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采动影响下断层覆岩运移规律的相似模拟研究 * 张俊文 ，钟 帅 ，梁珠擎 （兰州资源环境职业技术学院 ，甘肃 兰州 730020 摘要 为研究断层在开采活动下的运移规律及其煤柱留设， 以新疆屯宝煤矿 1192 工作面为研究对 象， 采用相似材料模拟， 搭建仿真模拟实验架， 分析该工作面开采过程中断层上下盘移动规律， 确定合 理断层煤柱。试验结果表明 煤柱留设在 17m左右， 断层上下盘出现移动现象， 并出现支撑压力集中 现象； 12m左右， 出现断层上下盘下移现象； 9m 左右， 断层上下盘均向上移动， 如若持续推进， 断层将 出现上盘向下移动， 下盘向上移动， 形成对断层围岩的剪切破坏。 关键词 采动影响 ； 断层移动 ； 相似模拟 中图分类号 TD325文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0066- 04 Similarity simulation study of overburden rock migration under the influence of mining ZHANG Junwen , ZHONGShuai , LIANG Zhuqing （Lanzhou Resources and Environment Voc- Tech College , Lanzhou 730020 ， China ） Abstract In order to study the movement rule of fault under mining activities and the retention of coal pillar, the 1192 working face of xin- jiangtunbaocoal mine was taken as the object ofstudy, and similar materials were used tosimulate and build a simulation experimental frame, toanalyze the movement rule ofthe upper and lower wall ofthe fault in the miningprocess ofthe workingface, and todetermine the reasonable coal pillar of the fault. The results showed that the coal pillar was set at about 17m, and the upper and lower wall of the fault moved and the support pressure concentrated. Around 12m, the upper and lower footwall of the fault moves downward. About 9m, both the upper and lower wall of the fault move upward. If continuous progress is made, the upper wall of the fault moves downward and the lower wall moves upward, resultingin shear failure ofthe surroundingrock ofthe fault. Keywords Influence ofmining; Fault movement ; Analogsimulation 0引言 断层的移动规律随开采活动的影响而改变， 其 移动规律的改变是导致矿井发生断层周围煤炭自 燃发火， 断层围岩裂隙开张度加大[1]、 裂隙发育进而 导致断层充水， 亦是发生断层周围突水事故的直接 诱因。 故此， 从灾害防治的角度出发， 对断层两盘的 相对运动尤其是直线运动的方向和大小进行研究， 分析断层两盘移动的产生机理与发生规律， 并对断 距进行合理测定， 提出不同开采方案下断层的移动 规律与断距数据， 对矿山生产实践具有十分重要的 前期指导意义。