分层开采时断层滑动位移演化特征研究

王宏伟王刚石瑞明章啸海

1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083

煤炭在未来很长一段时间内依旧是主要的能量来源[1]。 随着煤层开采深度逐渐增加,开采条件逐渐恶化,极易诱发冲击地压的发生[2-4]。

目前国内外许多学者从事冲击地压的研究工作,研究方向主要集中在对冲击地压演化机理和发展规律、冲击地压预警技术的发展以及冲击地压的防治措施研究等方面[5-7]。 其中冲击地压的预测及事前防治工程是国内外学术界关注的重点。 姜福兴等[8]以某矿厚硬顶板条件下特厚煤层上分层开采发生的巷道与工作面同时冲击的事故为背景,提出了上层煤柱对下层煤采动影响范围与冲击危险范围的评估方法,为制定恢复生产方案提供了科学依据。 汤国水等[9]采用地质动力区划方法,得出断层和分层开采扰动的耦合作用是冲击地压诱发的主要原因。 丁小敏等[10]采用立体分布的微震监测台网,确定下分层冲击地压是由上分层开采引发最小主应力(竖向)减小,使强构造应力下底板岩石达到莫尔剪切破坏极限状态引发的,进而提出了针对底板岩石的爆破防冲措施。 何满潮等[11]利用自行开发的实验系统对高应力花岗岩进行冲击地压模拟实验,将岩爆分为瞬时岩爆、标准岩爆和滞后岩爆。 Sainoki 和Mitri[12]采用数值模拟方法研究了断层平面上的动态剪切位移与断层滑动变化率之间的关系。 Islam 等[13]认为受到开采扰动的煤岩体内的应力会重新分布并产生较大的变形,且在断层附近高应力集中现象较为显著。Vazouras 等[14]利用数值模拟和理论推导相结合的方法,研究当断层发生沿走向的持续滑移运动时断层位移的演化规律。 吕进国等[15]建立了冲击地压层次化监测应用模型,通过对高频微震所释放的能量进行监测,认为微震监测技术可在矿井全局范围内实时监测冲击危险区域以及掌握其动态发展情况。

尽管国内外学者对断层滑动已经进行了大量分析研究,但煤层分层开采时已经变形破坏的岩层如何进一步垮落,能量瞬间释放诱发断层活化失稳的影响特征研究鲜有报道,而该机理对复杂地质条件下冲击地压灾害的预警与防治具有重要的科学研究意义和工程指导价值。 因此,本文以义马煤田矿区千秋煤矿21221 工作面为工程背景,采用断层滑移失稳相似模拟实验,探究煤层下分层开采对断层附近位移以及顶板垮落的影响规律。

1 工程背景

义马煤田位于褶皱区的向斜构造处,图1 为义马煤田的地质构造。 为了充分开采每一处煤田,且使开采工作更加安全高效,义马煤田以各条大型天然断层作为边界划分每个采区,共分为16 座生产矿区。 千秋矿是义马煤田矿区目前正在开发的生产矿井之一。 图2 是千秋煤矿井田采掘工程平面图,千秋煤矿的21221 工作面曾发生强烈的冲击地压事故“11.3”事件,据现场监测资料显示,F16逆冲断层赋存是诱发此次冲击地压事故的主要原因。

图1 义马矿区地质构造示意图Fig.1 Schematic map of geological structures in the Yima mining area

图2 千秋煤矿矿山工程图及F16 逆冲断层几何特征Fig.2 Mine engineering map of Qianqiu coal mine and geometric characteristics of F16 fault

2 相似模拟实验

为了更好地反映采动影响断层滑移失稳的位移演化规律,本文开展了采动影响下断层滑移失稳相似模拟实验研究[16],以揭示采动影响导致断层结构面相对滑移的位移演化特征。 模型尺寸(长×宽×高)为1.6 m×0.4 m×1.6 m。 根据相似定理,实验中的主要物理相似常数中几何相似比为1 ∶120、容重相似比为1 ∶0.67、强度相似比为1 ∶80.4、弹性模量相似比为1 ∶80.4。

根据21221 工作面围岩体的构造特征和各岩层岩性的差别,模型由巨厚砾岩、泥岩、煤层和粉砂岩4 种石膏单元搭建而成。 相似模型岩层布置及4 种石膏单元的排列方式如图3 所示。 千秋煤矿21221 工作面顶底板岩层物理力学参数见表1。

