基于斷層封閉性與數(shù)值模擬的斷層導(dǎo)水性綜合評價

尹會永，郎 寧，周鑫龍，曹始友，王 鵬，徐國梁

（1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2．山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室，山東 青島 266590；3．棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277100；4．山東省三河口礦業(yè)有限責(zé)任公司 山東 濟(jì)寧 277600）

我國許多煤礦開采地質(zhì)條件較為復(fù)雜，且近年來開采深度不斷增加，使底板水害的威脅程度不斷增大[1-2]。斷層作為重要的導(dǎo)水通道，可將深部含水層與煤層連通，與斷層有關(guān)的突水事故占總數(shù)80%以上[3]。根據(jù)斷層含（導(dǎo)）水性合理留設(shè)防隔水煤（巖）柱是礦井水害防治的有效方法之一[4]。正確認(rèn)識斷層的含（導(dǎo)）水性以及留設(shè)合理的斷層防水煤（巖）柱寬度，有助于正確指導(dǎo)礦井防治水工作和安全生產(chǎn)，提高資源回收率。

目前，判斷斷層的含（導(dǎo)）水性的方法主要有水文地球化學(xué)特征分析、連通性試驗、抽（放）水試驗、鉆探、地球物理勘探以及油氣勘探中斷層封閉性評價等方法[5-6]。其中油氣勘探中斷層封閉性評價分為側(cè)向封閉性評價和垂向封閉性評價，側(cè)向封閉性評價方法中應(yīng)用較多的為可以直觀展現(xiàn)斷層兩盤巖性對接關(guān)系的巖性并置法和SGR斷層泥比率法[7]，垂向封閉性主要使用斷層面正壓力進(jìn)行評價[8]，斷層封閉性越好則其導(dǎo)水性越差。斷層煤柱留設(shè)寬度主要根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》[9]中的經(jīng)驗公式進(jìn)行計算，數(shù)值模擬技術(shù)也廣泛應(yīng)用于斷層活化規(guī)律研究[10]。三河口煤礦一采區(qū)3上107工作面東部為三河口斷層，西部為前寨斷層，組合為地塹，兩斷層均下切至奧灰含水層，其導(dǎo)水性直接影響著工作面的安全開采，勘探時期三河口斷層和前寨斷層被評價為導(dǎo)水?dāng)鄬?，但在生產(chǎn)活動中發(fā)現(xiàn)這2條斷層導(dǎo)水性較弱，因此需要重新對這2條斷層的導(dǎo)水性進(jìn)行準(zhǔn)確評價。根據(jù)三河口煤礦一采區(qū)3上107工作面地質(zhì)資料，通過鉆探、物探以及巷道揭露資料分析結(jié)合斷層封閉性方法對天然狀態(tài)下前寨斷層以及三河口斷層的含（導(dǎo)）水性進(jìn)行了綜合判斷，并使用FLAC3D6.0軟件對工作面開采條件下的斷層活化規(guī)律進(jìn)行了研究，根據(jù)評價結(jié)果使用規(guī)范公式對斷層煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行了計算，以保證3上107工作面的安全開采，并為三河口煤礦后續(xù)工作面的開采提供經(jīng)驗參考。

1 工程概況

以三河口煤礦一采區(qū)3上107工作面為研究區(qū)，目前尚未開采。研究區(qū)示意圖如圖1。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of study area

三河口煤礦位于山東省濟(jì)寧市微山縣，面積9.543 km2，為隱蔽式石炭～二疊紀(jì)含煤地層，主采煤層是3上、3下煤層。3上107工作面東部為三河口斷層（∠70°，H=25～120 m），西部為前寨斷層（∠70°，H=0～20 m），均為正斷層，組合為地塹，均屬查明斷層。3上107工作面位于兩斷層共同的上盤塊段。3上煤底板標(biāo)高-290~-330 m，賦存厚度4.75～5.58 m，平均厚度5.1 m。3上煤層開采主要受頂板砂巖水及下部各層灰?guī)r水影響，根據(jù)實際生產(chǎn)資料，3上煤頂板砂巖含水層充水程度低，三灰揭露無水，均不構(gòu)成威脅，奧灰含水層威脅較大，其水位標(biāo)高為-135.9 m。

