基于相似模拟试验的断层防水煤柱留设研究

2018-11-02毕尧山吴基文翟晓荣张红梅

中国煤炭 2018年10期

毕尧山吴基文黄凯,2 翟晓荣张红梅

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽省淮南市，232001；2.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽省合肥市，230009)

矿井突水问题一直是煤矿安全生产中的重要问题。据资料统计，绝大部分矿井突水事故的发生都与断层有关，且多是由于小断层或隐伏断裂在釆动影响下活化造成的。因此研究断层采动效应对于矿井安全生产也有十分重要的意义，研究近断层处煤层开采与断层防水煤柱的合理留设问题也一直是煤矿科学技术问题的热点。

在诸多研究方法中，相似模拟试验因其试验结果直观、效应清楚、周期短、效果显著等优点而备受青睐。彭苏萍等通过相似材料模拟试验，对煤层在回采过程中煤层顶板岩体的变形破坏特征和矿压的分布规律进行了研究，发现断层会随着采动的变化而发生活化；黎良杰通过相似模拟试验，认为断层突水的实质是在承压水的作用下，断层两盘的关键层向上相对位移差的产生。若断层越易产生最大位移差，则越易突水；翟晓荣等通过进行断层带相似材料模拟试验，跟踪监测了在煤柱缩小过程中近断层带煤层底板的采动应力特征和断层带两侧岩体的应力变化规律；吴基文等利用相似材料模拟试验，监测了煤柱在不断缩小过程中断层带两侧岩体位移的变化规律。

本文通过相似模拟试验，对龙东煤矿7号煤层开采时煤柱宽度不断减小的过程中断层带岩体变形破坏特征、煤层底板应力及位移情况进行监测、分析，从而为合理留设断层防水煤柱提供有益参考。

1 模型的研究与建立

1.1 研究区地质概况

试验研究原型为徐州境内的龙东煤矿东二采区边界断层F孙断层，试验的主采煤层为山西组中下部的7号煤层。东二采区7号煤层底板等高线和断层模型图如图1所示。由图1可知，煤层倾角平均15°，煤层采厚为5 m，底板标高-250～-600 m，平均标高-425 m，平均采深460 m。F孙断层走向NE，倾向SE，倾角70°～76°，延展长度3336 m，落差30～240 m，属可靠正断层。

图1 F孙断层地质模型

1.2 相似模型的建立

1.2.1 试验材料和参数的选取

本次模型所选相似材料的骨料为细砂，胶结物骨料为石灰与石膏，断层破碎带的骨料为云母粉及细砂。根据实验室长期试验所总结出的配比，此次试验相似常数如表1所示。

表1 模拟试验主要相似比参数

1.2.2 F孙断层相似材料模型

此次试验所搭建的模型几何尺寸为300 cm×30 cm×150 cm(长×宽×高)，依据相似比，相当于模拟包括7号煤层及7号煤层底板以下60 m和顶板以上85 m共计厚约150 m的岩层。为保证模型整体及断层在加压之后的稳定性，断层带没有延伸到模型顶部，断层延伸高度120 m，在其之上的30 m由水平层覆盖。F孙断层相似材料模型如图2所示。

图2 F孙断层相似材料模型

1.2.3 加载方式

由于本次试验只能模拟7号煤层顶板以上85 m的岩层自重，结合现场地质条件得知，模拟区段内7号煤层平均埋深460 m，因此模型上没有模拟到的岩层需通过施加载荷的方式来补偿垂直应力，此次试验补偿荷载选取配重块加压。

试验模拟平均采深460 m，煤层上覆岩层的平均密度取2.5×103kg/m3，7号煤层实际应力为11.5 MPa，则模型中7号煤层的模拟应力根据应力相似系数计算为0.07 MPa；模型中7号煤层上覆岩层模拟厚度为0.85 m，模拟应力经计算为0.0129 MPa，需要补偿的应力应为0.0557 MPa。模型的横截面积为0.9 m2(3 m×0.3 m)，则需要施加的荷载为50.13 kN，即所配加压重块为5013 kg。

2 相似模拟试验

为分析煤层开采对断层采动效应的影响，研究在7号煤层煤柱宽度不断缩小的情况下断层带岩体变化、煤层底板应力变化以及位移变化情况，布设本次倾向断层模型。

2.1 测点的布置

由于本次试验主要模拟煤层底板及断层带两侧岩体的采动效应变化情况，因此主要在模型中的煤层底板及断层附近布置测点。

为研究F孙断层带对煤层开过程中采动应力传递的影响及应力在对盘的传递规律，在模型中距离煤层底板10 cm及30 cm处铺设应力测线，对煤柱减小过程中的应力变化进行监测。

为研究F孙断层带两盘岩体位移变化规律，分别在煤层底板10 cm及30 cm处布置位移测线，对煤柱减小过程中的位移变化进行监测。

2.2 煤层开采过程

此次模拟对近断层边界7号煤层进行开采，重点模拟随着断层煤柱不断减小的过程中煤层底板与断层两侧岩体的采动效应特征。模型建立后，进行加载，然后放置2 d，等应力完全传递到各岩层以后，将加载系统应力清零，开始开采。煤层左侧留50 cm的约束煤柱，从左向右，向F孙断层推进。首次开采10 cm，以后每隔2 h开采5 cm，共计开采150 cm，然后模型放置2 d，等应力传递稳定后，结束测试。

