采動影響下斷層活化導(dǎo)水?dāng)?shù)值模擬研究

王巖生，朱衛(wèi)琴，張以高

（1.淮安市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，江蘇淮安 223001；2.淮安市國土資源局，江蘇淮安 223001；3.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南通 216001）

0 引言

斷層活化導(dǎo)水是指在原始狀態(tài)下為不導(dǎo)水或滲透性較弱的斷層，在采動過程中，受應(yīng)力重分布的影響，特別是在應(yīng)力釋放過程中，其滲透性發(fā)生明顯變化，繼而成為導(dǎo)水通道。據(jù)文獻(xiàn)［1-2］統(tǒng)計，在全國范圍內(nèi)突水量大于600m3/h的突水案例中，導(dǎo)水?dāng)鄬右鸬恼?8.7%，采動斷層（一般為采動作用下活化導(dǎo)水）引起的突水占20%。由于斷層活化引起的突水，具有明顯的滯后性、隱蔽性，一般較難預(yù)測及防治，是煤礦開采過程中的主要威脅之一。

李曉昭、姜耀東［3-4］認(rèn)為，在采動影響下，斷裂帶往往出現(xiàn)較強烈的附加切向應(yīng)力和圍壓變化，導(dǎo)致構(gòu)造巖體力學(xué)性質(zhì)變化，原有裂隙的發(fā)展及新生裂隙的產(chǎn)生與張開是斷層變形活化導(dǎo)水的主要原因，工作面距離斷層越近，越容易發(fā)生活化。于廣明、李利平［5-6］將斷層帶物質(zhì)分為彈性介質(zhì)及應(yīng)變?nèi)趸橘|(zhì)兩部分，在采動影響下，兩者應(yīng)力、應(yīng)變及滲流特征不同，同時結(jié)合突變理論，得出斷層活化必要條件：斷層帶內(nèi)彈性介質(zhì)與應(yīng)變?nèi)趸橘|(zhì)的剛度比不大于1。卜萬奎、師本強［7-8］認(rèn)為，斷層的破壞形式與斷層的傾角有很大關(guān)系，隨著斷層傾角的增大及工作面的推進(jìn)，斷層發(fā)生剪切、拉張破壞，同時斷層越易活化。Gudmundsson，A［9-10］認(rèn)為，斷層活化導(dǎo)水應(yīng)滿足2個條件：張、剪應(yīng)力的集中將使得斷層活化，同時產(chǎn)生大量新裂隙，或使得原有裂隙張開，從而使得斷層帶及其附近區(qū)域的滲透能力增強；斷層帶的走向必須同地下水水力梯度方向平行。Henri Leclère［11］根據(jù)有效應(yīng)力比值、靜摩擦系數(shù)和內(nèi)聚力，將斷層面方向與周邊應(yīng)力場的結(jié)合情況分為有利的、不利的和完全混亂的3類。其中在第3類中，發(fā)生斷層活化導(dǎo)水的唯一可能性是斷層帶液體壓力大于最小主應(yīng)力（Pf>σ3）。雖然目前對于斷層活化導(dǎo)水的研究不少，但在斷層活化導(dǎo)水判據(jù)的準(zhǔn)則上，還沒有統(tǒng)一而準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)。

某礦目前開采的2313十分靠近F6斷層，其水文地質(zhì)特征與F4斷層（2007年曾發(fā)生斷層活化導(dǎo)水，造成該礦2321工作面突水）十分相似。F6斷層在開采中是否會活化導(dǎo)水，直接影響2313工作面開采的安全性。為此，文章通過理論分析，提出斷層活化導(dǎo)水的必要條件，數(shù)值模擬選取2321工作面及2313工作面為對象，對F4斷層活化導(dǎo)水過程進(jìn)行反演，同時對2313工作面近F6斷層開采斷層活化導(dǎo)水可能性進(jìn)行論證。