表1 相似模型顶底板岩层力学参数Tab.1 Mechanical parameters of similar model roof and floor rocks

图3 模型岩层和监测点布置Fig.3 Layout of model rock formations and monitoring points

实验过程中,采用上下分层开采的方式,先开采上2 层石膏单元体,即煤层上分层开采;后开采下2层石膏单元体,即煤层下分层开采。 采用应变片对模型开采过程中断层附近应力变化情况进行监测,应力场监测主要针对断层面。 断层面从煤层上方位置开始布置,每隔10 cm 布置一个应变花。 采用数字散斑相关方法分析整个实验过程中位移场的变化,利用MatchID 实测与仿真优化分析平台,对数字图像相关法(DIC)测量的数据进行分析。

实验所用系统由模拟加载框架、动静态应变仪和液压控制系统3 部分组成。 图4 为相似模拟实验的完整模型及断层周围上下盘区域划分。 义马F16逆断层为近东西向压扭性逆冲断层,断层面物理力学参数见表2。

表2 F16 断层力学参数Tab.2 Mechanical parameters of F16 fault

图4 相似模型区域划分图Fig.4 Similar model area division map

3 分层开采位移场演化规律

本文使用DIC 对工作面开采推进过程进行分析处理[17-18],以断层所在面为参考线,取宽度30 cm 的平行四边形区域,分析煤层开采过程中断层周围位移变化规律。

由断层周围煤岩体位移变化及上下盘错动规律可知,随着工作面的不断推进(图5 和图6),断层周围煤岩体整体呈现向下移动的趋势,随着开采工作面逐渐靠近断层,断层周围区域向下位移量逐渐增大,且断层周围区域的位移变化是从模型顶部开始,逐渐扩展至断层底部区域。 煤层上、下分层开采断层周围位移量都有增大趋势,但由于煤层上分层开采时顶板已发生较大程度的松动及离层,当煤层下分层开采时,已松动的顶板岩层进一步发生垮落。 所以,煤层下分层开采与上分层开采相比,前者扰动使断层周围位移变化更强烈,上下盘错动更明显。 从图5 和图6 可以看出,上分层开采时,工作面推进至95 cm,断层面上没有产生较大的滑移;推进至115 cm,断层面顶部开始逐步产生较大滑移;上分层开采结束后,只有垮落区顶部靠近断层处有较大的滑移,最大滑移量在20 mm 左右。所以,上分层开采对断层滑移影响较小。 下分层开采至工作面推进至65 cm 时,断层由上至下开始沿断层面直至工作面顶端逐步产生滑移。

图5 上煤层开采时断层周围位移变化云图Fig.5 Displacement cloud map around the fault during upper mining

图6 下煤层开采时断层周围位移变化云图Fig.6 Displacement cloud maps around faults during lower coal layer mining

4 下煤层开采对顶板垮落的影响

上下分层开采工作面推进过程中上覆顶板岩层的变化如图7 和图8 所示。 煤层上层开采结束后,模型静置自稳1 h 再进行下分层煤层开采[19]。

由图7 和图8 可知:开采前期工作面距离断层较远,开采扰动对上覆顶板的影响较小,可忽略不计;煤层继续开采,工作面与断层距离越来越近时,开采扰动对断层的影响逐渐增大,整个结构面各点处的位移量都逐渐增大,且位移方向都是向下偏左方向;上覆岩层顶板发生松动的初始位置都是从左下角煤层开采处出现并逐渐扩散至整个结构面;随着工作面推进,断层发生滑移失稳甚至产生冲击地压的危险逐渐增大。 煤层上、下分层开采都会使上覆顶板发生不同程度的松动及垮落。 上分层开采时顶板已发生较大程度的松动、离层及破碎,下分层开采使已松动的顶板岩层进一步垮落,进而引发顶板来压,下分层开采顶板来压更频繁,强度更高,底鼓现象更明显。

图7 上煤层工作面推进过程中顶板垮落变化Fig.7 Roof collapse change during upper coal layer working face mining

图8 下煤层工作面推进过程中顶板垮落变化Fig.8 Roof collapse change during under coal layer working face mining

