承壓水上含斷層煤層開采底板突水規律研究

邊 凱，李思宇，劉 博，楊 浩，孫 輝

（河北工程大學 地球科學與工程學院，河北 邯鄲 056000）

煤炭在我國整體能源結構中占有很大程度上的比例。隨著淺層煤炭資源日益枯竭，煤層的開采逐步向深層位轉移。因此，底板所受到的礦壓、水壓以及開采擾動程度也隨之逐漸增大[1-2]。尤其是在華北地區的石炭—二疊系煤田當中，煤層底板下伏有巨厚、極富水性的奧陶系灰巖含水層，含水層各處水頭壓力變化較大，且其周圍地質構造環境復雜，發育有大量形態不同的斷層[3]。根據相關資料顯示，在煤礦開采的過程中，大約有70%的突水事故是由于斷層或隱伏斷裂構造所引起的[4]。而構造突水的原因有很多，不能僅僅將其概化為1 個復雜的力學問題，還與構造本身的性質、含水層的水壓力值、周圍地質環境特征以及開采擾動程度等諸多因素有關[5]。

近年來，國內外許多學者針對于受斷層影響煤層底板突水規律進行了較為深入的研究，提出了突水系數法、“下三帶”理論以及“關鍵層”理論等一系列的理論與假說[6-8]。其中，徐柔石等[9]利用突水系數法與斷裂構造分維相融合的方法，得出了更加符合實際的突水危險性分區圖；在“下三帶”理論[10-11]中提到：斷層附近，無論是原始導升帶的高度值還是底板破壞帶的深度值，都要比正常地段大許多，且在斷層處最容易突水；李青鋒等[12]基于“關鍵層”理論建立了含隔水斷層的隔水關鍵層活化力學模型，提出了在礦壓和水壓共同作用下的斷層采動活化突水條件及突水機理；胡洋[13]通過采用理論分析和數值模擬與現場物探相結合的方法，對承壓水上工作面內采動斷層活化突水過程及其影響因素進行了研究。多數學者在研究斷層對底板突水規律影響的過程中，通常考慮為單一角度斷層在采動影響下斷層活化及導水通道的形成過程[14-15]，有關于斷層形態與承壓水壓力對突水規律影響的研究較少。而在實際生產過程中，煤層周圍的地質環境十分復雜，底板所受水壓力并不一致，且可能存在有許多在采前未探測到的斷層。為此，利用理論分析結合數值模擬的方法，基于基礎力學原理建立力學模型，分析在煤層開采后，工作面圍巖以及斷層附近的應力分布情況，求解斷層突水的臨界水壓力值；運用FLAC3D數值模擬軟件分析在不同斷層形態和承壓水壓力的條件下，當工作面推進至斷層區域附近時，圍巖的應力場、位移場、滲流場以及破壞區之間相互耦合關系，揭示在不同情況下的煤層底板突水規律。

1 煤層開采后圍巖破壞特征力學分析

1.1 工作面及斷層圍巖的受力分析

基于基礎力學原理和“下三帶”理論，建立工作面向斷層方向進行推進情況下的力學模型，沿煤層走向作垂直于底板的剖面，采煤工作面底板受力分布圖如圖1。

圖1 采煤工作面底板受力分布圖Fig.1 Stress distribution of coal face floor

在煤層回采的過程中，工作面前段底板在采前超前支撐壓力的作用下發生壓縮；采后由于工作面頂板未能及時垮落造成懸頂減壓，使底板發生膨脹；隨著頂板巖石發生垮落，底板受到巖石重力，再次發生壓縮。底板在壓縮-膨脹-再壓縮的過程中，導致圍巖及斷層區域變形破壞，產生位移，形成底板采動破壞帶h1。同時在采動礦壓與承壓水水壓的共同作用下，含水層中的承壓水沿隔水底板中的裂隙或斷裂構造上升，形成承壓水導高帶h3。在采動破壞帶與承壓水導高帶之間為未受煤層采動影響，具有隔水作用的完整巖層帶h2。當工作面底板圍巖中含有裂隙、斷層等斷裂構造時，底板巖層的完整性將受到嚴重破壞。斷裂構造可以降低底板巖層的穩定性，將對盤含水層向上抬升，縮短煤層與含水層之間的距離，減少底板完整巖層帶的有效厚度，甚至完全喪失其隔水、阻水的作用。在煤層采動所造成二次應力場的影響下，靠近工作面底部的斷層及斷層中的次生裂隙發生擴展，從而使斷層帶及其附近巖體的孔隙率大大增強，甚至成為承壓水涌入礦井的導水通道，為煤層底板發生突水創造了基礎條件。

