基于相似材料模拟法的煤层开采对断层影响评价

周 科

(中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸 056004)

0 引言

相似材料模拟试验可以模拟涉及弹塑性、破碎、垮落等各种形式的采空结构的多种物理力学过程，是研究煤层采动后的岩体变形、移动及破坏的规律的一种有效研究方法[1-3]。在模拟煤层采动裂隙过程中，以砂子为骨料，石膏、石灰为胶结材料，硼砂为缓凝剂，云母粉为分层材料，制作与实际岩层物理力学参数相似模型[4-5]。模拟采动过程中，采用全站仪和数码照相机的照片，观察上覆不同高度的岩层破坏和移动程度。在建立模型过程中还可以增加断层等天然构造因素，通过观察辨别采动裂隙对断层的影响程度，从而推测煤层开采时对断层导富水性的影响[6]。

研究区域为鹤岗矿区，地层构造复杂，煤层倾角变化大且开采方式为多层厚煤层联合开采。根据以往经验，水害发生往往是煤层开采过程中扰动波及大的富水断层所致，传统的方法无法判断煤层开采过程中扰动对断层的影响[7-9]。为了较为准确地判别煤层开采对断层的影响，进而评估发生水害的危险程度，通过相似材料模拟实验及数值模拟方法，利用矿区施工的导水裂缝带探测孔所取得的地质及岩石物理力学资料进行了模拟实验，从而研究推测了煤层开采对断层的影响程度，取得了较好的效果[10-15]。

1 地质与工程地质条件

鹤岗矿区含煤地层为白垩系石头河组碎屑岩。可采煤层顶板岩石以粉砂岩、细粒砂、中砂岩、粗砂岩、含砾砂岩及砾岩互层状为主，地层倾角15°～30°。主采煤层有9#、17#煤层，9#煤层开采方式为综采放顶开采，17#煤层开采方式为分层开采。9#煤层：全区发育，煤层厚度为1.25～5.24m,平均厚2.37m。17#煤层：煤层稳定，全区发育，厚度1.99～15.83m，平均为9.95m。

据以往资料可知，井田内地质构造较发育，对地层破坏程度较大，岩石裂隙较发育。区内F6断层为影响煤层开采的主要断层，为滑脱状平缓正断层，走向NEE，倾向N，倾角20°～35°，断距35～50m，根据物探瞬变电磁联合钻探探查，该断层为富水断层。

为了研究F6断层的富导水性，在F6断层两盘施工了7个探测孔。根据岩石物理力学试验资料可知，钻孔中所取岩石力学样测试结果抗压强度为27.20～104.7MPa，平均抗压强度为58.3～89.8 MPa，平均饱和抗压强度为38.9～55.9MPa。因试验室测得结果一般比实际岩体的抗压强度大20%～40%。根据覆岩岩性划分标准，实际覆岩岩体的性质为中硬—坚硬岩。

根据现场勘探资料和覆岩破坏探测钻孔位置，以矿区内的峻德煤矿三带孔附近为研究区域，将17#煤顶板以上总计301.40m开采有关的岩土体划分为22类主要工程地质类型(表1)。 A-A'剖面主要断裂构造为F6断层，断层规模较大，断层面切割整个剖面，对煤层影响较大(图1)。

表1 钻孔岩心力学参数

图1 A-A′剖面Figure 1 Section A-A′

2 模型设计

2.1 模型尺寸设计

根据原型条件与室内条件，模型与原型的几何尺寸比例取为1∶200。模型安装在平面应力模型架上，模型长300.0cm，宽30.0cm，高160.0cm，按照A-A′剖面铺装。

2.2 相似材料及配比

模拟岩层的实际物理力学参数如表2所示。主要参考实际岩组的抗压强度和抗拉强度，相似材料的力学参数及材料配比见表3。

表2 模拟岩层物理力学参数

表3 煤层顶板岩石类型配比

2.3 位移监测

为全面监测上覆岩体的下沉值，在试验模型的煤层上人造相似材料覆岩体中均匀布设了监测点安装位移监测装置。

3 模型开采方案

根据试验相似比，模型上1.7h相当于1d。根据设计，每次煤体开挖2h后采集数据，再进行下一次的开挖。在开挖过程中，采集百分表的示数的同时用数码相机记录系统记录上次开采覆岩的移动变形，并通过数字图像处理，推算煤层顶板岩体的移动变形值。