5 分层开采对煤岩体中能量的分析

相似模拟实验中,断层面周围岩体会因开采扰动而发生大面积垮落。 笔者此前的研究表明[20-23],煤岩体中能量耗散和释放的综合作用是导致煤岩变形破坏的主要原因,煤岩体强度的逐渐减弱伴随着能量的逐步耗散,而煤岩体的突然破坏必将引起能量的剧烈释放,极易诱发工作面和回采巷道的动力失稳灾害事故。 本文对断层附近煤岩体的滑动位移量进行了监测和数据处理,得出上下分层开采时断层附近位移随着工作面推进的变化规律曲线,如图9 和图10 所示。

由图9 和图10 可以看出,上分层开采时,工作面推进105 cm,断层周围岩体的位移量都不大;推进至125 cm,断层周围岩体产生较大位移量;推进至145 cm,断层滑移位移量最大。 下分层开采时,工作面推进至45 cm 和65 cm 时的两条断层位移滑移曲线基本重合;推进至85 cm 时,产生较大位移;工作面推进至105 ～125 cm 之间,产生的相对位移较小;推进至145 cm 产生最大位移量。 据此可推断,受开采扰动影响,断层结构活化产生的相对滑移是不连续的,下分层开采时,断层附近位移量较上分层开采相比更大。

图9 上分层开采时断层附近位移随工作面推进的变化规律Fig.9 Variation of the displacement near the fault with the advancement of the working face during upper-slice mining

图10 下分层开采时断层附近位移随工作面推进的变化规律Fig.10 Variation law of the displacement near the fault along with the advancement of the working face during the lower-slice mining

煤岩体外力势能的减少,会转化为煤岩受力过程中的形变势能,储存于煤岩体的内部[23]。 根据弹性力学理论,总应变能U、应变能密度u的计算公式为

式中,σ1、σ2、σ3分别为煤岩体的第1、第2 和第3主应力;E为煤岩体的弹性模量;μ为泊松比。

根据监测的应力数据,按照式(2)对上下分层开采过程中煤层顶板中的应变能密度进行求解和分析。 本文着重分析应变能密度变化的规律,得到上下煤层开采过程中煤层顶板应变能密度变化规律曲线,如图11 所示。

图11 分层开采过程中煤层顶板应变能密度变化规律Fig.11 Variation law of strain energy density of coal roof during slicing mining

上下分层开采过程中,煤层顶板的应变能密度在达到最大峰值之前,都有数次小波动,可视为断层活化所表现的特征;达到最大峰值后应变能密度会有“突降”现象,随后不再有波动并逐步趋于最小值。 这个过程是煤层顶板应变能的剧烈释放。对比上下分层开采的断层滑移量变化规律,应变能密度的峰值均早于对应断层产生较大滑移量的峰值。 可推断出,断层滑移相对滞后于煤岩体应变能的剧烈释放,监测应变能的能量峰值“突降”,可作为判断断层滑移失稳的前兆。

同时,上分层开采时,煤岩体和断层中一些应力集中区域得到了扰动和释放,因此下分层开采时,煤岩体中积聚的应变能密度比上分层开采时普遍要低。 但上分层开采对煤岩体造成破坏后,煤岩体整体结构不稳定,下分层开采时煤岩体中积聚的应变能密度峰值比上分层开采时更大,且峰值更早到来。从工作面掘进距离来看,下分层开采比上分层开采诱发断层滑移失稳的时间更早;从上覆岩体垮落的位移量来看,下分层开采引发的垮落范围更大,位移量更大。 所以,下分层开采较上分层开采更易诱发断层滑移失稳及煤矿冲击动力事故。

6 结 论

(1) 煤层上分层开采对断层滑移影响较小,只有垮落区顶部靠近断层处有一定滑移;下分层开采时,上覆岩体的垮落范围较上分层开采时更大,断层由上至下逐步产生滑移,煤岩体中积聚的应变能峰值更高。

(2) 上、下分层开采诱发断层结构活化产生的相对滑移是不连续的;同时,断层滑移相对滞后于煤岩体中应变能的剧烈释放。 因此微震或声发射监测的应变能峰值“突降”现象,可作为判断断层滑移失稳的前兆。

(3) 下分层开采过程中,峰值能量剧烈释放的时间更早,断层附近位移量较上分层开采时更大。所以,下煤层开采更易引起断层上下盘错动导致滑移失稳,更易诱发冲击地压动力灾害的产生。