在模型中以工作面首次開采位置為原點，導水破壞帶最大深處為y 軸零點，工作面推進方向為x軸，建立二維平面直角坐標系。假設最大導水破壞帶位置為地表，從完整巖層帶中取任一厚度為dz的單元體進行采動過程中巖層受力分析。由于在煤層底板中發育有斷層，單元體兩側受到向下的阻力分別為C+σHtanφ（C、φ 分別為完整巖層帶巖石的黏聚力和內摩擦角）和CF+σHtanφF（CF、φF分別為斷層巖石的黏聚力和內摩擦角），σH為水平主應力，σν為單元體上部所受的垂直應力。

1.2 底板突水的臨界壓力值分析

為了研究在工作面回采的過程中，煤層底板沿斷層發生突水的情況。基于極限平衡理論，結合摩爾-庫倫準則，求解斷層突水的臨界水壓力值[16-17]。通過對采動條件下力學模型的受力分析可知，單元體的平衡方程為：

式中：L 為采空區采頂距離，m；?為斷層傾角，（°）；C 為完整巖層帶巖石的黏聚力，MPa；φ 為完整巖層帶巖石的內摩擦角，（°）；CF為斷層巖石的黏聚力，MPa；φF斷層巖石的內摩擦角，（°）；σH為水平主應力，MPa；σν為單元體上部所受的垂直應力，MPa；dz 為所選取單元體厚度，m；dσν為單元體自身所受的垂直應力。

據摩爾-庫倫準則[18]，巖體在破壞時滿足以下極限平衡條件：

考慮構造應力場的影響因素，巖層所受水平主應力σH為：

式中：ν 為巖石泊松比；ρ 為巖石平均密度，t/m3；Kt為構造應力系數；H 為埋深，m。

將式（3）代入式（1）中得：

解此微分方程得：

式中：A 為待確定積分常數。

根據采煤工作面底板受力分析圖，當z=0，即完整巖層帶未受到破壞時，將σν=ρgh1代入式（6）得：

當z=h2，即完整巖層帶已全部破壞，底板發生突水時，σν=pW-ηh3（pW為底板承壓含水層水壓，MPa），將其代入式（6）中，得到在含有斷層構造的情況下，底板巖層所能承受的極限水壓力值為：

式中：p′為煤層底板所承受的極限水壓力值；h3為承壓水導高帶高度，m；η 為水頭損耗。

煤層在開采過程中，底板巖層所承受的實際水壓力值為p。通過計算可知，當p＜p′時，此時底板巖層處于穩定狀態，可以進行安全開采，不會發生突水事故；當p=p′時，此時巖層處于臨界穩定狀態，可能將會發生突水事故；當p＞p′時，此時開采不安全，會發生突水事故。

2 考慮水壓及斷層形態的底板突水數值模擬

2.1 工程地質概況

以梧桐莊礦為例，井田內落差>5 m 的斷層96條，落差>50 m 的斷層18 條，每平方公里內發育有1.3條斷層，其中大部分為正斷層。目前礦井所開采煤層為6#煤層，煤層厚度為0.74～5.74 m，平均厚度為3.18 m，其水平標高為-500 m。下伏有巨厚，極富水性的奧陶系灰巖含水層，且由于井田內部褶曲、垂向裂隙、構造比較發育，奧灰含水層大量補給煤系含水層，斷層抬升含水層，減小了底板有效隔水層的厚度，為造成較大突水事故而間接危害生產創造了條件。在1995—2018 年期間，梧桐莊礦共發生有突水事故13 次，最大突水量為450 m3/h，其主要原因為在采掘過程中，臨近或突然揭露導水斷層而發生突水。

2.2 數值模擬模型

根據梧桐莊礦182102 首采工作面實際地質環境概況，建立數值模型。針對于具體的地質資料，采用摩爾-庫倫屈服原則構建彈塑性本構模型，不同形態斷層數值模型如圖2。

圖2 不同形態斷層數值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model of faults with different shapes