2 斷層含水性評價

1）地面鉆探。根據(jù)勘探時期鉆探資料，F(xiàn)9-3、F7-6號鉆孔穿過三河口斷層，F(xiàn)8-2號鉆孔穿過前寨斷層。這3個鉆孔均不漏水，并且從鄰近采區(qū)揭露斷層帶看，充填較好，多數(shù)斷層為隔水層與隔水層對口或含水層與隔水層對口，說明鉆孔控制地帶斷層帶富水性極弱或不含水。

2）巷道工程。一采區(qū)補充回風(fēng)巷、井下回風(fēng)石門穿過三河口斷層，穿過斷層前，于巷道迎頭處進(jìn)行瞬變電磁探測以及井下鉆探，未發(fā)現(xiàn)有涌水現(xiàn)象，隨后巷道在未施工任何注漿工程條件下，直接穿過斷層帶，亦無涌水現(xiàn)象。采區(qū)輔助采區(qū)回風(fēng)巷、一采區(qū)輔助采區(qū)軌道巷穿過前寨斷層，穿過斷層前，于巷道迎頭處進(jìn)行瞬變電磁探測，發(fā)現(xiàn)1處異常區(qū)，隨后施工5個井下鉆孔進(jìn)行驗證，其中1個鉆孔出現(xiàn)少量涌水，初始涌水量1.5 m3/h，水壓0.1 MPa，短時間內(nèi)疏干，其水樣水化學(xué)特征與奧灰水樣不一致，判斷其水源為3上煤層頂板砂巖水，隨后巷道在未施工任何注漿工程條件下，直接穿過斷層帶，無涌水現(xiàn)象。

3）斷層含水性地球物理探查與井下鉆探。在3上107工作面運輸巷和材料巷對三河口斷層與前寨斷層進(jìn)行瞬變電磁探測，結(jié)果表明兩斷層整體視電阻率值均較高，未發(fā)現(xiàn)相對低阻異常區(qū)。并于3上107工作面材料巷布置3處鉆場進(jìn)行順煤層鉆探，分別于32、31、43 m深度見三河口斷層，巖性分別為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖，鉆孔均無涌水現(xiàn)象。

4）斷層含水性綜合判斷。上述鉆探、物探工程已基本覆蓋三河口斷層與前寨斷層，結(jié)果表明，三河口斷層以及前寨斷層斷層帶及附近巖層均不含水。

3 天然狀態(tài)下斷層導(dǎo)水性評價

3.1 斷層側(cè)向?qū)跃C合評價

斷層兩盤含隔水層對接關(guān)系以及斷層帶透水性共同決定斷層側(cè)向?qū)訹7,11]。斷層兩盤含隔水層對接關(guān)系可使用巖性并置圖直觀的體現(xiàn)，斷層帶透水性則可以以SGR法為判斷根據(jù)。現(xiàn)以巖性并置圖法以及SGR法對三河口斷層與前寨斷層側(cè)向?qū)赃M(jìn)行綜合評價

3.1.1 巖性并置圖法

巖性并置圖法以含水層對接區(qū)域面積占評價區(qū)域面積百分比即含水層對接概率為評價根據(jù)，含水層對接概率越低，則研究段含水層被隔水層封堵程度越高，斷層側(cè)向封閉性越好，從而說明斷層側(cè)向?qū)栽讲?，含水層對接概率越高，則研究段含水層被隔水層封堵程度越低，斷層側(cè)向封閉性越差，則說明斷層側(cè)向?qū)栽胶肹12]。含水層包括細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖和灰?guī)r，隔水層包括泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，分別繪制三河口斷層以及前寨斷層上盤和下盤地層含隔水層巖性圖，疊加得到三河口斷層以及前寨斷層巖性并置圖，計算三河口斷層以及前寨斷層含水層對接概率，對斷層側(cè)向?qū)赃M(jìn)行評價。斷層側(cè)向?qū)潭确旨壉硪姳?。