3 试验结果分析

3.1 模型采动变形破坏特征

通过观察煤层在开采过程中，即煤柱宽度不断缩小过程中，发现断层带因为采动作用的影响而发生开裂现象直至最终破坏，变形破坏过程见表2，部分变形破坏特征演变如图3所示。

表2 煤层推进过程模型变形破坏特征记录表

为了更好地判断煤层开采过程中对断层产生的采动影响，还应对煤层底板近断层带附近岩体的应力及位移进行研究。

3.2 煤层底板岩体应力变化

通过静态电阻应变仪分析岩层中的电阻应变片获得其微应变，再通过计算获得相应的应力，进而对断层带附近岩体应力进行分析。对煤层底板10 cm和30 cm处应力测线进行监测与分析，得出了应力变化曲线如图4所示。由图4(a)可知，近断层带33#、45#测点应力在工作面回采前期变化趋势基本一致，且应力值基本相同。当工作面推进130 cm即煤柱宽度为20 cm时，位于下盘的测点应力出现突降，且由最初的压应力转换为拉应力，45#测点位于L10灰顶部，对阻水不利。由图4(b)可知，在底板下方30 cm近断层带附近同一水平的28#、40#测点变化趋势差异最为明显，在工作面回采初期二者变化基本一致，虽然在工作面推进80 cm时，两处监测点的应力增幅达到最大，但28#测点应力值远大于40#测点，且在推进90 cm后下盘40#测点应力发生了突降，由原来的压应力转换为拉应力，此时煤柱宽度为60 cm；当回采至120 cm即煤柱宽度为30 cm时，应力发生二次突降，拉应力进一步增大，40#测点正好位于矿井内L12灰上部，应力由压应力转换为拉应力对阻水不利。

图3 煤层推进过程模型典型变形破坏特征

通过对7号煤层开采过程中煤层底板近断层带附近岩体应力变化进行分析研究，发现煤层开采过程中对断层产生了采动效应，使得断层处应力发生改变，近断层处的应力由压应力逐渐变为拉应力，煤层底板应力变化明显，说明随着煤层的开采，采动作用已经影响到近断层带处应力平衡，易使断层发生活化现象。

3.3 底板近断层带岩体位移变化

在开挖不同步距时对煤层底板10 cm及30 cm处位移测线进行岩体位移变化研究，得到煤层底板10 cm及30 cm处位移变化曲线如图5所示。研究发现，当工作面推进100 cm即煤柱宽度为50 cm时，在底板10cm及30 cm测线近断层带两侧均出现位移差，但位移差较小，断层两侧最大位移差为0.5 mm左右；在工作面推进120 cm即煤柱宽度为30 cm时，位移差出现明显增大，最大位移差在0.7 mm左右；当回采150 cm即无煤柱时，位移差为1.1 cm，断层两侧位移差大，此时断层发生活化现象。这说明随着煤柱宽度的缩小，煤层开采时所产生的采动作用对断层带两侧岩体表现得越来越强烈，使得断层两侧位移差逐渐增大，引起断层发生活化，从而导致断层导水。

3.4 断层防水煤柱宽度的确定

通过上述分析可知，当断层煤柱宽度为50 cm时，断层带两侧岩体开始出现位移差；当煤柱宽度为30 cm时，位移差进一步增大。随着煤柱宽度的不断减小，断层两侧出现的位移差逐渐增大，直到断层发生活化。为了防止出现断层活化，应避免断层带两盘岩体出现位移差，经相似比换算后可得，所留断层防水煤柱应不少于50 m。

图4 煤层底板应力变化曲线

图5 煤层底板位移变化曲线

4 与经验公式计算值的对比

由于此次相似模拟试验是基于4号勘探剖面线布设的，故以4号勘探线剖面为例采用经验公式计算F孙断层防水煤柱宽度值。F孙断层4号勘探线剖面如图6所示。

图6 F孙断层4号线勘探剖面图

由图6可以看出，上盘地层倾角变大，7号煤层倾角约为18°，下盘地层较为平缓，倾角4°左右，上盘7号煤层底板距离下部L4灰含水层65 m，正常开采情况下不会发生底板L4灰突水，但由于断层落差较大，导致下盘L12灰和奥灰等与上盘煤层底板对接，易导致底板突水。因此，此处主要考虑断层活化导水后煤层底板突水这种情况，对4号勘探剖面线剖面处防水煤柱宽度进行计算。

根据《煤矿防治水规定》，如果受采动影响，断层发生活化导水且煤层底板突水时，按式(1)计算煤柱宽度，计算结果见表3。

式中：L2——煤柱宽度，m；

Ha——断层安全防水煤柱的宽度，m；

α——断层倾角，(°)；

P——防水煤柱所承受的静水压力，MPa；

TS——突水系数，断层影响带突水系数取0.06 MPa/m。

根据经验公式计算得出的煤柱留设宽度结果，当断层发生活化导水时，所留煤柱宽度应不小于43.31 m，与根据相似模拟试验确定的断层防水煤柱宽度结果接近，说明本次相似模拟试验结果具有一定可靠性。