確定模型的尺寸為長1 250 m，寬240 m，高480 m，模型中包括20 964 個單元和25 284 個節點。取x 軸方向為煤層走向方向，y 軸方向為煤層傾向方向，z 軸方向為模型垂直向上方向。為避免在煤層采動過程中邊界效應的影響，沿x 軸、y 軸方向兩側各留設100 m、60 m 的煤柱。模型中工作面的尺寸為長500 m，寬120 m，高4.5 m。采用分步開采的方式，沿煤層走向開采，一次采全高，每步的開挖距離為25 m，共計開挖20 步。根據地層綜合柱狀圖將模型概化為19 個物理力學性質不同的工程地質巖組，模型中的煤層頂底板巖層及斷層巖石力學參數見表1。

表1 煤層頂底板巖層及斷層巖石力學參數Table 1 Mechanical parameters of coal seam roof and floor slate and fault rock

煤層頂板的埋藏深度為750 m，模型頂部邊界所施加的應力等效為上層巖土層的自身重力，取上覆巖層的平均密度為2 500 kg/m3，則等效荷載約為11.125 MPa。

模型的力學邊界條件為：模型四周邊界均施加水平位移約束，底部邊界施加水平和垂直位移約束，頂部邊界為自由面，施加方向向下的等效荷載，荷載均勻分布。滲流邊界條件為：模型底部邊界采用固定水壓邊界來模擬奧灰含水層的水壓力值，底板內部初始水壓按照梯度水壓變化，四周及頂部邊界均為隔水邊界。在自然狀態下，煤層在開挖前上覆巖層所產生的荷載以及底部的承壓水壓力已然存在，故模型在開挖前先加載承壓水壓力以及等效重力荷載，進行初始化，形成原始的地應力狀態。

2.3 模擬方案

為了從應力場、位移場、滲流場以及破壞區的共同耦合作用的角度，研究在開采深部煤層的過程中，在不同形態斷層與承壓水水壓的作用下煤層底板突水規律，本次試驗共設計了5 組數值模擬方案，數值模擬方案見表2。

表2 數值模擬方案Table 2 Numerical simulation schemes

通過總結前人所得出的經驗與結論[19-20]，在工作面底板及斷層破壞明顯的區域布置監測點，當工作面推進至25、75、100、200、350、400 m 距離時，監測工作面底板及斷層圍巖應力場、位移場、滲流場及破壞區的變化情況，并進行共同耦合作用分析，數值模擬監測點布置分布圖如圖3，其中，⑨監測點監測當工作面推進至斷層時，煤層底板變化規律；⑩監測點監測靠近工作面下端的斷層頂部變化規律。將方案Ⅰ、方案Ⅲ和方案Ⅴ模型結果進行對比分析，得出在相同斷層寬度及承壓水壓力的情況下，斷層傾角對底板突水規律的影響；將方案Ⅱ、方案Ⅲ和方案Ⅳ模型結果進行對比分析，得出在相同斷層傾角及承壓水壓力的情況下，斷層寬度對底板突水規律的影響；將方案Ⅲ模型結果進行自身對比分析，得出在斷層傾角和寬度相同的情況下，承壓水壓力對底板突水規律的影響。

圖3 數值模擬監測點布置分布圖Fig.3 Layout and distribution of numerical simulation monitoring points

2.4 結果分析

在煤層采動前，采場處于原巖應力狀態。隨著工作面的推進，受采動應力及承壓水壓力的影響，工作面圍巖及斷層所受應力重新分布，巖體發生破壞產生位移，含水層中承壓水沿巖體破壞區向上延伸。對煤層開采造成影響。

在工作面推進初期，受煤層采動的影響，頂底板發生小范圍的破壞，應力主要集中在工作面的正上、下方，巖體處于卸壓狀態，含水層上部發育有承壓水導生帶。靠近工作面底部斷層所受應力小幅度增加，發育有向上的位移，位移量呈周期性波浪形變化；斷層底部所受應力幾乎不發生變化，發育有向下的位移，位移程度較小。斷層所受孔隙水壓力穩步增加。