表1 斷層側(cè)向?qū)潭确旨壉鞹able 1 Water conduction level scale of fault side

3.1.2 SGR法

SGR法是由1種以斷層泥比率（SGR）定量評價斷層側(cè)向封閉能力強弱的方法。根據(jù)SGR值的大小可劃分為以下幾種情況：①SGR＜15%時，形成聚解帶或碎裂巖，斷層側(cè)向封閉性差；②15%＜SGR＜40%時，形成層狀硅酸鹽框架結(jié)構(gòu)斷層巖，斷層側(cè)向封閉性好；③SGR＞40%時，形成泥巖涂抹，斷層側(cè)向封閉性好[13]。因此SGR=15%是斷層是否導(dǎo)水的臨界值，SGR＜15%時，斷層側(cè)向?qū)院?，SGR＞15%時，斷層側(cè)向?qū)圆頪7]。SGR計算模型圖如圖2。

圖2 SGR計算模型圖Fig.2 SGR calculation model diagram

SGR計算見式（1）：

式中：SGR為斷層泥比率，%；Vsh為斷移地層帶泥質(zhì)百分含量，%；△Z為斷移地層帶厚度，m；D為斷層的斷距，m。

3.1.3 斷層側(cè)向?qū)跃C合評價

基于巖性并置圖與SGR法，得到三河口斷層及前寨斷層巖性并置與SGR圖，三河口斷層巖性并置與SGR值如圖3，前寨斷層巖性并置與SGR值如圖4。綜合評價三河口斷層及前寨斷層的側(cè)向?qū)浴?/p>

圖4 前寨斷層巖性并置與SGR值Fig.4 Lithology juxtaposition diagram and SGR values of the south section of Qianzhai fault

由圖3可以看出，三河口斷層含水層對接程度差。三河口斷層SGR值最低為23%，普遍集中于86%以上，絕大部分區(qū)域形成泥巖涂抹，根據(jù)SGR法的評價標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為三河口斷層側(cè)向?qū)圆?。綜合巖性并置圖法以及SGR法的評價結(jié)果得出，三河口斷層側(cè)向?qū)圆睢?/p>

圖3 三河口斷層巖性并置與SGR值Fig.3 Lithology juxtaposition diagram and SGR values of the south section of Sanhekou fault

由圖4可以看出，前寨斷層含水層對接窗口極不發(fā)育，含水層對接區(qū)域面積僅占3上煤層區(qū)域面積的的1.41%，據(jù)表1標(biāo)準(zhǔn)評價前寨斷層側(cè)向?qū)圆?。前寨斷層SGR值最低為83%，均形成泥巖涂抹，根據(jù)SGR法的評價標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為前寨斷層側(cè)向?qū)圆睢＞C合巖性并置圖法以及SGR法的評價結(jié)果得出，前寨斷層側(cè)向?qū)圆睢?/p>

3.2 斷層垂向?qū)跃C合評價

斷層垂向?qū)栽u價需要考慮2個因素：一是斷層帶內(nèi)的泥巖能否發(fā)生塑性流動堵塞裂隙，二是水壓對斷裂面的劈裂作用；斷層面正壓力的計算則是這2個因素的基礎(chǔ)[6,14]。斷層面受力分析示意圖如圖5。

圖5 斷層面受力分析示意圖Fig.5 Diagram of stress analysis on fault plane

斷層面所受正壓力計算見式（2）：

式中：p為斷層面所受正壓力，MPa；Z為斷層面埋深，m；ρr為上覆地層平均密度，kg/cm3；ρw為地層水密度，kg/cm3；α為斷層面傾角，（°）；σ為區(qū)域主應(yīng)力，MPa；β為區(qū)域主應(yīng)力與斷層走向夾角，（°）。

3上107工作面位于三河口斷層和前寨斷層共同的上盤，頂?shù)装迳皫r含水層充水程度低，三灰揭露無水，均不構(gòu)成威脅，奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層為3上107工作面開采的主要水害威脅層位。因此，3上107工作面附近三河口斷層以及前寨斷層處的水壓為奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層在該處的水頭。奧灰水位取-135.9 m。根據(jù)式（2）計算得到的斷層面正壓力及水壓計算表見表2。

表2 斷層面正壓力及水壓計算表Table 2 Calculation table of normal pressure and water pressure on fault surface

