采動應力下底板隱伏斷層滲流場演化規律研究

楊 鵬

（山西懷仁中能蘆子溝煤業有限責任公司，山西 朔州 038300）

煤礦開采受地質構造與水害影響嚴重，隨著地下開采工作逐漸向深部延伸，地下構造與地下水的賦存狀態越發復雜[1-2]。其中我國煤礦主要受奧陶系石灰巖水的影響，并且大量礦井地層中存在隱伏斷層，對煤礦的開采造成極大威脅[3-4]。

底板隱伏斷層為底板突水提供了涌水通道，在采動應力的作用下，隱伏斷層易發生活化，使承壓水導升，威脅工作面生產。劉志軍等[5]建立了流固耦合模型，并通過將模型嵌入數值模擬軟件中分析了斷層突水因素與突水規律的作用關系。王進尚等[6-7]根據斷層力學模型，推導了承壓水導升模型，并建立了臨界突水表達式，解釋了底板突水過程的時空演化規律。張鵬等[8]采用理論分析方法與數值模擬方法表明了采動影響下底板突水的滯后性因素。李連崇等[9]針對斷層活化的動態過程，采用數值模擬方法分析了突水通道的時空演化特征。劉偉韜等[10]運用數值模擬方法，探究不同角度斷層的承壓特性，表明小角度斷層受張拉應力作用與剪應力作用的程度大于大角度斷層。楊登峰等[11]以底板動態突水過程為例，分析了采空區底板的塑性區發育特征。

以上研究為底板承壓水在隱伏斷層中導升與突水機制進行了系統研究。但對于采動影響下的承壓水導升運移聯動規律仍需做進一步研究。因此，以蘆子溝煤礦為例，運用數值模擬方法對采動應力影響下的底板隱伏斷層滲流場演化規律進行研究。

1 工程地質概況

煤礦開采過程中，底板隱伏斷層易誘發底板水害[12-13]。蘆子溝井田位于大同煤田中東部，屬大同向斜的東翼，基本為一走向北東、傾向北西的單斜構造，并伴有寬緩的褶曲。井田內地層產狀比較平緩，傾角3°～12°，一般5°～10°，東南部邊緣較陡，局部達30°。井田內地層傾角平緩，基本為一單斜構造，同時發育一些寬緩的次一級波狀起伏，對煤層開采影響不大，未發現陷落柱。礦區內巖溶地下水的主要補給源為東部灰巖裸露區大氣降水入滲補給。東部邊山碳酸鹽巖裸露區斷裂構造縱橫切割，寒武-奧陶系灰巖、白云巖表面多見垂直裂隙與層面裂隙，局部寬大溶隙和溶洞非常發育，為大氣降水入滲提供了良好的通道和賦存空間。西部白堊系地層超覆于寒武－奧陶系地層之上，白堊系地下水側向補給寒武－奧陶系，遠途徑流補給巖溶地下水。另據地表出露和井下巷道揭露，井田內及邊界鄰近發育有20 條規模大小不等的斷層，均為正斷層，其中落差≥10 m 的斷層14 條，落差<10 m 的斷層6 條。20 條斷層中，絕大部分沿北西向展布。同時還發現有燕山期巖漿巖侵入體，共分布8 條輝綠巖和煌斑巖巖墻。斷層的密集發育，嚴重影響了蘆子溝礦井的安全生產，為加強礦井防治水工作，采用數值模擬方法分析底板隱伏斷層發育角度對承壓水滲流場的影響，以期為礦井防治水工作提供指導。

2 底板隱伏斷層承壓水采動模型

底板隱伏斷層在工作面回采過程中受到采動應力與含水層承壓水的耦合影響[14-15]，其內部的軟弱結構面與斷裂帶的水化物質將會發生劣化[16]。隱伏斷層發生活化，致使隔水層巖體裂隙快速發育，為底板承壓水提供導升通道。由于底板承壓水受采動應力影響下的發育規律復雜，因此，采用數值模擬方法對底板滲流場演化規律進行分析，運用FLAC3D數值模擬軟件，通過流固耦合模塊與fish語言進行建模與計算分析。

建立350 m×350 m×166 m 的數值模型，其中隔水層高度為60 m，斷層在煤層走向170 m 處，工作面采高為6 m，回采過程中在采區四周邊界留設100 m 隔離煤柱，每次開挖步距為10 m。數值模型建模示意圖如圖1。數值模擬采用摩爾-庫倫本構模型模擬巖體，采用fluid fl_isotropic 模擬承壓水滲流過程。固定模型四周與底部邊界，在上方施加20 MPa 垂直地應力，承壓水壓力設置為7 MPa。選取的數值模擬巖性參數見表1。

表1 數值模擬模型參數表

圖1 數值模擬模型示意圖

3 底板隱伏斷層采動條件下滲流場分析

為分析煤層底板隱伏斷層發育角度對承壓水導升過程的影響，設置35°、55°、75°的三種斷層布置角度，繪制工作面推進10 m、30 m、50 m 和70 m 過程中底板隔水層的滲流矢量圖并進行相關分析，如圖2、圖3、圖4。

