礦井工作面底板突水機理的理論探析

李 晉

(晉煤集團晉圣三溝鑫都煤業有限公司，山西 晉城 048000)

0 引言

在采動引起的礦壓以及靜水壓綜合作用下，工作面底板隔水層內部容易發育裂隙并且擴展延伸，當其所受的載荷超過其極限承載能力時，隔水層會發生沿著內部某一弱面的斷裂，使得含水層內部水體涌入工作面，給礦井的安全生產帶來隱患[1]。從流體力學的角度出發，工作面底板突水為裂隙水流，突水通道和水壓力差決定了底板突水的大小，其中突水通道是突水形成的必要條件。基于此，嘗試對工作面底板的突水機理進行理論探析。

1 突水類型劃分和下三帶

1.1 突水類型劃分

把礦井底板突水的類型進行合理劃分對礦井的防治水工作具有重要意義。不同礦井煤層的賦存條件不同，底板的力學特性以及所處的地質條件有所差異。針對礦井奧灰巖含水層的地質特征劃分工作面底板的突水類型，按照突水的主導因素進行劃分，結果見表1。

表1 突水類型劃分結果統計表

在表1中，當不具導水性斷層的活化時形成了構造型突水(圖1(a))，斷層自身的力學特性、圍巖應力以及水壓等因素均會引起斷層的活化；底板隔水層巖體內部裂隙發育較為充分，未受采動作用下裂隙未相互貫通，故不具導水性，在采動作用下，滲流場和應力場相互耦合形成底板突水，該類型為正常型突水(圖1(b))。

a-構造性；b-正常型圖1 底板突水類型示意圖

1.2 下三帶及理論計算

諸多專家學者研究得到，在采場采動作用下工作面底板隔水層可分為采動破壞帶、保護帶和承壓水導升帶[2]，如圖2所示。

圖2 下三帶劃分示意圖

采動破壞帶：底板內部本身就發育天然裂隙，在采動作用下原生裂隙擴展，次生裂隙不斷產生，則在巖體內部就形成了原生裂隙和次生裂隙群，提高了巖體的導水性，最終形成了具有導水性的特殊帶，由縱向裂隙帶和橫向裂隙帶構成。前者是在拉剪綜合作用下形成的；后者主要在淺層發育，底板巖層在采動作用下發生壓縮-擴張以及壓縮的復合變形，該類型變形形式的反向位移導致了橫向裂隙帶的形成。整體上，采動破壞帶的高度隨著工作面開采深度的增大而增加，當工作面開采深度較大時，采場采動引起的圍巖破壞范圍和破壞深度較大，可能使得內部裂隙發育到含水層。計算采動破壞帶的方法很多，根據彈性力學理論和塑性滑移線場理論可得破壞帶的高度，為公式(1)所示。

(1)

式中:n—采動引起的應力集中系數；H—工作面開采深度；φ—巖體的內摩擦角；C—巖體的黏聚力；m—采空區降壓系數。

導升帶：隔水層內部裂隙是承壓水上升的通路，而該裂隙的高度就是原始的導升高度。巖石具有各向異性，內部裂隙發育不均，故在導升帶不同位置的原始高度不同，在局部裂隙發育較為充分的導升帶內原始高度較大，除此之外，工作面底板的力學特性以及圍巖構造的發育情況等也會影響導升帶高度。通過物探法或者鉆探統計法可以得到導升帶高度。在本礦井中，奧灰灰巖上部分布厚度各異的巖溶充填帶，對奧灰水具有較好的阻隔性；在礦區內部分布穩定的巖溶充填帶可視為隔水層。

保護帶：處于承壓水導升帶和采動破壞帶之間。保護帶受采場采動的影響較小，在工作面開采過程中該范圍巖層的導水性變化較小，具有較好的隔水性；但水對巖石具有侵蝕和水化作用，而且采動引起的礦壓會持續作用于該范圍巖層，故長此以往保護帶內裂隙可能擴展貫通引起滯后突水。

在得到導升帶和采動破壞帶的厚度后可得到保護帶厚度，如公式(2)所示，式中各變量含義如圖2所示。

h2=h-h1-h3

(2)

