斷層對(duì)工作面底板突水的影響機(jī)理研究

張瑞彬

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)創(chuàng)日泊里煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032700）

煤礦井下工作面底板突水是煤礦開(kāi)采過(guò)程中比較常見(jiàn)的問(wèn)題之一，地下水壓、采動(dòng)不當(dāng)及隔水不良都有可能引起工作面突水問(wèn)題[1]。井下斷層是引起突水問(wèn)題的一個(gè)關(guān)鍵要素，不同的斷層對(duì)工作面底板突水的影響作用也不同[2]。因此有必要對(duì)斷層進(jìn)行力學(xué)分析以及模擬不同斷層造成的突水情況，減少突水事故的發(fā)生。

1 斷層突水的機(jī)理分析

斷層能夠破壞巖層造成漏水，同時(shí)斷層也會(huì)形成空隙進(jìn)行導(dǎo)流，隔水層對(duì)于防止突水影響非常大，一旦有斷層形成，隔水層的厚度就會(huì)相對(duì)降低，煤層與含水層更容易接近[3]。有的斷層滲透性非常高，在高水壓情況下就容易引起突水事故，因此要對(duì)隔水層進(jìn)行設(shè)計(jì)。在工作面壓力作用下，斷層容易發(fā)生活化現(xiàn)象，即上下兩層分開(kāi)，不導(dǎo)水的斷層變成導(dǎo)水?dāng)鄬覽4-7]。斷層的力學(xué)模型如圖1所示，圖中為傾角為α的斷層，最大應(yīng)力為σ1，最小應(yīng)力為σ2。

圖1 斷層活化力學(xué)分析

設(shè)斷面上的剪切應(yīng)力為τ1，正面應(yīng)力為σ，則有：

根據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則[4]，斷面最大抗剪切強(qiáng)度為：

當(dāng)巖層剪應(yīng)力大于或等于最大抗剪切強(qiáng)度時(shí)，斷層就會(huì)發(fā)生活化現(xiàn)象，綜合以上公式，可得出斷面發(fā)生活化時(shí)候的應(yīng)力為：

式中：

K-斷面粘結(jié)系數(shù)，

β-巖層摩擦角（°），

φ-側(cè)壓系數(shù)。

2 數(shù)值模型

采用RFPA2D-Flow可對(duì)巖層進(jìn)行滲流模擬分析，針對(duì)創(chuàng)日泊里煤礦的井下特征，建立了斷層底板突水?dāng)?shù)值模型。水平為350m，豎直為200m，共劃分70000個(gè)單元。模型推進(jìn)時(shí)候設(shè)定為10m，每步開(kāi)采5m，水平位移加約束，煤層模型設(shè)定重力，底部邊界模擬高壓水。

2.1 斷層傾角模擬

為了研究斷層對(duì)工作面底板突水的影響，設(shè)計(jì)不同的模擬方案，分別取不同的斷層傾角來(lái)驗(yàn)證是否對(duì)突水狀況有影響。將傾角設(shè)定為80°、60°、40°和20°，含水層壓力設(shè)定為5MPa，隔水層厚度設(shè)定為50m，煤層厚度設(shè)定為6m，斷層落差為25m。

當(dāng)傾角為80°且工作面與斷層距離為50m時(shí)，壓力無(wú)法使斷層脫落活化，煤層與水層無(wú)法導(dǎo)水；當(dāng)工作面和斷層距離20m時(shí)斷層開(kāi)始裂紋，并進(jìn)行擴(kuò)散開(kāi)始活化，斷層開(kāi)始變?yōu)閷?dǎo)水，裂紋成為煤層和水層的導(dǎo)水口，出現(xiàn)底板突水問(wèn)題。

當(dāng)傾角為80°時(shí)，發(fā)生突水時(shí)底板滲流情況及流量數(shù)值如圖2所示，由圖可以看出斷層活化引起的突水問(wèn)題發(fā)生時(shí)高壓水快速導(dǎo)通，沿著工作面滲透，滲流過(guò)程中的流量變化范圍也非常大，受影響最大區(qū)域是發(fā)生破壞的區(qū)域，最大流量可以到達(dá)475m3/h。

圖2 傾角80°底板滲流情況及流量曲線

當(dāng)傾角為60°時(shí)，且工作面和斷層距離40m時(shí)斷層開(kāi)始裂紋，并進(jìn)行擴(kuò)散開(kāi)始活化，斷層開(kāi)始變?yōu)閷?dǎo)水，裂紋成為煤層和水層的導(dǎo)水口，出現(xiàn)底板突水問(wèn)題。發(fā)生突水時(shí)底板滲流情況及流量數(shù)值如圖3所示，由圖可以看出斷層活化引起的突水問(wèn)題發(fā)生時(shí)高壓水快速導(dǎo)通，沿著工作面滲透，滲流過(guò)程中的流量變化范圍也非常大，受影響最大區(qū)域是發(fā)生破壞的區(qū)域，最大流量可以到達(dá)447m3/h。

圖3 傾角60°底板滲流情況及流量曲線

當(dāng)傾角為40°和傾角為20°時(shí)，工作面和斷層距離分別為45m和55m時(shí)斷層開(kāi)始裂紋，擴(kuò)散活化，斷層開(kāi)始變?yōu)閷?dǎo)水，出現(xiàn)底板突水問(wèn)題。發(fā)生突水時(shí)底板滲流情況流量曲線如圖4所示，由圖可以看出斷層活化引起的突水問(wèn)題發(fā)生時(shí)高壓水快速導(dǎo)通，流量激增，最大流量分別可以到達(dá)501m3/h和349m3/h。

圖4 傾角40°和傾角20°底板滲流流量曲線

通過(guò)以上數(shù)值分析，可以發(fā)現(xiàn)不同傾角出現(xiàn)底板突水的過(guò)程基本類似，但是發(fā)生時(shí)機(jī)不同，傾角越小發(fā)生斷層活化時(shí)候工作面距離斷層越大，也就是較早的就出現(xiàn)了底板突水問(wèn)題，因此當(dāng)斷層傾角小的時(shí)候應(yīng)增加防護(hù)設(shè)施以降低突水事故發(fā)生率。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)突水事故發(fā)生時(shí)，斷層傾角大小與底板突水流量并沒(méi)有直接的關(guān)系。

2.2 正、逆斷層模擬

設(shè)定傾角為60°，斷層設(shè)定為逆斷層，其他數(shù)值保持不變，對(duì)逆斷層活化突水情況進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明工作面距離斷層為20m時(shí)開(kāi)始活化裂紋并導(dǎo)水，工作面出現(xiàn)突水問(wèn)題，最大流量為575m3/h。

對(duì)比正斷層和逆斷層的模擬可以看出，正斷層活化工作面距離為40m，逆斷層活化工作面距離為20m，逆斷層抵抗突水事故的能力更好。

3 結(jié)論

通過(guò)建立斷層力學(xué)模型來(lái)分析斷層活化的影響要素，利用軟件模擬分析斷層對(duì)于煤礦工作面底板突水事故的影響因素，得出了不同傾角的斷層發(fā)生活化的時(shí)間不同，傾角越小的斷層越容易發(fā)生活化突水事故，逆斷層相對(duì)于正斷層來(lái)說(shuō)具有更好的抵抗活化突水事故的能力等結(jié)論，為煤礦底板突水事故的研究提供了理論依據(jù)。