1 斷層活化導(dǎo)水理論分析

斷層活化導(dǎo)水過程是采動應(yīng)力與滲流場耦合產(chǎn)生的結(jié)果。在開采過程中，斷層帶介質(zhì)在應(yīng)力作用下產(chǎn)生新的節(jié)理、裂隙，造成介質(zhì)滲流能力增強，使得斷層導(dǎo)水。

1.1 斷層帶介質(zhì)力學(xué)破壞機制

采動過程中應(yīng)力的“集中-釋放-集中”導(dǎo)致斷層帶介質(zhì)內(nèi)應(yīng)力達(dá)到臨界狀態(tài)，使得斷層帶介質(zhì)遭受破壞［12-14］。斷層帶介質(zhì)在采動應(yīng)力變化過程中的破壞主要體現(xiàn)為：①在附加剪應(yīng)力作用下，原始張性或剪切裂隙被再次拉張，或直接形成新的拉張或剪切節(jié)理［9］；附加剪切應(yīng)力達(dá)到一定值時，造成斷層兩盤滑移。②在附加法向應(yīng)力作用下，產(chǎn)生壓剪破壞。隨著開挖面到斷層距離的縮短，由于斷層的“屏障效應(yīng)”［3］，最小主應(yīng)力顯著增加，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象和較高的應(yīng)力梯度，造成斷層帶介質(zhì)力學(xué)強度減弱，產(chǎn)生大量新的微觀節(jié)理、裂隙。由于斷層帶介質(zhì)的力學(xué)強度不斷減弱，斷層“屏障效應(yīng)”逐漸消失，應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸消失，最小主應(yīng)力逐漸減弱，使得斷層帶內(nèi)孔隙、裂隙張開，從而為斷層活化提供了良好的導(dǎo)水通道。

1.2 斷層帶介質(zhì)滲流特征

采動引起斷層帶應(yīng)力場呈現(xiàn)出“集中-釋放-集中”的周期性變化。而斷層帶介質(zhì)的滲流特征說明了應(yīng)力場的這種變化。文獻(xiàn)［6，15，16］研究表明：在開采初期，斷層帶介質(zhì)處于被壓縮階段，原有的部分節(jié)理、裂隙閉合，滲透率隨應(yīng)力的增大而略有降低；隨著采動應(yīng)力的增加，斷層帶介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微裂隙萌生和原始孔隙擴(kuò)展，滲透率緩慢增加；隨著采動應(yīng)力的繼續(xù)增加，當(dāng)其超過斷層帶介質(zhì)的力學(xué)強度時，介質(zhì)內(nèi)部微裂紋合并，逐漸演變成宏觀裂縫，大量新的節(jié)理、裂隙就此形成，此時介質(zhì)滲流能力快速增大；當(dāng)采動引起斷層帶附近應(yīng)力釋放時，裂隙張開度逐漸變大，使得介質(zhì)滲流能力達(dá)到峰值。另外，研究［6，17，18］發(fā)現(xiàn)，在開采不同階段，斷層帶介質(zhì)的滲透能力與其最小主應(yīng)力及水壓成指數(shù)函數(shù)關(guān)系：

k—滲透系數(shù)；

k0—初始滲透系數(shù)；

ξ—滲透率突跳系數(shù)；

ξ′—介質(zhì)破壞時滲透系數(shù)的增大系數(shù)；

p—孔隙水壓力；

β—耦合系數(shù)；

α—孔隙壓力系數(shù)。

1.3 斷層活化導(dǎo)水的必要條件

根據(jù)前面兩節(jié)分析得出，采動引起斷層帶附近應(yīng)力集中，當(dāng)其超過介質(zhì)的力學(xué)強度時，將形成大量新的節(jié)理、裂隙，這為斷層活化導(dǎo)水得供了地質(zhì)條件。而在應(yīng)力釋放過程中，作用于節(jié)理、裂隙的最小主應(yīng)力值減小，當(dāng)其小于地下水壓力時，地下水開始滲入節(jié)理、裂隙，最終在水壓和最小主應(yīng)力耦合作用下，斷層發(fā)生活化導(dǎo)水。

