伴生台阶断层近距离煤层开采覆岩运移及应力变化规律试验研究_孙亚楠.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 伴生台阶断层近距离煤层开采覆岩运移 及应力变化规律试验研究 孙亚楠 1,2， 张培森1,2， 颜 伟 1,2， 赵亚鹏1,2， 闫奋前1,2， 吴俊达1,2 （1.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地， 山东 青岛 266590； 2.矿业工程国家级实验教学示范中心， 山东 青岛 266590） 摘要 为研究近距离煤层下行开采同时伴有台阶断层的特殊情况， 以柴里煤矿上、 下工作面与 台阶断层为研究对象， 借助相似材料模拟试验对近距离煤层开采过程中覆岩运移及相关应力变 化规律进行了研究。研究结果表明 单煤层开采中覆岩存在 3 种垮落结构与 3 种垮落形式； 上下 煤层开采覆岩垮落存在明显的 “梯形空间” 与 “三角空间” 的差异； 下层煤开采整体呈现 “随挖随 垮、 无明显周期来压步距、 很难形成梁式结构” 的特点； 且当存在断层时， 支承压力的传递往往受 到断层的应力阻隔作用， 越靠近断层顶板应力集中程度越高。 关键词 近距离煤层； 相似模拟； 台阶断层； 覆岩垮落； 应力变化 中图分类号 TD325文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0048-07 Experimental Study on Overburden Movement and Stress Variation of Coal Seam Mining with Associated Step Faults SUN Yanan1,2, ZHANG Peisen1,2, YAN Wei1,2, ZHAO Yapeng1,2, YAN Fenqian1,2, WU Junda1,2 （1.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China;2.Mining Engineering National Experimental Teaching Demonstration Center, Qingdao 266590, China） Abstract In order to study the special case of down-going coal seam mining accompanied by step faults, the upper and lower working faces and step faults of Chaili Coal Mine are used here as research objects. Overlapping rock movements and their correlation during the close-coal mining process are simulated by similar material simulation tests. The stress variation law was studied, and the research results show that there is a crack structure and three broken s in the overburden in single coal seam mining; there is a significant difference between“trapezoidal space”and“triangular space”in the overburden mining in the upper and lower coal seams; coal mining as a whole has the characteristics of “falling with digging, without obvious cycle to step, and difficult to a beam structure” ; and when there is a fault, the transmission of pressure is often affected by the stress barrier of the fault, and the closer it is to the roof, the higher levels of stress concentration. Key words close coal seam; similar simulation; step fault; overburden failure; stress change 经过数十年的开采，我国煤炭生产越来越向着 高效、 安全、 绿色、 无人化的方向发展[1-3]， 同时由于 我国煤炭产区众多，煤层赋存情况多种多样，随着 煤炭储量的减少，近距离以及极近距离煤层群的开 采研究逐渐引起人们的重视[4-6]。