2 突水機理研究

2.1 正常型突水機理

在長期的地質作用下，工作面底板隔水層內部發育有尺度不一的節理結構[3]。將突水可視為壓裂液，則在一定壓力下巖體中的弱面會垂直于最大主應力方向擴展，由此可見巖體內部裂隙擴展的程度決定了承壓水導升的高度，也就是正常型突水的嚴重程度，而節理面的力學特性以及上位巖層的性質會影響裂隙的擴展。

在采場采動引起的應力場和滲流場的綜合作用下，含水層上覆巖體內部的裂隙擴展貫通，加大了巖體內部的破裂程度，在工作面推進過程中采動引起的縱向應力是不斷演變的，從而加大了原有導升帶中的裂隙尖端應力集中系數，當該系數達到裂隙的起裂強度時，裂隙開裂。

山西晉煤集團三溝鑫都煤礦井田區內斷距大于10 m的有1條逆斷層和5條正斷層，其它在開采中揭露的小斷層斷距一般都小于5 m，這些斷裂構造在礦山壓力的作用下，很有可能成為采空區積水的補給通道，在導升帶內裂隙向上擴展的過程中，承壓水也會不斷向上涌流，當含水層上覆巖體裂隙帶與隔水層頂部裂隙帶貫通時承壓水便會滲透到采空區，如圖3所示。承壓水會對滲流通路不斷侵蝕和沖刷，進而加大了貫通裂隙的開度，使得采空區積水量加大，總體上，正常型突水過程的本質就是應力場和滲流場相互耦合作用不斷加強的過程。

圖3 正常型突水滲流通路示意圖

2.2 構造型突水機理

在采場采動作用下斷層的活化引起了本礦井的構造性突水，斷層上下盤巖體受到的摩擦力較大，內部節理以張拉節理和剪切節理為主，而且距離破裂面越近，節理發育越嚴重。節理與主斷層的夾角隨著力學性質的改變而改變，張拉裂隙與主斷層的夾角一般為45°；而剪切裂隙一般有兩組，其中，一組節理與主斷層夾角較小，另外一組與主斷面表層垂直，具體特點如圖4所示。

圖4 節理發育特征示意圖

在采場采動過程中工作面底板的穩定性逐步降低，在底板巖層內部的裂隙以及斷層的伴生裂隙會逐步擴展，一旦與采動破壞帶貫通就形成了突水通道。本次研究礦井構造為NE走向和NW傾向的單斜構造，地質勘探過程中得到有6個斷距在18 m以下的斷點，總體構造簡單，故小斷層的突水與構造性突水相關。基于工作面和斷層的空間特征，可將斷層分為埋藏型和切穿煤層型兩種，分別如圖5(a)和(b)所示。

a-埋藏型；b-切穿煤層型圖5 礦井斷層示意圖

埋藏型斷層突水：埋藏型斷層的突水機理和正常型底板一樣，該斷層作用與正常型底板內部的裂隙作用相當，作為潛在的導水通路。在圖5(a)中，h0為工作面底板距斷層上部的距離，假設該距離要大于采動破壞帶厚度，當埋藏型斷層具有隔水性時，則有無斷層情況下的隔水層厚度均相等；當埋藏型斷層不具隔水性時，有效隔水層厚度理論上應該為斷層不存在情況下的隔水層厚度與斷層的縱向延展厚度之差。

切穿煤層型斷層突水：在采場采動作用下，承壓水會對斷裂帶內的裂隙進行水力壓裂作用，則原生裂隙起裂擴展，次生裂隙發育；采場采動改變了圍巖的應力場平衡狀態，承壓水的壓力和圍巖應力場相互作用使得斷層發生活化，導水性改變，從而使得導升帶順著斷層擴展最終與采動破壞帶連接貫通，在此情況下，不導水斷層轉變為導水型斷層，引發了工作面的涌水，如圖6所示，這也是導致突水發生滯后的機理所在。

3 結語

突水通道是突水形成的必要條件，為此，對工作面底板的突水機理進行理論研究。針對該礦井奧灰巖含水層的地質特征劃分工作面底板的突水類型為正常型和構造性，對采場采動作用下工作面底板隔水層進行三帶劃分和厚度計算；同時對正常型和構造性突水的機理進行了研究，得到正常型突水過程的本質就是應力場和滲流場相互耦合作用不斷加強的過程，不導水斷層轉變為了導水型斷層，引發了工作面的涌水，這也是導致突水發生滯后的機理所在。

圖6 切穿煤層型斷層突水過程示意圖