根據(jù)水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)知識顯示，不論是斷層的內(nèi)帶還是外帶，其導(dǎo)水性都是決定于斷層帶介質(zhì)裂隙的張開度。根據(jù)彈性力學(xué)及裂隙介質(zhì)水動力學(xué)知識，推導(dǎo)出斷層帶介質(zhì)滲透系數(shù)表達(dá)式（2）。從公式（1）、（2）可以看出，對于某一特定的斷層帶介質(zhì)，只有當(dāng)斷層帶內(nèi)地下水壓力大于最小主應(yīng)力值時，介質(zhì)的滲透性才會增強。

表1 計算模型基本物理力學(xué)參數(shù)

式中：

Δe—張開度增加量；

E—巖體彈模；

υ—泊松比；

a—斷層長度；

e0—節(jié)理初始張開度；

μ—水的黏滯系數(shù)；

g—重力加速度；

σ3—最小主應(yīng)力。

綜上所述，斷層帶活化導(dǎo)水，即k值增大的必要條件為地下水水壓Pw＞斷層帶最小主應(yīng)力σ3。

2 斷層活化導(dǎo)水?dāng)?shù)值模擬研究

本次數(shù)值模采用通用離散元程序（UDEC）模擬以下2種情況采動過程中最小主應(yīng)力發(fā)展過程，結(jié)合實際水文地質(zhì)條件，從而更直觀地認(rèn)識斷層活化導(dǎo)水的過程，對斷層活化導(dǎo)水進(jìn)行預(yù)測。

2.1 模型建立

2.1.1 2321工作面模型

2321工作面寬約130m，發(fā)生突水時和F4斷層之間煤柱寬度最小28m，由于F4斷層，使3煤與對盤奧灰間距僅為64m左右。依據(jù)2321工作面的實際地質(zhì)剖面簡圖和模擬邊界效應(yīng)，本模型寬度預(yù)計600m，深度預(yù)計范圍為-860m～-450m，基本包含2321工作面附近主要構(gòu)造（F4斷層）、工作面和頂?shù)装宓闹饕貙印?/p>

2.1.2 2313工作面模型

2313工作面寬約70m，和F6斷層之間煤柱寬度最小27m，F(xiàn)6斷層使得3煤與對盤奧灰間距為170m左右。模型寬度330m，深度從-850m～-450m，基本包含2313工作面附近主要構(gòu)造（F6斷層）和頂?shù)装宓闹饕貙印８鶕?jù)模型所處的實際地質(zhì)情況，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，計算模型基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 2321工作面斷層活化導(dǎo)水演化過程

為了研究隨著2321工作面開挖，F(xiàn)4斷層帶附近最小主應(yīng)力的變化規(guī)律，再現(xiàn)F4斷層活化導(dǎo)水的過程，我們分別對開挖面距斷層破碎帶D=25m、20m、15m（根據(jù)實際情況，開挖至15m時2321工作面發(fā)生斷層活化導(dǎo)水）進(jìn)行了模擬分析。

由圖1、圖2可以看出，由于F4斷層的屏障效應(yīng)，在開挖空間與斷層帶之間的煤柱上，最小主應(yīng)力分布均存在著一個明顯的應(yīng)力集中區(qū)和較高的應(yīng)力梯度（0.1～0.23MPa/m）。

圖1 D=25m時σ3分布及應(yīng)力集中區(qū)（單位：MPa）

圖2 D=20m時σ3分布及應(yīng)力集中區(qū)（單位：MPa）

通過對比圖3與圖1、圖2，當(dāng)開挖至15m時，應(yīng)力集中區(qū)轉(zhuǎn)移至斷層破碎帶及下盤，造成這一現(xiàn)象的原因在于應(yīng)力集中造成斷層帶介質(zhì)力學(xué)強度弱化甚至破壞，屏障效應(yīng)逐漸消失。而且可以看出應(yīng)力集中程度及應(yīng)力梯度均有明顯減弱，同時斷層帶最小主應(yīng)力值也由14MPa減小至8MPa，而應(yīng)力造成的塑性破壞區(qū)將成為良好的滲流通道。根據(jù)實測資料，2321工作面附近奧陶系灰?guī)r含水層水壓值為8.5MPa，此時水壓值大于最小主應(yīng)力值，根據(jù)前面提出的觀點，因此最終導(dǎo)致了F4斷層的活化導(dǎo)水。