杜计平等[7-8]对上、 下工作面中巷道的内错式、外错式与重叠式 3 种位 置关系进行了详细论述； 索永录等[9-10]在此基础上针 对该 3 种位置关系进行了受力研究，认为内错式布 置巷道受力最小，外错式布置巷道受力最大，而重 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.010. 孙亚楠， 张培森， 颜伟， 等.伴生台阶断层近距离煤层开采覆岩运移及应力变化规律试验研 究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7 ） 48-54， 60. SUN Yanan, ZHANG Peisen, YAN Wei, et al. Experimental Study on Overburden Movement and Stress Variation of Coal Seam Mining with Associated Step Faults ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 48- 54, 60. 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2018YFC0604702） ； 国家 自然科学基金资助项目 （51509149， 51379119， 51774199） ； 山东省 重点研发计划资助项目 （2018GSF120009） 移动扫码阅读 48 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 叠式居中； 针对巷道错距问题， 徐永圻[11]与任德惠[12] 等给出了一般最小合理错距公式。对于开采顺序问 题，一种观点认为上层煤对于下层煤的影响较小， 或者说其位于下层煤的弯曲下沉带之上就可以采用 上行开采，另一观点认为，只要位于垮落带之上就 可以[13]， 而针对上行开采的采用与否一般有经验法、 围岩平衡法、 比值判别法和 “三带” 判别法[14-16]等。针 对采煤工作面附近断层存在情况， 朱砚秋[17]， 朱光丽 等[18]分别以断层活化影响因素与莫尔-库仑准则为 基础，将其与力学模型相结合，获得了断层活化与 断层倾角的关系； 郭维嘉等[19-22]通过数值模拟手段 对断层在突水时效性方面进行了研究， 张培森[23-26] 等以断层作为出发点，分别采用试验、模拟等不同 研究手段从不同的角度对断层活化以及突水过程进 行了研究。据现有资料分析，目前对于近距离煤层 同时存在断层的情况研究有限。为此，以柴里煤矿 实际地质情况为出发点，采用相似材料模拟试验的 手段对近距离煤层下行开采同时伴有台阶断层的特 殊覆存情况进行了研究，为相似地质情况的近距离 煤层开采提供了参考。 1工程地质概况 柴里煤矿 23614 工作面分为 23上614 工作面和 23下614 工作面， 煤层间距 7 m， 煤层厚度均为 6 m， 两工作面位于两断层之间。工作面西侧田岗断层为 一正断层组，岩层被逐级抬升，断层组构成台阶断 层， 其倾角 70， 整体落差 300～410 m， 试验模拟 2 级 断层， 每级断层落差 50 m； 工作面东侧二龙岗断层 为一东升西降正断层，断层倾角 65，落差 40～80 m， 此外煤层底板存在 1 个含水层， 含水层距离煤层 48 m， 断层、 工作面及含水层位置关系如图 1。 2模型建立与设计 1） 试验方案。模拟对象包括上、 下工作面及田 岗、 二龙岗断层、 三灰含水层， 含水层采用水袋进行 模拟。试验比例为 1∶200， 与之对应的时间及应力相 似比分别为 1∶14 和 1∶300，试验平台尺寸为 1.9 m 0.22 m1.8 m， 模拟煤层埋深 550 m， 对于未能模拟 的岩层在上部采用液压千斤顶进行应力补偿，共需 补偿 12.17 kN。 2） 应力测点布设。由于本文篇幅有限， 在此仅 对分析的应力测点进行介绍分析。在两工作面临近 断层处以及三灰含水层底界面布设有 12 个应力传 感器， 测点 1～测点 5 位于下层煤顶板处， 测点 6～测 点 8 位于下层煤底板处，测点 9～测点 12 位于三灰 含水层底界面处， 应力测点布置如图 2。 3） 开采方案。