圖2 斷層傾角35°時工作面推進過程滲流矢量演化圖

圖3 斷層傾角55°時工作面推進過程滲流矢量演化圖

圖4 斷層傾角75°時工作面推進過程滲流矢量演化圖

當斷層角度為35°時，工作面在推進10～30 m的條件下，采動應力導致底板巖層的滲透特性發生變化，承壓水因為滲透特性的改變而出現運移。在工作面推進50 m 的條件下，承壓水在應力影響下向斷層裂隙方向積聚，并為后續的承壓水運移提供動力。隨著工作面逐漸推進到70 m 距離時，承壓水的滲流矢量移動過程并不明顯，滲流場逐漸發生擴展，承壓水的高度出現導升，但高度不足以誘發水害災害影響。

當隱伏斷層的角度為55°時，工作面在推進10 m 后，承壓水產生明顯的積聚現象。工作面推進30 m 后，斷層頂部發生水壓滲透現象，表明此時水壓已經具備破壞隔水層的能力，并使斷層尖端的巖體發生塑性破壞。工作面推進50 m 后，承壓水的高應力積聚范圍大于采空區范圍，為突破隔水層提供了動力支撐。工作面推進70 m 后，承壓水的高應力積聚寬度發生收縮，相應的承壓水高度發生明顯導升。隨著工作面的推進，承壓水滲流矢量方向也隨之推進。

當隱伏斷層角度為75°時，工作面推進10 m時，隱伏斷層的導升現象極為明顯，承壓水向斷層內部大量匯聚。當工作面推進30 m 時，含水層高應力承壓水出現積聚，斷層在水力壓裂的作用下開始擴展，衍生裂隙促使水源向外涌散。當工作面推進50 m 時，底部隔水層被破壞，承壓水向斷層內部大量涌入。當工作面推進70 m 時，含水層的應力集中分布極為明顯，承壓水發生明顯的局部性導升，斷層涌水進一步拓展。相比于35°與55°斷層，傾角為75°斷層對承壓水的匯聚、導生高度的提升、底板隔水層滲流強度的提高具有明顯的促進作用。

綜上所述，隱伏斷層在采動應力和底板承壓水的影響下成為導水裂隙通道，在斷層角度逐漸增加時（35°、55°、75°），承壓水活化程度與導升能力隨之提升。根據數值模擬結果，采動應力下，承壓水突破隔水層的水頭位置滯后于采空區，此種現象合理地解釋了底板突水的滯后特性。

4 采動條件下底板應力場—滲流場演化規律

為深入分析底板隱伏斷層在采動過程中的滲流場變化特性，對35°、55°、75°的斷層傾角模型隨推進過程中的斷層內部垂直應力與孔隙水壓力進行監測。根據斷層長度，將斷層進行3 等分，在等分點上布置測點。最終繪制垂直應力與孔隙水壓力隨工作面推進過程中的演化曲線如圖5。

圖5 不同傾角下采動應力與孔隙壓力演化

根據圖5（a）分析可知，在工作面推進過程中，斷層內部孔隙水壓力受采動應力的活化作用逐漸上升。然而，當工作面推進80 m 后，工作面的開采擾動作用對斷層的影響隨著距離的增加而削減，影響范圍發生改變，承壓水的導升能力也逐漸降低。此外，垂直應力的演化趨勢表現出“勺型”，在靠近斷層的位置，應力變化幅度越明顯，表征了采動應力隨著與斷層距離的增加而逐漸減弱的趨勢。

圖5（b）與圖5（c）表示的55°斷層模型與75°斷層模型具有相同的應力場—滲流場演化規律，但應力數值上表現出差異性。在孔隙水壓力方面，隱伏斷層角度的增加（35°、55°、75°），孔隙水壓力的峰值逐漸降低，降幅約為1 MPa。原因在于，斷層角度越大對于承壓水的引流與導升效果越好，同時突破隔水層的能力越強，更有利于承壓水壓力的釋放，相應的，礦井工作面底板也更容易發生涌水甚至于突水事故。在垂直應力方面，三組不同的模型垂直應力在數值上并未有明顯變化，也即表明隱伏斷層的變化角度對于應力場的改變并未起明顯作用。

綜上所述，在時空分布角度上，工作面推進越靠近斷層附近位置，采動應力在底板內會產生更強的應力集中區，越容易致使斷層活化，使承壓水突破隔水層誘發礦井突水。在形態分布角度上，斷層傾角越大，斷層采動應力的躍升速度越快，對承壓水的導升能力更強，表明斷層傾角的增大對底板突水有激化作用。

5 結語

1）以蘆子溝煤礦工程斷層發育的地質特征為基礎，運用FLAC3D軟件建立35°、55°、75°底板隱伏斷層模型，通過流固耦合模塊與fish 語言進行建模與計算分析。

2）隱伏斷層在采動應力和底板承壓水的影響下成為導水裂隙通道，在斷層角度逐漸增加時，承壓水活化程度與導升能力隨之提升。根據數值模擬演化結果，采動應力下，承壓水突破隔水層的水頭位置一般滯后于采空區，此種現象合理地解釋了底板突水的滯后特性。

3）在時空分布角度上，工作面推進越靠近斷層附近位置，越容易致使斷層活化。在形態分布角度上，斷層傾角越大，斷層采動應力的躍升速度越快，對承壓水的導升能力更強，表明斷層傾角的增大對底板突水有激化作用。