2.2.2 2313工作面斷層活化導(dǎo)水預(yù)測

此次數(shù)值模擬主要目的是結(jié)合文章提出的必要條件及F4斷層活化導(dǎo)水的發(fā)展過程，來判斷在開采過程中F6斷層是否會發(fā)生活化導(dǎo)水。因而，我們分別對開挖面距斷層面D=47m、37m、27m、17m進(jìn)行了模擬分析。

圖3 D=15m時σ3分布及集中現(xiàn)象減弱（單位：MPa）

從圖4（a）可以看出，最小主應(yīng)力分布特征與圖1、圖2很相似，由于F6斷層的屏障效應(yīng)，在斷層帶與煤柱間同樣存在一個明顯的應(yīng)力集中區(qū)和較高的應(yīng)力梯度（0.11～0.13MPa/m），斷層破碎帶內(nèi)最小主應(yīng)力值高達(dá)12MPa以上。

當(dāng)開挖面距斷層27m時，由圖4（b）可以看出，應(yīng)力集中區(qū)開始向斷層破碎帶移動，應(yīng)力梯度也相應(yīng)降低。最小主應(yīng)力值開始減小，破碎帶邊界最小主應(yīng)力稍大于8.5MPa，認(rèn)為此時已達(dá)到斷層活化臨界狀態(tài)。

當(dāng)開挖距斷層面17m時，由圖4（c）可以看出，在斷層下盤出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中區(qū)和較高的應(yīng)力梯度。而在上盤研究區(qū)內(nèi)斷層破碎帶內(nèi)最小主應(yīng)力值已下降為2～4MPa，根據(jù)本文提出的斷層活化導(dǎo)水必要條件及F4斷層活化導(dǎo)水情況，推測此時F6斷層將發(fā)生活化導(dǎo)水。

3 結(jié)論

（1）通過分析采動過程中斷層帶的力學(xué)特征及滲流變化規(guī)律，根據(jù)彈性力學(xué)及裂隙介質(zhì)水動力學(xué)，分析并推導(dǎo)出斷層活化導(dǎo)水的必要條件：地下水水壓Pw大于斷層破碎帶最小主應(yīng)力 σ3。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明：斷層的存在對于應(yīng)力的傳播起到屏障作用，使得應(yīng)力在斷層帶附近產(chǎn)生集中，并附有較高的應(yīng)力梯度。當(dāng)應(yīng)力進(jìn)一步增加導(dǎo)致斷層帶介質(zhì)破壞后，應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱，應(yīng)力梯度變小，應(yīng)力集中區(qū)向下盤移動，并導(dǎo)致上盤斷層帶附近最小主應(yīng)力值變小，從而為斷層活化導(dǎo)水提供前提條件。因而，斷層帶附近出現(xiàn)的應(yīng)力集中并伴有高應(yīng)力梯度，是斷層活化導(dǎo)水前的一個明顯特征。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果很好再現(xiàn)了F4斷層活化導(dǎo)水過程，采動引起最小主應(yīng)力值減小至8MPa，小于下伏奧灰含水層水壓8.5MPa，從而引發(fā)斷層活化，也較好地驗證了文章提出的斷層活化導(dǎo)水必要條件。另外，結(jié)果表明：當(dāng)2313工作面開挖至距斷層面27m時，達(dá)到斷層活化臨界狀態(tài)；當(dāng)開挖至距斷層面17m時，推測F6斷層將發(fā)生活化導(dǎo)水。

圖4 2313工作面采動過程中最小主應(yīng)力分布及變化規(guī)律（單位：MPa）

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