按照近距离煤层下行开采的方式 在工作面中部开切眼， 逐步向两侧断层推进， 研究上 下煤层在台阶断层附近的合理煤柱宽度，设计上下 煤层在台阶段分别留设 25 cm 和 30 cm 煤柱。 3覆岩运动规律 3.1上层煤开采覆岩运移 根据试验结果， 直接顶初次垮落步距为 22 cm， 周期跨落步距为 6 cm， 随工作面推进， 覆岩出现离 层、 悬顶及基本顶的周期跨落等现象， 各岩层的离层 空间与碎胀空间伴随岩层的不断下沉而逐渐缩小， 并最终在采空区上部形成稳定的 “三带” ； 断裂线倾 角整体呈现增大趋势，但在推进一定距离之后基本 保持在一定数值， 变化较小， 断裂线倾角在 35～68 间， 覆岩运动如图 3。 对相似材料模拟试验的覆岩垮落形式进行分析 并结合相关文献[27]总结后发现， 上覆岩层的结构 形式主要有悬臂梁结构、砌体梁结构以及暂时稳定 的过渡结构，而暂时稳定的过渡结构又区别于悬臂 梁与砌体梁，是 1 种在两端暂时铰接的短暂过渡结 图 2应力测点布设图 Fig.2Layout of stress measurement points 图 1工作面及断层位置关系图 Fig.1Relationship between working face and fault 49 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 构，在推进距离稍增加情况下，此过渡结构即随之 结束， 3 种结构的覆岩垮落结构形式如图 4。 在对上覆岩层的结构形式分析的基础上，发现 其垮落形式也可分为 3 种， 即悬臂梁直接垮落形式、 悬臂梁-过渡结构垮落形式与悬臂梁-砌体梁垮落 形式， 3 种垮落形式如图 5～图 7。 此外，砌体梁可分为一次断距形成式与多次断 距形成式，其中多次断距形成式多为 2 次断距或 3 次断距形成式， 即经历 1 次周期来压后， 覆岩并未直 接垮落，而是与下一次周期来压后形成的断距共同 组成新的砌体梁结构， 砌体梁结构形成形式如图 8。 图 7悬臂梁-砌体梁垮落形式 Fig.7Falling of cantilever beams-masonry beams 图 6悬臂梁-过渡结构垮落形式 Fig.6Falling of cantilever beam-transition structure 图 4覆岩垮落结构形式 Fig.4Overlying rock collapse structure 图 3覆岩运动图 Fig.3Overburden rock movement diagram 图 5悬臂梁直接垮落形式 Fig.5Cantilever beam directly collapsed 50 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 直接顶及基本顶的垮落步距受所铺设岩层厚 度、岩层强度以及来压的影响，其步距呈现一定的 差异性， 并非固定不变。此外， 试验发现当上覆岩层 离层距离较大时 （亦可视为存在关键层） ， 关键层垮 落， 往往造成破断距的减小， 即周期来压的提前， 关 键层垮落导致来压提前如图 9。 对于工程实际， 当煤层上覆岩层存在硬厚岩层， 即关键层时，关键层的垮落往往导致工作面周期来 压提前、 来压步距变短[28]， 因此， 对于此种情况， 在进 行煤炭生产过程中一定要引起高度重视，提前做好 预警准备。 3.2下层煤开采覆岩运移 试验结果表明， 下层煤层在推进至 15 cm 时， 便 发生直接顶的初次垮落。并且由于夹层较薄，上覆 破碎岩体的负荷压力较大，初次垮落岩层较为破 碎， 在高度 10 cm 范围内形成了较为独立的 “三角 空间” ， 此 “三角空间” 与上层煤层垮落形成的 “梯形 空间”区别明显，上下煤层垮落不同空间结构图如 图 10。 经分析， 煤层垮落形式存在 “三角空间” 与 “梯形 空间”的差异主要是由于 2 个层煤的夹层较薄， 仅 有 4 cm， 因此造成其垮落步距较短； 上部岩体为已 垮落岩体， 较为破碎， 因此当下部岩层垮落时， 破碎 岩体即随之下落，不构成形成梯形空间上部存在完 整岩层的条件； 上部岩层已垮落， 重力支撑由完整岩 体自身承接转变为下部岩体承接，荷载较大； 10 cm 范围上部岩层较为完整， 可构成弯曲结构， 不随下部 垮落岩层垮落。 随着工作面的持续推进，上覆岩层表现出明显 的 “随推随垮” 的顶板垮落形式， 很难形成悬臂梁或 者砌体梁结构，即使形成悬臂梁，其结构也极不稳 定，在极小断距下就完全垮落，并最终呈现出十分 破碎的顶板结构， 总结起来说， 下层煤推进过程中， 顶板垮落呈现出 “随挖随垮、 无明显周期来压步距、 很难形成梁式结构” 的特点。 下层煤层推进过程中覆岩垮落过程如图 11。