模型先开采9#煤，按断层上盘、下盘分两段开采。断层上盘从左侧开切眼向右开挖(预留边界煤柱20cm)，每隔2h采5～10cm，采到距F6断层10cm处结束。一次采全厚1.0cm，相当于实际采厚2.0m。再从断层下盘距F6断层10cm处开切眼向右开挖。根据采掘计划等比例模拟煤层采掘方式，9#煤在F6断层上盘分9次开采，前8次模拟开采长度为5cm,第9次模拟开采长度为10cm；在F6断层下盘分14次开采，前3次模拟开采长度为5cm，第4～13次模拟模拟开采长度为10cm，第14次模拟开采长度为14cm。

9#煤采完后开采17煤，从左侧开切眼向右开挖(预留边界煤柱30cm)。由于17煤较厚，故采取分层开挖。第一层开挖2.5cm，相当于实际采厚5m，每隔2h采10cm，直至第一层采完结束。第二层开挖余下的3cm，相当于实际采厚6m，直至第二层采完结束。根据采掘计划等比例模拟煤层采掘方式，17#煤开采上层厚度为2.5cm，分14次开采，前13次模拟开采长度为10cm,第14次模拟开采长度为18cm；开采下层厚度为3cm，分13次开采，前12次模拟开采长度为10cm，第13次模拟开采长度为22cm。

4 开采破坏及分析

4.1 9#煤开采

随着从左侧开切眼向右开挖，开采初期煤层顶板保持较好的稳定状态，当煤层开采80m时，9#煤顶板以上10m粗砂岩、30m粉砂岩出现顺层裂隙，裂隙长度分别为50、15m，并且粉砂岩层向下发育竖向裂隙，裂隙长度9m，见图2。

当煤层开采至100m时，断层上盘煤层采完，9#煤顶板以上10m粗砂岩层的裂隙闭合，30m粉砂岩层的裂隙进一步发育，裂隙间最大距离0.2m。顶板以上20m粉砂岩出现顺层裂隙，裂隙长度50m，并且与粉砂岩层中的竖向裂隙连通，见图2。

(a)80m处 (b)100m处图2 断层上盘9#煤开采顶板变化情况Figure 2 Upfaulted coal No.9 roof mining variations

在开采断层下盘9#煤时，随着从左侧开切眼向右开挖，开采初期煤层顶板保持较好的稳定状态，开采至170m时，9#煤顶板以上15m泥岩出现顺层裂隙，裂隙长度150m，裂隙间最大距离0.2m。煤层顶板以上30m粉砂岩出现裂隙，裂隙长度70m。断层出现较大张裂隙，见图3。

(a)170m处 (b)210m处 (c)240m处图3 断层下盘9#煤开采顶板变化情况Figure 3 Downfaulted coal No.9 roof mining variations

当煤层开采至210m时，上盘9#煤顶板以上30m粉砂岩的裂隙部分闭合。下盘煤层顶板以上15m泥岩裂隙部分闭合，30m粉砂岩的裂隙进一步扩展，并且顶板以上80m粉砂岩出现裂隙，裂隙长度70m，顶板以上110m出现离层，见图3。

当开采至240m时，下盘9#煤开采完。上盘煤层顶板30m粉砂岩层中部分裂隙闭合。断层裂隙进一步扩展，裂隙长度80m，并发育至与下盘煤层顶板以上80m粉砂岩层间的顺层裂隙连通，见图3。

通过以上试验分析，9#煤垮落带高度为8m，导水裂缝带高度为30m，在F6断层上盘，采动变形影响范围向上延伸但变形破坏不明显；在F6断层下盘，采动变形影响范围向上延伸到断层并越过断层。

4.2 17#煤开采

在开采17#上分层时，随着从左侧开切眼向右开挖，开采初期煤层顶板保持较好的稳定状态，当开采至100m时，17#煤顶板以上4m中砂岩由于下部垮落出现离层，垮落长度100m。断层上盘9煤顶板以上80m粉砂岩发育小裂隙，表明17#煤开采对9#煤采空区顶板会产生“二次破坏”，见图4。