隨著工作面的推進，采空區卸壓區域不斷擴大，頂板出現懸頂采空區，底板出現減壓膨脹區，且頂板破壞區域大于底板破壞區域。工作面兩端始終處于應力集中狀態，煤層頂板巖層發生下沉且位移量逐漸增加，并在采空區中間位置達到最大值，以采空區中部為對稱線巖層位移量逐漸減小，靠近采空區的底板巖層受煤層減壓影響，向上位移產生底鼓。頂板巖層以剪切破壞為主，靠近采空區上方附近存在拉張破壞，底板受超前壓縮影響，主要受到拉張破壞。含水層上方承壓水導生帶再次向上發育。斷層所受應力呈先增大后趨于平穩的階梯式變化，當底板超前壓縮區剛接觸斷層時，斷層所受應力達到最大值，隨煤層繼續回采，所受應力呈周期性斷崖式下降。靠近工作面底部斷層發育有位移量變化程度較大的向下位移；斷層底部發育向上的位移，位移量較大。斷層所受孔隙水壓力出現先增大后減小的周期性變化，整體上呈現為增大的趨勢。

當工作面推進至斷層區域附近時，工作面前端應力集中區域向斷層上端轉移，且所受應力小于后端應力。含水層上方承壓水導升帶的高度幾乎不發生變化。斷層所受應力處于最小值狀態，整體發生大幅度的向上位移，位移量呈現為階梯式變化。斷層周圍所受滲流壓力出現變化程度較大的鋸齒狀波動，但最大壓力幾乎不發生變化。同時，滲流場開始由斷層向工作面前端方向發生漫延。在煤層回采的整體過程中，斷層始終受到拉張破壞。

底板突水主要包括突水水源與突水通道2 個因素。由分析可知，在工作面回采完成時，工作面前端已存在有承壓水壓力。因此，底板破壞區是否與斷層破壞區相連是底板發生突水的直接影響因素。在試驗中，可通過⑨監測點、⑩監測點所監測的煤層底板和相鄰斷層在工作面推進至斷層區域附近時，所受應力場、位移場、滲流場以及破壞區共同作用情況，得出斷層形態及承壓水壓力對底板突水的影響規律。

2.4.1 斷層傾角對底板突水的影響

在斷層傾角不同的情況下，當工作面推進至斷層區域附近時，不同傾角模型推進至斷層時塑性破壞圖如圖4。結合⑨監測點和⑩監測點處煤層底板以及斷層受應力場、位移場、滲流場以及破壞區共同作用情況，得出的⑨監測點和⑩監測點處的垂直應力、垂向位移及滲流壓力與斷層傾角關系圖如圖5。

圖4 不同傾角模型推進至斷層時塑性破壞圖Fig.4 Plastic failure diagrams of models with different dip angles advancing to the fault

圖5 ⑨監測點和⑩監測點處的垂直應力垂向位移及滲流壓力與斷層傾角關系圖Fig.5 Relationship between vertical stress, vertical displacement, seepage pressure and fault dip at monitoring points ⑨and ⑩

對方案Ⅰ、方案Ⅲ和方案Ⅴ結果進行對比。在工作面回采完成時，隨著煤層傾角的增大，煤層底板處所受垂直應力呈現為整體減小的趨勢（負號代表其應力方向向下），平均變化率為-29%，垂向位移由向上的位移變為向下的位移，所受承壓水壓力變化幅度較小，平均變化率僅為-0.15%；靠近工作面底部斷層所受垂直應力呈現先增大后減小的變化趨勢，垂向位移變化量和變化規律與煤層底板處基本一致，所受承壓水壓力幾乎未發生變化，斷層處所受垂直應力隨傾角增大逐漸大于煤層底板處應力。工作面底部破壞區均未與斷層破壞區相連，但底板超前壓縮區隨傾角增大而增大。這說明承壓水壓力幾乎不隨斷層傾角的變化而變化，斷層傾角越大，工作面下部圍巖所受應力越小，但破壞區的范圍越大，越容易發生突水。

2.4.2 斷層寬度對底板突水的影響

在斷層寬度（斷層上、下盤之間的水平距離）不同的情況下，當工作面推進至斷層時，不同斷層寬度模型推進至斷層時塑性破壞圖如圖6，⑨監測點和⑩監測點處的垂直應力、垂向位移及滲流壓力與斷層寬度關系圖如圖7。

圖6 不同斷層寬度模型推進至斷層時塑性破壞圖Fig.6 Plastic failure diagrams of models with different fault widths advancing to the fault

圖7 ⑨監測點和⑩監測點處的垂直應力、垂向位移及滲流壓力與斷層寬度關系圖Fig.7 Shows the relationship between vertical stress, vertical displacement, seepage pressure and fault width at ⑨and ⑩monitoring points