三河口斷層斷層面正壓力為5.67 MPa，同時大于泥巖塑性極限（5 MPa）以及斷層附近3上煤底板水壓（1.941 MPa），斷層垂向?qū)圆睢?/p>

前寨斷層斷層面正壓力為8.47 MPa，同時大于泥巖塑性極限（5 MPa）以及斷層附近3上煤底板水壓（1.841 MPa），斷層垂向?qū)圆睢?/p>

3.3 斷層導(dǎo)水性綜合評價

三河口斷層和前寨斷層的側(cè)向?qū)院痛瓜驅(qū)跃睿f明三河口斷層和前寨斷層側(cè)向和垂向的水力聯(lián)系通道均不發(fā)育。綜合判定三河口斷層和前寨斷層均為不導(dǎo)水?dāng)鄬印?/p>

4 基于數(shù)值模擬的斷層活化規(guī)律研究

4.1 模型構(gòu)建

根據(jù)三河口煤礦3上107工作面實際地層情況建立流固耦合模型，模型長寬高分別為360、470、200 m，地層力學(xué)參數(shù)見表3。模型構(gòu)建前寨斷層以及三河口斷層，斷層傾角均為70°，按實際走向相對關(guān)系建立。3上107工作面地層模型如圖6。

圖6 3上107工作面地層模型Fig.6 Stratum model of 3 upper 107 working face

表3 巖層力學(xué)參數(shù)表Table 3 Rock mechanics parameters

模型四周及底面固定，頂面施加法向荷載6.0 MPa。奧灰含水層施加梯度水壓3.15 MPa。力學(xué)模型選用Mohr-coulomb模型，流體模型各向同性。于三煤層位高度斷層內(nèi)設(shè)置監(jiān)測點（y軸方向85、135、185、235、285、335 m）。工作面為梯形，變采寬開采（切眼處寬度80 m，工作面最大寬度為180 m），開挖時從切眼處（y=60）開挖（沿y軸方向），與前寨斷層間距26 m，與三河口斷層間距30 m，每50 m為1開挖步，共開挖350 m。

4.2 工作面開采擾動條件下斷層滲流特征

工作面推進(jìn)50、100、150、200、250、300、350 m時，3上煤層層位三河口斷層內(nèi)最大孔隙水壓依次為3.04、3.40、3.91、4.28、4.63、4.91、5.15 MPa，前寨斷層 內(nèi) 最 大 孔 隙 水 壓 依 次 為3.61、3.98、4.48、4.84、5.28、5.55、5.83 MPa，孔隙水壓增長緩慢，且隨著監(jiān)測點與開挖部位之間距離增加，孔隙水壓的增長減弱，p1監(jiān)測點（位于三河口斷層內(nèi)部，y=85）孔隙水壓值在工作面由200 m推進(jìn)至350 m處的過程中由3.90 MPa增長至4.19 MPa，僅增長0.29 MPa，p7監(jiān)測點（位于前寨斷層內(nèi)部，y=85）孔隙水壓值在工作面由200 m推進(jìn)至350 m處的過程中由4.40 MPa增長至4.61 MPa，僅增長0.21 MPa，說明在此條件下工作面開挖對斷層導(dǎo)水性的影響較小，斷層導(dǎo)升突水危險性小。

4.3 工作面開采擾動條件下斷層活化規(guī)律模擬

各開挖步塑性區(qū)切片（平行切眼）如圖7。

圖7 各開挖步塑性區(qū)切片（平行切眼）Fig．7 Slicing of plastic zone in each excavation step（parallel cut）

工作面開挖50 m時，頂板塑性破壞區(qū)整體成拱形，最大破壞高度為12 m；工作面推進(jìn)100 m時，頂板塑性區(qū)大致形成“馬鞍型”，最大破壞高度為35.5 m；工作面推進(jìn)150 m時，頂板塑性區(qū)最大高度為56.5 m，此時前寨斷層上端發(fā)生塑性破壞，并未聯(lián)通奧灰含水層，因此對斷層整體導(dǎo)水性并無影響；工作面推進(jìn)200 m時，頂板塑性區(qū)最大發(fā)育高度為58.5 m；工作面推進(jìn)250 m時，三河口斷層上端發(fā)生破壞，對斷層整體導(dǎo)水性并無影響，此時塑性區(qū)最大發(fā)育高度為61 m；工作面推進(jìn)350 m時，頂板塑性區(qū)最大發(fā)育高度依然為61 m，但塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，此時3上煤裂采比為12.2，與實測裂采比大致相等。