目前为止， 虽然从断层移动机理、 移 动规律上有大量理论与实践经验， 但较为准确合理 的对断层位移进行实测， 仍然受到生产布局、 技术 装备水平等多种因素的限制，无法达到实地观测[2、 4]。进而， 对矿山研究对象采用相似模拟方法， 在几 何比例、 时间比例、 物理力学性质上达到数值比例 的相似， 通过搭建二维模拟实验架， 从模拟实验的 角度探究断层运动规律， 提出模拟实验数据， 达到 收集断层位移的方向、 大小乃至断层运动开始时间 的目的，不失为一种从实验角度测定断层位移数 据、 观测断层移动规律的另一途径[2]。 1研究对象工程概述 本区位于天山北麓准噶尔盆地南缘， 位于昌吉 河、 乌鲁木齐河、 头屯河一带， 地层呈近东西向带状 展布， 古生界二叠系出露地层、 中生界三叠系、 侏罗 系、 白垩系及新生界第三系、 第四系。本区大地构造 位于北天山褶皱带乌鲁木齐山前波状拗陷带， 由一 系列呈北东东向展布的背向斜和逆冲断裂所组成。 与天山褶皱带方向构造线展布基本一致。本勘探区 位于阿克德向斜南翼，为一向北西倾斜倾向 310 的单斜构造， 地层倾角， 含煤地层在 15～25之 间， 地层走向为北东～南西向走向。 1192 工作面煤质属低水、 低中灰、 高挥发份、 低 有害元素、 高发热量富油的无粘结性的低变质煤层， 主要可采煤层煤类除 9－10、 15 号煤层为不粘煤 （31BN ） 外， 其它煤层均为长焰煤 （41CY ） 。是良好的 民用煤及工业用煤， 也可作为低温干馏用煤之原料。 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 * 项目基金 甘肃省教育厅 2018 年科研项目 魏家地煤矿 1302 工作面沿空掘巷窄煤柱尺寸留设及围岩控制技术 2018A- 217。 甘肃省教育厅 2018 年协同创新团队项目 智能化矿山构建的关键技术应用研究协同创新团队 2018C- 25。 66 ChaoXing 1192 工作面位置东至 40 勘探线， 西至 43 勘探 线附近， 浅部至井田边界， 采区下部标高为 850m 水平。煤层顶底板岩性多以粉砂岩、 细砂岩和炭质 泥岩为主， 煤层顶底板饱和状态下单向抗压强度一 般为 15～26MPa， 属较软岩类各煤层多属Ⅰ～Ⅱ级 很易自燃～易自燃煤层。该工作面回采过程中地质 条件复杂，自西向东断层分别有 T8、 T7、 T4、 T1 断 层，均为正断层，断层落差大致在 1.2m～2.7m 之 间。其中 T1、 T4 断层对回采影响较大， 本次模拟实 验，主要就 T1 断层的移动规律进行分析及数据采 集。煤层厚度为 4.5m～13.2m， 平均 8.9m， 属较稳定 煤层， 结构简单～复杂。顶板岩性以粉砂岩、 细砂岩 和炭质泥岩为主。底板岩性以粉砂岩、 泥岩炭质泥 岩。上距 5 号煤间距 15～21m， 平均 18m。 2相似模拟试验设计及安排 按照实测断层在开采活动中上下盘移动数据 的要求， 使用二维平面模型； 模拟 1192 工作面倾向 方向开采， 并在模拟架搭设过程中使用薄铁片模拟 断层， 起到隔开模拟材料的作用[3、 5]。模型架尺寸的 长、 宽、 高分别为 3.0m0.20m1.5m。试验材料中 骨料选取为河砂， 胶结材料选取石膏、 碳酸钙， 本次 是实验使用河砂 479.08kg、石膏 32.2kg、大白粉 138.6kg。将几何相似常数 aL 定为 100； 时间比例常 数定为 10[4]。体积重度常数为 2， 模拟实验架搭设效 果见图 1 所示。 图 1模拟实验架搭设效果 2.1相似材料的选择 首先需要相似材料的主要力学性质与模拟的 岩层或结构相似， 其次， 相似材料力学性能稳定， 可 通过改变材料的配比达到调整力学性能的目的， 材 料分为骨料与胶结材料两类。 骨料 河砂、 黏土 （模拟黄土层） 、 做分层模拟时 用到的云母粉、 铁粉 （增加体积密度） 、 木屑、 炉渣 （减小体积密度） 胶结材料 石膏 （增加材料脆性） 、 碳酸钙 （减小 材料强度） 2.2材料配比 可将河砂、 石膏、 碳酸钙进行配比模拟岩层， 将 云母粉作为分层材料，加水量以手可以握成形为标 准， 在搭设过程中每个十五公分左右模拟裂隙发育。 2.3模型的设计过程 1） 收集研究地区的地质柱状图、 岩石试件物理 性质 （抗压、 抗剪、 弹性模量） 、 开采计划、 地质条件。 2） 根据地质柱状图确定暂定配比号。 