层下盘覆岩运移特征及规律

工作面在断层下盘向断层推进过程，采动初期煤层顶板及上覆岩层运移受断层影响较小，开采扰动造成的上覆岩层垮落特征如图2 所示。

图2 采动初期覆岩垮落特征Fig.2 Characteristics of overlying strata caving in the preliminary

选取位于覆岩层内C 排测点(距煤层高度0.8 m)和D 排测点(距煤层高度1.2 m)作为考察断层下盘岩层位移变化关键点，变形下沉规律如图3 所示。D 排测点下沉量要大于C 排测点，主要是因为D 排测点距离煤层较近，位于冒落区内，最大下沉量达到6.4 m.各测点冒落后随着工作面向前推进而进一步垮落、压实，下沉量进一步增大。C 排、D 排最大下沉量均位于距开切眼140 m 处的测点，主要是由于该测点位于工作面和开切眼中部，承受矿压较大，岩层易垮落，压实最明显。随工作面越来越靠近断层，上覆岩层下沉增加越来越大，表明断层对于上覆岩层垮落影响显著。

图3 距煤层高度0.8 m 和1.2 m 覆岩下沉规律Fig.3 Overlying strata subsidence characteristics that distance from the coal seam of 0.8 m and 1.2 m

3.2 断层附近覆岩运移特征及规律

选取位于断层上盘和下盘靠近断层几个典型位移测点，考察其下沉变形规律(图4)。当工作面推至断层时，断层活化，下盘上覆岩层发生整体切落，当工作面推过断层后，上覆岩层垮落形态发生变化，由于断层隔断，下盘岩层已整体切落，上盘高位岩层在自重作用下对断层面造成挤压，因此工作面过断层后矿压显现不明显，顶板周期来压步距增大，短距离内不会发生离层。当开采到一定距离之后，具有相当厚度岩层发生离层切落，工作面大范围来压，矿压显现剧烈，顶板形成“刀把”式垮落。随工作面推进，覆岩发生整体切落，对工作面造成冲击危险性较大。

3.3 断层上盘覆岩运移特征及规律

工作面在断层上盘推进时，覆岩层垮落形态与下盘相比具有明显差异性(图5)。初期矿压较小，周期来压步距增大，上覆岩层悬而不落，开采到一定距离后，高位岩层裂隙由横向扩展改为沿垮落角向工作面扩展，岩层发生整体性垮落，且垮落岩层并没有离层，而是以一个整体发生切落;其次，周期来压步距增大，对工作面造成矿压较大，冲击危险性增大。选取C13 -C20 和D13 -D22 作为考察断层上盘覆岩运动典型测点，其下沉变形随工作面推进距离变化规律如图6 所示。

图4 断层上下盘下沉变形规律Fig.4 Subsidence deformation characteristics of the lower and the upper plate of the fault

图5 工作面在断层上盘推进中上覆岩层垮落形态Fig.5 Overlying strata caving configuration of the upper plate of the fault with the working face advancing

图6 采动作用下不同层位岩层下沉变形规律Fig.6 Different layers subsidence deformation characteristics with mining disturbing

工作面由断层下盘推至断层上盘时，断层剧烈滑移与相互错动结束，矿压显现比较平和，整个断层系统暂时处于一个相对稳定的阶段，上盘覆岩自重沿断层面向断层下盘采空区传递，顶板下沉位移较小，周期来压步距加大;当工作面推进至524 m 时，该处距离断层64 m，距煤层100 m 高度处覆岩出现横向裂隙，并沿一定垮落角延伸至工作面煤壁，整个“刀把”式上覆岩层整体切落，对工作面形成冲击，危险性较大;当工作面推进708 m时，该处距离断层248 m，顶板及高层位的覆岩发生周期性垮落，同时在断层上盘高自重应力的作用下，裂隙向上扩展并延伸至模型顶部，裂隙贯通后断层上盘采空区上方整个覆岩发生整体性切落，测点下沉位移达到最大，其中C 排测点最大位移达到23 m，D 排测点最大下沉位移达到11.2 m.