由圖7可以看出，工作面推進(jìn)150 m時，前寨斷層上端發(fā)生塑性破壞，推進(jìn)250 m時，三河口斷層上端發(fā)生破壞。破壞區(qū)域集中在斷層上部，延伸長度短，三河口斷層和前寨斷層中部和下部并未發(fā)生破壞，斷層中部和下部阻水能力沒有發(fā)生改變，并未聯(lián)通奧灰含水層，工作面的開挖并未對斷層的導(dǎo)水性造成較大的影響。

5 三河口斷層和前寨斷層煤柱留設(shè)研究

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)資料和天然狀態(tài)下斷層含（導(dǎo)）水性評價，結(jié)合3上107工作面開采對三河口斷層和前寨斷層的擾動數(shù)值模擬結(jié)果，綜合認(rèn)為三河口斷層和前寨斷層在天然狀態(tài)下和開采擾動條件下均為不導(dǎo)水?dāng)鄬?。使用?guī)范公式對研究區(qū)三河口斷層和前寨斷層防隔水煤（巖）柱寬度進(jìn)行計算，為工作面的安全開采提供保障。

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》（2018）規(guī)定，煤層位于含水層上方且斷層不導(dǎo)水時，防隔水煤(巖)柱的留設(shè)寬度應(yīng)當(dāng)保證含水層頂面與斷層面交點至煤層底板間的最小距離D在垂直于斷層走向的剖面上大于斷層安全防隔水煤（巖）柱的寬度Ha[9]。Ha計算公式見式（3）：

式中：Ha為斷層安全防隔水煤（巖）柱的寬度，m；p′為防隔水煤（巖）柱所承受的靜水壓力，MPa；Ts為臨界突水系數(shù)，MPa/m。

三河口斷層與前寨斷層兩盤3上煤層與奧灰含水層相對位置如圖8，斷層防隔水煤（巖）柱計算評價表見表4。

圖8 3上煤層與奧灰含水層相對位置Fig.8 Relative position between No.3 upper coal seam and Ordovician limestone aquifer

表4 斷層防隔水煤（巖）柱計算評價表Table 4 Calculation and evaluation table of coal（rock）pillar for preventing water separation in fault

由式（3）計算得到三河口斷層和前寨斷層的Ha值分別為29.41、28.41 m。奧灰含水層頂面與三河口斷層和前寨斷層交點至3上煤底板的最小間距遠(yuǎn)大于其Ha值，即使不留設(shè)煤柱也滿足規(guī)范要求，但為了減小工作面開采對斷層的擾動，保證安全開采，因此研究區(qū)內(nèi)三河口斷層留設(shè)30 m煤柱，前寨斷層留設(shè)26 m煤柱。

6 結(jié) 語

1）通過分析鉆探、物探以及巷道實際揭露斷層資料，綜合判定研究區(qū)內(nèi)三河口斷層和前寨斷層在天然條件下均不含水。

2）研究區(qū)內(nèi)三河口斷層含水層對接區(qū)域面積僅占3上煤層區(qū)域面積的的11.38%，SGR值最低為23%，普遍集中于86%以上，斷層面正壓力為5.67 MPa，前寨斷層含水層對接區(qū)域面積僅占1.41%，SGR值最低為83%，斷層面正壓力為8.47 MPa。綜合判定研究區(qū)內(nèi)三河口斷層和前寨斷層在天然條件下均為不導(dǎo)水?dāng)鄬印?/p>

3）斷層內(nèi)孔隙水壓值增長緩慢，且與開挖部位之間距離越遠(yuǎn)，孔隙水壓的增長越小，三河口斷層和前寨斷層僅上端發(fā)生破壞，延伸長度短，中部和下部并未發(fā)生破壞，并未聯(lián)通奧灰含水層。在距離三河口斷層30 m和距離前寨斷層26 m條件下，工作面開挖對兩斷層的擾動較小，不會導(dǎo)致斷層“活化”發(fā)生突水。