底板隱伏斷層突水的影響因素分析

吳朝飛　武宗剛

摘 要：為了研究底板隱伏斷層突水規(guī)律，以趙固二礦的地質(zhì)條件為背景，運(yùn)用理論分析、FLAC3D數(shù)值模擬和相似模擬對(duì)隱伏斷層突水規(guī)律進(jìn)行研究。研究表明：承壓水突入采掘空間要經(jīng)過底板塑性破壞區(qū)、被破壞的中間完整巖層和活化的隱伏斷層3種不同類型的地層。經(jīng)公式計(jì)算和數(shù)值模擬驗(yàn)證底板的極限破壞深度為16m；相似模擬呈現(xiàn)了斷層活化及裂隙貫通的全過程；提出了阻止斷層突水發(fā)生的完整巖層最小厚度計(jì)算公式。

關(guān)鍵詞：隱伏斷層；突水規(guī)律；數(shù)值模擬

活化底板突水為煤礦水害最為突出的問題，底板斷層往往是連接采掘空間和含水層的通道，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)斷層突水占到煤礦突水事故的70%以上[ 1，2 ]。前人對(duì)于斷層突水的機(jī)理進(jìn)行了一些研究，黎良杰[ 3 ]建立了含隔水?dāng)鄬拥母羲P(guān)鍵層理論，得出不同類型的斷層突水判據(jù)；陳忠輝通過分析導(dǎo)水?dāng)鄬雍偷装逅苄曰茍?chǎng)的空間關(guān)系，建立斷層突水的斷裂力學(xué)模型；李利平基于應(yīng)力-滲流-損傷耦合效應(yīng)研究了斷層活化突水機(jī)制。然而現(xiàn)場(chǎng)最常見的底板突水來自于隱伏的小斷層，由于小斷層在現(xiàn)場(chǎng)難以探測(cè)，成為開采過程中容易忽視的隱患。

1 底板的塑性破壞深度

灰?guī)r含水層中的水要進(jìn)入采掘空間就要通過底板塑性破壞區(qū)、完整底板和隱伏斷層衍生的裂隙通道。

底板破壞是由于開采過程中應(yīng)力集中而造成的，當(dāng)支承壓力達(dá)到或者超過底板的強(qiáng)度臨界值時(shí)，工作面下方一定范圍內(nèi)巖體發(fā)生塑性破壞，采空區(qū)出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，底板的破壞深度可由公式1計(jì)算。

為了驗(yàn)證公式計(jì)算底板破壞深度準(zhǔn)確性，基于趙固二礦的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，收集工作面頂?shù)装鍘r層厚度、巖性等運(yùn)用FLAC3D模擬軟件建立模型，模型長(zhǎng)度300m，寬200m，搞100m，在模型的頂部補(bǔ)償約290m巖層厚度的壓力，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用莫爾-庫(kù)倫模型。模型前后左右四個(gè)側(cè)面為單約束邊界，施加水平方向上的約束；模型底部為全約束邊界。

當(dāng)工作面推進(jìn)20m時(shí)，由于工作面推進(jìn)距離的增加，地板巖石及圍巖發(fā)生破壞，工作面底板巖層中塑性變形區(qū)破壞最大深度約為10m。

當(dāng)工作面推進(jìn)20m時(shí)，隨著推進(jìn)距離的增加，原巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)一步破壞，工作面底板巖層中塑性變形區(qū)范圍出現(xiàn)了增大，其破壞最大深度約為10m。

當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至30m時(shí)，隨著推進(jìn)距離的增加，原巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)一步破壞，工作面底板巖層中塑性變形區(qū)范圍出現(xiàn)了小幅度的增大，其破壞最大深度約為14m。

當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至40m時(shí)，與工作面推進(jìn)30m時(shí)的底板巖層塑性變形區(qū)作比較，其破壞最大深度約為16m，變化浮動(dòng)不大，這也說明工作面開挖過程中底板巖層的極限破壞深度約為16m。