下 层煤持续开采过程中， 上覆岩层的垮落持续加剧， 其 “梯形空间” 与周围岩体的裂隙不断扩大， 并且上层 煤层垮落后形成的弯曲下沉带进一步下沉并出现裂 隙， 其最终由弯曲下沉带过渡为裂隙带。 此外，本次试验上覆岩层的垮落并未一直向上 延伸， 而是在遇到 1 层硬厚岩层 （可视为上覆岩层中 的一关键层） 后停止发育， 下部垮落岩层与此关键层 间离层距离随着下层煤的推进不断扩大，直至下层 煤回采完毕， 关键层下岩层完全发育为裂隙带， 而关 键层及关键层以上部分岩层并未发生弯曲下沉或出 现裂隙现象，即上覆岩层呈现出仅存在垮落带及裂 隙带， 而没有弯曲下沉带的特殊 “两带” 现象， 这与 平时上覆岩层呈现的 “三带” 有所区别。分析发现， 这种现象出现的原因主要为，没有关键层的存在， 其裂隙带的发育高度必将高于目前裂隙带高度， 弯 曲下沉带随即出现， 即展现完整的 “三带” 现象； 另 外， 若关键层存在， 但其位于正常裂隙带高度之上， 则裂隙带的高度不会发生变化。 对于工程实际，确定工作面回采后的裂隙带高 度， 除了要在经验基础上进行计算外， 还要考虑回采 工作面上覆岩层是否存在关键层[29]， 以及关键层与 工作面间的距离是否会影响到裂隙带发育高度。 图 8砌体梁结构形成形式 Fig.8 of masonry beam structure 图 9关键层垮落导致来压提前 Fig.9The collapse of key layer causing early pressure 图 10上下煤层垮落不同空间结构图 Fig.10Different spatial structures of the upper and lower coal seams 51 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 图 12田岗断层附近煤层顶、 底板应力变化图 Fig.12Stress variation diagram of the coal seam top and floor near Tiangang fault 表 11下层煤层推进过程中覆岩垮落过程 Table 11Overburden collapse process during lower coal seam advancement 4应力变化规律 4.1上层煤开采应力变化规律 田岗断层附近煤层顶、底板应力变化如图 12。 由图 12 （a） 可知， 在工作面推进初期各应力测点并 未发生变化， 当工作面推进至 17.5 cm 时， 测点 1 发 生变化， 并在推进至 32.5 cm 时， 测点 1 应力变化达 到峰值， 接着应力逐渐降低并在工作面推进至 42.5 cm 时出现负值， 随后其数值在负值范围内进一步升 高；测点 2～测点 3 呈现出与测点 1 相同的变化规 律， 但测点 2～测点 3 未出现负值现象； 测点 4～测点 5 的应力变化规律与测点 1～测点 3 不同， 在推进过 程中呈现单调递增的变化规律， 由图 12 可看出工作 面超前支承压力影响范围为 24.5 cm，最大支承压 力出现在距工作面 10 cm 处。 经分析测点 1～测点 2 呈现先升高后降低的变 化规律，主要是由于随着工作面的推进，超前支承 压力向前传递，测点受到支承压力的影响，应力开 始升高，并在持续推进过程中达到支撑力的影响峰 值， 而当支承压力经过测点后， 测点应力逐渐降低。 测点 1 出现负值现象，主要是由于测点 1 经历了 压-拉应力变化过程， 当工作面尚未推过测点 1 时， 测点 1 处于压应力状态， 当工作面推过测点 1， 处于 底板位置的测点 1 在底鼓现象中受到拉应力的作 用， 应力由最初的正值转变为负值； 测点 2～测点 3 经历过程与测点 1 相似， 但工作面并未推过测点 2～ 测点 3， 因此未出现负值现象； 测点 4～测点 5 由于 距离断层较近，工作面在推进至煤柱停采线附近停 止推进， 此时测点 4～测点 5 仍处于支承压力传递过 程中， 并未达到压力影响峰值， 因此测点 4～测点 5 呈现单调递增状态。 此外，测点 1～测点 3 所达到的峰值依次升高， 主要是由于断层的存在所造成的， 测点 1～测点 3 依 次距离断层越来越近，故其所能达到的峰值也就越 来越大。断层带往往由破碎岩体所构成，其岩性与 52 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 图 14田岗断层附近煤层顶、 底板应力变化图 Fig.14Stress change diagram of coal seam roof and floor near Tiangang fault 周围岩体有较大差异，而这种岩性弱化的破碎岩体 受力更易产生变形，造成应力传递的不连续性。