图4 17#煤上层开采顶板变化情况Figure 4 Upfaulted coal No.17 roof mining variations

当开采至180m时，17#煤顶板以上4m中砂岩垮落区域增长，增长至175m。顶板以上14m中砂岩出现顺层裂隙，裂隙长度140m。顶板以上20m粉砂岩也出现裂隙，裂隙长度120m，裂隙间最大距离0.4m，并且有微小竖向裂隙发育。断层上盘9#煤顶板以上80m粉砂岩的微小裂隙进一步发育，见图4。

当开采至220m时，17#煤顶板以上14m中砂岩的裂隙部分闭合，中砂岩层间出现小裂隙，顶板以上60m细砂岩出现离层，离层长度120m，离层间最大距离0.4m，见图4。

当开采至260m时，断层出现裂隙，顶板以上60m细砂岩离层进一步发育，长度增至140m。顶板以上10m中砂岩出现小裂隙，见图4。

当开采至280m时，17#煤上分层开采完。断层裂隙进一步发育，裂隙长度120m，见图4。

由以上试验分析，17#煤在开采第一个分层5m时，最大垮落带高度14m，最大导水裂缝带高度60m。当开采工作面倾向长度达到260m时，采动破坏波及到F6断层。

在开采17#煤下分层时，当开采至140m时，煤层顶板以上30m粉砂岩垮落，垮落带高度20m，顶板以上80m中砂岩、100m粗砂岩出现离层，见图5。

图5 17#煤下层开采至140m处顶板变化情况Figure 5 Downfaulted coal No.17 roof mining variationsat depth 140m

当开采工作面倾向长度为260m时，17#煤下层开采完，绘制开采破坏分区，见图6。

Ⅰ—垮落带范围 Ⅱ—导水裂缝带范围 Ⅲ—断层破坏影响范围图6 垮落带、导水裂缝带、断层破坏影响范围Figure 6 Caving zone, water conducted zone and faultdamage impacting extents

由以上模拟分析可知，17#煤在开采第二个分层(或全厚开采)时，垮落带高度20m，导水裂缝带高度100m。在上山边界，导水裂缝带已波及F6断层带，必须限制开采范围。

图7为A-A'剖面模型9#煤、17#煤开采完时顶板位移监测三维数据统计曲线，反映了不同平面观测线沿顺槽方向观测距离的覆岩下沉情况。由图7可知，顶板最大下沉量位于140观测线上距离模型左端80m处，顶板最大下沉值为6.16m。

图7 9#煤、17#煤开采完时顶板位移监测曲线Figure 7 Roof displacement monitoring curves of coal Nos.9and 17 after coal mining

5 断层活化分析

通过相似材料模拟分析试验观测试验研究，开采9#煤、17#煤导致煤层顶板上F6断层出现比较明显的新形成的张裂隙带，在采动影响下，煤层覆岩稳定性受到影响。开采导致断层两盘岩层的天然平衡受到破坏，倾向于引起了F6断层的“活化”。同时研究得出F6断层对开采破坏范围具有重要影响，主要表现在缓倾斜断层的下盘，其中垮落带变化不大，但导水裂缝带受断层影响，与断层张裂隙带逐步沟通，形成变异的导水裂缝带，在断层含水或导水的情况下，对生产安全威胁极大。

在断层影响下，导水裂缝带发育表现为如下特征。

1)空间形态并非以往经验描述的“马鞍形”，剖面形状不规则。

2)导水裂缝带发育高度以断层带为上界，再向上延伸高度不大。

3)受断层影响，导水裂缝带上段沿断层面水平延伸长度较大，汇水面积显著增大。

6 结论

在煤层开采过程中，断层是影响覆岩稳定性的重要地质因素，对采区布置和安全开采及有效支护起决定性作用。煤层采掘会造成地下空间地应力失衡产生采动裂隙，这些人为的采动裂隙往往会与断层相互作用，形成新的富水空间或导水通道。以往钻孔勘探工作，查明断层是否具有活化导水趋向极为困难，因此断层活化导水的判断也极为困难。采用相似材料模拟的方法，可以模拟类比采掘过程中围岩的扰动情况，分析断层及导水裂隙带的富导水性，为煤矿防治水工作提供理论依据。