對方案Ⅱ、方案Ⅲ和方案Ⅳ結果進行對比分析，隨斷層寬度的增大，煤層底板所受垂直應力呈現先減小后增大的變化，垂向位移由向上變為向下位移，所受承壓水壓力穩步增大，平均變化率為6.1%；靠近工作面底部斷層受垂直應力呈現先增大后減小的變化，且變化幅度較大，并在寬度為60 m 左右時達到極值，垂向位移變化規律與底板處基本一致，所受承壓水壓力變化幅度較小。在斷層寬度為40 m 時，底板發生突水，隨斷層寬度的增大，靠近工作面前端斷層區域破壞程度變小，突水危險性降低。

2.4.3 承壓水壓力對底板突水的影響

在含水層承壓水壓力不同的情況下，當工作面推進至斷層時，不同承壓水水壓模型推進至斷層時塑性破壞圖如圖8，⑨監測點和⑩監測點處的垂直應力、垂向位移及滲流壓力與承壓水水壓關系圖如圖9。

圖8 不同承壓水水壓模型推進至斷層時塑性破壞圖Fig.8 Plastic failure diagrams of different confined water pressure models advancing to the fault

圖9 ⑨監測點和⑩監測點處的垂直應力、垂向位移及滲流壓力與承壓水水壓關系圖Fig.9 Relationship between vertical stress, vertical displacement, seepage pressure and confined water pressure at ⑨and ⑩monitoring points

通過對Ⅲ組模型自身結果進行對比分析，煤層底板與靠近工作面底部斷層所受垂直應力與承壓水壓力均隨著含水層承壓水壓力的增大而增大，其中所受承壓水壓力的平均變化率分別為22%和24%，且位移變化規律均呈現為先向下后向上發生位移。斷層處所受到的垂直應力大于煤層底板處所受到的垂直應力，但隨著含水層中承壓水壓力的增大，斷層處所受到垂直應力的平均變化率僅為9.9%，而煤層底板處所受到垂直應力的平均變化率為19.7%，說明含水層中承壓水壓力對煤層底板處的垂直應力存在有較大的影響。同時工作面前端圍巖破壞范圍隨含水層承壓水壓力的增大而增大，并在含水層承壓水壓力為9 MPa 時發生突水。這說明含水層承壓水壓力對工作面底部圍巖所受應力的影響較大，且隨著含水層中承壓水壓力的增大，工作面底板巖層受到的垂直應力也隨之快速增大，巖層發生向上的位移，當工作面底板巖層破壞區與斷層破壞區相連時，底板發生突水。因此，隨著含水層中承壓水壓力的增大，斷層及工作面底板破壞范圍隨之增大，突水危險性增大。

3 結 語

1）基于基礎力學原理和“下三帶”理論，建立工作面向斷層方向進行推進情況下的力學模型，分析得出在工作面推進過程中，煤層底板及斷層的受力分布情況，并計算出底板突水的臨界壓力值。

2）隨工作面的推進至煤層回采完成的過程中，采空區卸壓區域不斷擴大，工作面兩端存在應力集中區；在采空區中部位移量達到最大值，兩側位移量減小，斷層整體發生大幅度的向上位移，位移量呈現為階梯式變化；承壓水沿斷層上升，并由斷層向工作面前端方向發生漫延；工作面圍巖呈現為“馬鞍形”的破壞形態，斷層整體受到拉張破壞。

3）在煤層回采過程中，不同斷層傾角對工作面底板圍巖所受垂直應力的影響較大，對垂向位移及承壓水壓力影響較小，且隨傾角的增大，底板及靠近工作面底端斷層處所受的垂直應力增大，底板超前壓縮區和工作面前端斷層破壞區范圍增大，底板突水危險性增加；不同斷層寬度對工作面底板圍巖及斷層所受垂直應力的影響較大，并在寬度60 m 左右時達到極值，對垂向位移的影響較小，且隨斷層寬度的增大工作面底板圍巖所受的承壓水壓力增大，但靠近工作面前端斷層破壞程度降低，底板突水危險性降低；不同含水層承壓水壓力對工作面底板圍巖及斷層所受承壓水壓力的影響較大，隨含水層承壓水壓力的增加，其所受垂直應力和承壓水壓力均呈增大的趨勢，且靠近工作面底端斷層破壞區增大，底板突水危險性增加。