3.4 矿压显现特征及规律

图7 开采扰动区1 -3 号测点应力变化规律Fig.7 1 -3# monitoring stress variation characteristics in the mining disturbed zone

图7(a)为1 号测点应力随推进变化规律，当工作面在断层下盘推进时，矿压规律受断层影响较小，为正常情况下开采扰动。图7(b)为2 号测点应力随工作面推进变化规律，工作面过断层期间的矿压相对较大，最高应力达到35 MPa，过断层后垮落顶板逐渐压实。图7(c)为3 号测点应力随工作面推进变化规律，3 号测点位于断层上盘，与断层相距150 m. 当工作面在断层下盘推进时，开采扰动对监测区域围岩影响较小，但应力值总体呈缓慢上升趋势;当工作面推进距断层100 m 时，开采活动进入断层活化区域，覆岩离层带延伸至断层并与断层破碎带相连，整个三带区域失去支撑，发生整体切落，工作面矿压显现剧烈。由于断层下盘部分切落，上盘覆岩失去承载，整个断层上盘在自重的作用下呈悬臂梁结构，且悬臂梁的固定支点位于3 号测点附近，出现应力突变，达到80 MPa 左右;随工作面的推进，采空区覆岩逐渐压实，断层上盘在自重应力作用下下沉并沿断层面与断层下盘接触，应力突降，冲击危险降低;随工作面推进，整个断层上盘在自重作用下发生三次整体性垮断，表现为3 次应力突降。分析表明，工作面推至断层附近时，由于断层的存在破坏了顶板及上覆岩层的整体连续性，工作面矿压及覆岩垮落规律表现异常，断层活化效应显著，剪切滑移现象明显，造成工作面前方煤体应力集中，现场开采过程中发生冲击事故;工作面推过断层后，覆岩垮落形态与下盘开采有显著差异性，覆岩发生整个上盘的整体垮落，工作面矿压骤增，需加强支护。

4 覆岩动态变形特征

煤岩破裂与失稳声发射检测就是利用先进仪器接受从煤岩介质内部释放的弹性波，通过分析来确定破裂源头特征及判断其动力学失稳倾向性的技术。利用声发射技术主要是通过监测模型开挖过程中覆岩破坏、断裂失稳所产生弹性波，分析声发射波形特征，揭示覆岩内部破裂与变形特征。随工作面推进，声发射事件和能量表现出一定演化规律，如图8 所示。

图8 断层活化AE-能率-推进距离演化规律Fig.8 AE-Energy rate-advance distance characteristics with the fault mobilization

图8 表明，当工作面推进至距开切眼372 m时，声发射事件和能量发生突变，初步断定为断层活化，该位置距离断层100 m. 工作面推过该位置后，声发射活跃性恢复到正常水平。另一个峰值异常点为工作面推进至距开切眼686 m 时，工作面后方采空区覆岩在自重作用下，以工作面煤壁为支点向下旋转，顶板裂隙由工作面延伸至模型顶部，整个断层上盘至工作面横向跨度范围内的覆岩发生整体切落，释放出大量能量。

总之，工作面在断层下盘推进时加剧断层活化，覆岩离层下沉，当最上方离层裂隙与断层破碎带贯通时，整个下盘上覆岩层在自重的作用下发生失稳，断层下盘上覆岩层整体切落，上盘覆岩失去支撑力处于悬空，造成工作面前方煤体应力集中，冲击危险性增加。

5 结 论

1)工作面在断层附近推进时，覆岩运移差异明显，从而导致断层活化，工作面大范围来压，矿压显现剧烈。

2)声发射监测覆岩破裂变形表明，当工作面推进至距开切眼372 m 时，声发射和能量发生突变;当工作面推进至距开切眼686 m 时，顶板裂隙由工作面延伸至模型顶部，断层带覆岩层发生整体切落，声发射信号大量产生，释放出大量的能量。

3)断层存在破坏了顶板及上覆岩层的整体连续性，工作面矿压及上覆岩层垮落规律表现异常，断层极易活化，滑移现象明显，对工作面前方煤体产生很高的集中应力载荷，易诱发动力灾害。

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