3） 确定体积质量相似常数，以此计算强度比 例。进而推算出模型试件的物理力学指标， 即抗压、 抗剪。 4） 用计算出的模型试件的抗压、 抗剪强度得到 模拟材料配比。 5） 根据配比， 计算每分层的实际用量。 2.4搭架过程 1）铺设并连接好最下部的压力传感器。 2） 称好每一分层在搭设过程中所需要的各种材 料， 在搅拌机中进行搅拌， 搅拌一段时间后加入一 定的水量， 加水量以手握一把砂可以成形为好。 3） 将搅拌好的材料倒入模型中可在材料上方放 一块薄胶皮， 用金属棍来回压实， 也可使用工具压 实。 4） 为保证初始条件的相似， 在刚铺好的每一分 层岩层中， 用刻刀按一定间隔切割裂隙， 然后轻轻 压实， 并撒上云母粉， 起到隔层的作用。 5） 一直往上铺设， 护板随之升高， 直到所需高 度为止。 6） T1 断层的相似模拟采用物理分割模拟岩体， 形成上下盘。 2.5实验安排 1） 测点的布置方式。为收集开采活动对 T1 断 层的影响， 并采集断层上上下盘的移动数据及断层 附近煤柱的应力分布情况，在模拟断层 T1 的围岩 层左右两边各布置两条观测线， 即每隔 5cm 在模拟 架表面布置观测点， 分别以英文字母编号， 使用全 站仪每模拟开挖一次对每个观测点进行位移的测 量， 确定断层上下盘移动方向及程度。并在搭建模 拟架的过程中在断层周围岩层中等距布设一定数 量的应力应变片， 以此收集观测点运移速率， 断层 处模拟效果见图 2 所示。 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 67 ChaoXing 图 2断层处模拟效果 2） 压力传感器布置方法。为准确测出断层附近 的应力集中程度， 进而对断层上下盘的移动提出理 论支持， 故此， 搭设模拟实验架之前， 在模型架底部 分别布置压力传感器， 分别编号。 3） 模拟开采方法。在模拟开采过程中， 按照时 间比例常数，每 2.4h 模拟工程对象一天的开采进 度， 该模拟工作面采高 5m， 每 2.4h 模拟开挖 2.6cm， 并在模拟架的右侧留设 10cm 的采区保护煤柱。 3实验分析 3.1断层上下盘移动现象 使用双锯条中间夹木块的方法进行模拟开挖， 按模拟时间每次向前推进 2.6m， 在模拟开采的过程 中， 每开采一次， 便通过全站仪观测 T1 断层附近的 观测点， 记录观测数据， 以此进行实时动态观测断 层的上下盘位移趋势。 该工作面煤柱留设在 17m 左右， 断层上下盘出 现移动现象， 通过压力传感器的数据采集， 此时断 层附近出现支撑压力集中现象。 实验持续推进至距离断层 12m 处时， 出现第一 次断层位移的现象， 即当断层保护煤柱留设在 12m 时， 断层周围岩石出现运动， 通过断层附近的观测 点数据分析， 此时 T1 断层的上盘、 下盘均出现相对 位移趋势， 并均向下移动， 在该处上盘移动距离在 10 至 75m 范围之间， 通过微应变的读取， 此时观测 点的运移动速率为 7mm/m-1。此时将断层煤柱更改 为 9m， 即工作面继续向前推进 5m， 此时， 使用全站 仪分别观测断层位移， 断层上下盘围岩改变之前的 运动方向，出现上下盘围岩均向上移动的趋势， 在 该处断层上下盘移动距离在 10 至 70m 之间，观测 点的运移动速率在 10mm/m-1以上。 当工作面推进至 175m 时， 即断层煤柱留设更改为 3m 时， 断层的上 下盘运移方向出现交错改变， 此时， 断层上盘改变 之前的运动方向变为向下移动，滑距达 80m, 运移 动速率 20mm/m-1,断层下盘出现向上移动的现象， 滑 距 70m, 运移动速率 3mm/m-1。 3.2断层上下盘移动规律分析 基于试验过程， 通过观测 1192 工作面 T1 断层 上下盘在开采活动中由于不同煤柱留设量的改变 而出现的上下盘位移方向改变。 1192 工作面断层上 下盘移动规律分析如下 当工作面断层煤柱的留设定为 17m 时， 该工作 面断层上下盘首次出现上下盘的移动， 并在此时出 现应力集中的现象， 断层容易在此时出现内部裂隙 的开张度的加大，从而破坏断层附近围岩的稳定 性， 使其周围裂隙发育， 使得本不导水的断层出现 导水的可能， 加大该处工作面透水的可能性， 此时， 应加大顶板管理力度， 加强巷道支护， 防止巷道局 部冒顶、 片帮。 