另 一方面，断层构造的存在对于应力传递可起到缓冲 作用， 受到这种 “屏障” 作用的影响， 支承压力在向 前传递过程中应力大大减小。图 12 （b） 下层煤层底 板的应力变化规律与图 12 （a） 的应力变化规律基本 相同， 测点 6 在支承压力影响下逐渐升高， 并在推进 至 45 cm 时达到峰值， 随后逐渐降低， 由于支承压力 并未越过测点 7～测点 8， 因此测点 7～测点 8 一直处 于逐渐升高的状态。 试验在三灰含水层底板附近布有 4 个应力测 点， 分别为测点 9～测点 12， 三灰含水层应力变化如 图 13。 由图 13 可知， 随着工作面推进， 测点 9～测点 12 应力逐渐升高， 在达到峰值后逐渐降低， 且测点 9～ 12 的峰值依次升高， 但其差值变化并不明显， 可见 在距离断层及工作面较远处， 断层的 “屏障” 作用尚 不明显。 此外还可注意到各测点的数值在逐渐降低后由 正值变为负值，且测点 9～测点 12 的最终负值在数 值大小上依次降低，这是由于工作面在推过测点上 方后，测点处于采空区，同时由于含水层水压的作 用，测点应力状态由此前的压应力转为拉应力， 因 而其数值由正变负，并且测点 9～测点 12 依次远离 采空区中间位置，越靠近采空区中间位置，其底鼓 弯曲程度也就越明显，数值也就越大，因此呈现出 图 13 的变化规律。 4.2下层煤开采应力变化 下层煤推进过程中顶、底板应力变化规律与图 12 类似， 但两者又存在一定区别， 顶板应力中测点 4～测点 5 以及底板应力测点 7～测点 8 距离采空区 较远， 支承压力尚未传递至此， 因此该 4 个测点未发 生应力变化。田岗断层附近煤层顶、底板应力变化 如图 14。 如图 14 （a） ， 当工作面推进至 22.5 cm 时， 测点 1 开始逐渐升高， 在推进至 35 cm 时达到峰值， 随后 逐渐下降， 并在推进至 42.5 cm 时转为负值， 这一过 程与图 12 （a） 的变化规律基本一致， 但该测点转为 负值是由于应力测点随上覆岩层垮落，测点失效导 致； 测点 2 随工作面推进逐渐升高， 最后达到峰值并 逐渐降低， 其峰值较测点 1 峰值要大， 主要是断层的 “屏障阻隔” 作用所造成； 在下层煤层推进过程中一 直处于上升阶段，说明支承压力峰值尚未越过该测 点， 并且可预计， 由于断层的存在测点 3 所能达到的 峰值必将大于测点 2。由 14 （b） 可看出， 仅有测点 6 发生变化， 且一直处于上升阶段， 若继续推进， 测点 6 必将经历逐步上升达到峰值并降低的过程。由图 14 （a） 可知， 超前支承压力影响范围为 20 cm， 最大 图 13三灰含水层应力变化图 Fig.13Stress change diagram of three-ash aquifer 53 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 峰值出现在距工作面前方 8 cm 左右处。 通过图 14 与图 12 对比可发现，在下层煤层回 采过程中，支承压力数值远小于上层煤层的压力数 值，且下层煤层支撑力影响范围明显小于上层煤层 影响范围。究其原因，主要是由于下层煤层回采过 程中，上覆岩层为上层煤层已垮落的破碎岩层， 由 于其较为破碎，整体性差，对支承压力形成一定的 吸附缓解作用，且不利于应力传递，因此下层煤层 支承压力远小于上层煤层支承压力。 5结论 1） 近距离上层煤开采过程与单层煤开采类似， 覆岩垮落结构可分为 “悬臂梁、 砌体梁、 过渡结构” 3 类， 其垮落形式可分为 “悬臂梁直接垮落形式、 悬臂 梁-过渡结构垮落形式与悬臂梁-砌体梁垮落形 式” ； 当上覆岩层存在关键层时， 关键层的垮落往往 造成周期来压提前。 2 ） 下层煤开采过程中， 其覆岩垮落形成区别于 上层煤开采的 “三角空间” ， 并且下层煤开采整体呈 现随挖随垮、无明显周期来压步距、很难形成梁式 结构的特点；下层煤开采后会造成覆岩裂隙带高度 的显著增高，而当裂隙带发展遇到硬厚关键层后， 很有可能形成特殊的 “两带” 现象。 3） 当断层存在时， 支承压力的传递往往受到断 层的应力阻隔作用，越靠近断层顶板应力集中程度 越高；处于工作面底板前方的测点经过工作面推 进， 其将经历应力的 “压-拉” 过程。 4） 下层煤开采初次垮落步距与 “不明显的周期 垮落步距” 均明显小于上层煤； 由于覆岩垮落， 下层 煤造成的支承压力影响范围与应力归零后的压力值 均小于上层煤。 参考文献 ［1］ Jixiong Zhang, Qiang Zhang, Spearing A J S （Sam） , et al. 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