2 斷層活化的模擬

隨著開采距離的增大，隱伏斷層在底板水壓和采動(dòng)應(yīng)力的雙重作用下發(fā)生變形并逐漸開始活化，其伴隨裂隙開始失穩(wěn)擴(kuò)展，連通形成導(dǎo)水通道。由于現(xiàn)場(chǎng)中活化過程不能觀測(cè)到，這里進(jìn)行相似模擬進(jìn)行觀測(cè)。

模型架采用物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，前后平面為剛性約束，可以實(shí)現(xiàn)平面應(yīng)變控制。模型長(zhǎng)、寬、高分別為2.5m×0.2m×1.6m。相似模擬實(shí)驗(yàn)要求幾何相似、應(yīng)力相似、容重相似以及時(shí)間相似。為模擬模型以外上覆地層壓力，使用了千斤頂加壓穩(wěn)壓系統(tǒng)。

隨著工作面的推進(jìn)，隱伏斷層的上部首先開始出現(xiàn)比較大的位移，而斷層的下部出現(xiàn)的位移很小，在這個(gè)過程中斷層帶周圍出現(xiàn)沿煤層走向的裂隙。在初期階段這些裂隙沒有垂向裂隙進(jìn)行溝通，還不能形成導(dǎo)水通道。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，上部觀測(cè)點(diǎn)的位移的增大速度逐漸減小，而下部特征點(diǎn)的增大速度逐漸增大，在這個(gè)過程中，中間形成走向裂隙被擠壓變形，達(dá)到其強(qiáng)度極限以后，發(fā)生塑性破壞形成垂向裂隙。這些裂隙逐漸開始連通形成有效的通道，使承壓水進(jìn)入裂隙，在水力劈裂的繼續(xù)作用下，裂隙被沖刷擴(kuò)展，直至斷層活化成功。

3 完整巖層厚度分析

對(duì)于底板斷層而言活化以后并不意味著采掘空間就能發(fā)生突水，在斷層的頂部和底板塑性破壞區(qū)之間還有一定厚度的能起到阻水作用的巖層。根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例分析和理論計(jì)算總結(jié)出中間隔水層的最小安全厚度公式。

結(jié)合趙固二礦的地質(zhì)資料，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)代入公式2中，得到隔水層的厚度為28m，與實(shí)際工程相符合。

4 結(jié)論

1）底板隱伏斷層突水要經(jīng)歷3種不同性質(zhì)的底板地層，即采空區(qū)下方的塑性破壞區(qū)、中間完整巖層和含斷層的底板巖層。其中斷層的活化是突水的必要條件。

2）利用公式計(jì)算和數(shù)值模擬確定了底板塑性破壞區(qū)的極限高度為16m。運(yùn)用相似模擬呈現(xiàn)出隱伏斷層的裂隙生成規(guī)律和導(dǎo)水通道的貫通過程，首先是層間水平裂隙的生成，然后垂向裂隙自下而上的貫穿。

3）中間完整巖層起最主要的阻水功能，巖層的厚度決定突水能否發(fā)生，根據(jù)裂縫的水力劈裂理論確定了完整巖層的最小厚度計(jì)算公式，代入現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際符合。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張金才，張玉卓，劉天泉.巖體滲流與煤層底板突水[M].北京：地質(zhì)出版社，1997.

[2] 繆協(xié)興，浦海，白海波.隔水關(guān)鍵層原理及其在保水采煤中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37（1）：1-4.

[3] 黎良杰，錢鳴高，李樹剛.斷層突水機(jī)理分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，1996，21（2）：199-123.

作者簡(jiǎn)介：

吳朝飛（1987-），男，河南濮陽(yáng)人，本科，焦煤集團(tuán)趙固二礦，從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理，河南新鄉(xiāng)輝縣趙固二礦；

武宗剛（1986-），男，河南新鄉(xiāng)人，本科，焦煤集團(tuán)趙固二礦，從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理，河南新鄉(xiāng)輝縣趙固二礦。