断层的移动规律过程随开采活动的影响而改 变， 是发生断层周围突水事故的诱因之一， 上下盘 运动方向在开采活动的影响下出现交错运动的现 象， 亦是矿井发生断层周围煤炭自燃发火， 而断层 围岩裂隙开张度加大、 裂隙发育的现象同样容易使 原本的断层特性发生改变， 进而导致断层充水， 由不 充水断层转变为充水断层， 对矿山安全构成威胁。 4结论 为研究断层在矿山开采活动影响下工作面内 的运移规律， 并观察留设不同断层煤柱情况下断层 上下盘的稳定性， 采用相似材料模拟法， 对屯宝煤 矿 1192 工作面进行二维平面架建模，搭建仿真模 拟实验架， 分析该工作面开采过程中断层上下盘移 动规律， 确定合理断层煤柱留设量。 本次实验基于相似材料模拟实验的方法， 在首 先确定模型几何比例、 时间比例、 物理力学性质的 相似后， 按照材料的配比要求， 将河砂、 石膏、 碳酸 钙进行调配， 并进行搭架， 使用全站仪、 应力应变 仪、 压力传感器等实测工具对 1192 工作面 T1 断层 上下盘的运移方向、 大小进行数据采集及分析。 该工作面煤柱留设在 17m 左右，断层上下盘出 现移动现象， 并出现支撑压力集中现象。当工作面煤 （下转第 71 页 ） 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 68 ChaoXing （上接第 68 页 ） 柱留设在 12m左右， 出现断层上下盘均下移现象， 煤 柱留设在 9m 左右， 断层上下盘均向上移动， 如若持 续推进， 断层将出现上盘向下移动， 下盘向上移动， 形成对断层围岩的剪切破坏。 参考文献 [1] 钱鸣高， 石平五， 许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州 中国矿业大学出版社， 2010. 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[5] 李红涛， 赵启峰， 顾亮， 王玉怀.基于相似模拟实验分析的 采空区瓦斯抽放设计[J].煤矿安全， 2011， 42 （9） 5- 8. 作者简介 张俊文 （1991- ） ,男， 甘肃民勤人， 讲师， 2013 年毕业于 西安科技大学， 主要从事矿山压力与岩层控制等方面的教学 与研究工作。 （收稿日期 2019- 11- 4） 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 图 3支架循环末阻力分布图 图 4支架工作阻力分布图 由图 3 可以看出，支架的平均循环末阻力为 5223kN/ 架， 占支架额定工作阻力的 66.31， 其中循 环末阻力主要分布在 4000～7000 kN/ 架， 约所有实测 值的 75，超过 8000kN/ 架的部分仅占到总数的 1.39， 实测支架最大循环末阻力为 8439kN/ 架； 由图 4 可知， 支架的工作阻力 3000kN/ 架以上的部分占到 实 测 总 数 的 86.77 ， 其 中 工 作 阻 力 分 布 在 3000～4000kN/ 架的最多， 占到总数的的 42， 分布在 7000～4800 kN/ 架的占所有实测值的 0.93，实测支 架最大工作阻力为 7542kN/ 架， 没有超过 8000kN/ 架 的值。 由以上分析可知， ZF5000/16/32 型液压支架在 15206 工作面应用时， 支架比较适应 15206 工作面的 顶板条件， 虽然有极少数支架的工作阻力大于支架的 额定工作阻力，但从整体上看 ZF5000/16/32 型液压 支架的工作阻力利用的比较充分。 4结论 通过对 15206 综放工作面矿压实测分析可知， 工 作面周期来压步距为 14.5m， 来压期间影响范围约为 3.31m， 动载系数平均值为 1.33， 其中工作面上部支架 的工作阻力大于中部和下部的工作阻力， 周期来压时 的工作面上部强度较大， 应加强对工作面上部的顶板 管 理 ； 另 外 根 据 对 支 架 的 统 计 分 析 可 知 ， ZF5000/16/32 型液压支架的工作阻力利用的比较充 分， 且运转特性整体比较好。 参考文献 [1] 复杂条件特厚煤层综放开采提高煤炭采出率技术[J].煤 z 炭工程,2010 （04） 123- 124. 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