承壓水上工作面采動(dòng)誘發(fā)斷層活化及煤柱留設(shè)研究

吳俊達(dá)，解 建，孫亞楠，閆奮前

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590 3.安徽恒源煤電股份有限公司 五溝煤礦，安徽 宿州 234000)

我國(guó)煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，大多數(shù)煤層在開采過(guò)程中均會(huì)受到底板突水的威脅，研究結(jié)果表明突水事故大部分與斷層有著直接的聯(lián)系[1-3]，且80%以上的突水事故均發(fā)生在斷層帶附近[4-6]。因此，正確認(rèn)識(shí)和分析采動(dòng)過(guò)程中斷層活化特征，采取有效手段，防治斷層活化突水，保證礦井的安全高效生產(chǎn)，不僅關(guān)系到礦井的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益，也關(guān)系到煤炭資源回收和煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[7-11]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者從理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬等多個(gè)角度對(duì)斷層防水煤柱合理留設(shè)問(wèn)題展開了研究[12-15]，唐東旗等[16]研究了斷裂帶巖體力學(xué)特征以及斷層防水煤柱留設(shè)，得出斷層活化后由底板引起突水。施龍青等[17]建立了底板力學(xué)模型，模擬了斷層發(fā)生活化引起底板突水的過(guò)程并進(jìn)一步分析了礦山壓力對(duì)底板巖層的破壞情況。劉榮茂[18]通過(guò)利用水壓致裂的方法對(duì)斷層煤柱的留設(shè)情況進(jìn)行了研究分析。易偉欣等[19]利用理論計(jì)算公式，推導(dǎo)出弱導(dǎo)水?dāng)鄬拥牧粼O(shè)煤柱寬度。黃凱等[20]利用數(shù)值模擬軟件，通過(guò)對(duì)斷層帶應(yīng)力演化規(guī)律的研究，得出了斷層煤柱的合理留設(shè)寬度。但目前國(guó)內(nèi)大多學(xué)者對(duì)斷層活化突水及煤柱留設(shè)研究手段較為單一，本文以五溝煤礦實(shí)際地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，通過(guò)相似材料試驗(yàn)對(duì)工作面回采過(guò)程中斷層活化特征以及應(yīng)力演化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件優(yōu)化斷層防水煤柱合理留設(shè)寬度，最終確定了斷層防水煤柱留設(shè)寬度，為承壓水上含斷層工作面的安全回采問(wèn)題提供了理論參考。

1 相似材料試驗(yàn)研究

1.1 研究重點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)概況

五溝煤礦1026工作面位于礦井南部，其工作面運(yùn)輸巷南邊緊鄰DF68斷層保護(hù)煤柱，工作面風(fēng)巷北邊緊鄰DF60斷層保護(hù)煤柱。本次研究重點(diǎn)為DF68斷層，該斷層緊鄰1026工作面運(yùn)輸巷，為正斷層，斷層傾角為70°，斷層落差為0～35m，區(qū)內(nèi)延展長(zhǎng)度為0.82km。開采煤層為10#煤層，平均煤厚為4m，屬于厚煤層，煤層傾角8°，屬較穩(wěn)定煤層，煤層埋深為460m，在回采期間主要的突水威脅來(lái)自10#煤層底板下方太原組灰?guī)r含水層。1026工作面平面布置如1所示。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜅l件及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)運(yùn)用山東科技大學(xué)二維相似材料模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸為：長(zhǎng)1900mm、寬220mm、高1800mm。

圖1 工作面布置平面圖

試驗(yàn)相似條件為：幾何常數(shù)比為1∶200；容重相似比為1∶1.5；強(qiáng)度相似比為1∶300。在模型煤層中部位置向DF68及DF60斷層方向同時(shí)推進(jìn)，模型開采高度為2cm，相當(dāng)于實(shí)際采高4m，每次左右各推進(jìn)3cm，相當(dāng)于實(shí)際各推進(jìn)6m，煤層傾角8°屬于近水平煤層，因此在試驗(yàn)當(dāng)中巖層與煤層均水平鋪設(shè)，兩斷層破碎帶鋪設(shè)寬度為3cm，斷層帶充填物多為砂泥巖混合物，模型中1026工作面煤層上方巖層鋪設(shè)高度為96cm，相當(dāng)于實(shí)際巖層高度192m，煤層下方巖層鋪設(shè)高度為42cm，相當(dāng)于實(shí)際巖層高度84m。采用千斤頂在模型上方加載的方式，補(bǔ)償未模擬巖層上覆荷載，根據(jù)巖層厚度計(jì)算確定補(bǔ)償量。在煤層開采過(guò)程中，著重對(duì)DF68斷層帶破壞情況進(jìn)行觀察并拍照記錄。

本次試驗(yàn)采用溧陽(yáng)金誠(chéng)測(cè)試儀器廠生產(chǎn)的應(yīng)變式微型壓力傳感器，該設(shè)備具有靈敏度高、尺寸小、操作方便的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面回采過(guò)程中的應(yīng)力的檢測(cè)及監(jiān)控。在DF68斷層下盤界面距煤層距頂板10cm、20cm垂直方向處布設(shè)有兩個(gè)應(yīng)力傳感器分別為測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2，且兩測(cè)點(diǎn)距模型邊界距離分別為29.55cm及33.19cm，在DF68斷層上盤界面距煤層頂板10cm、20cm垂直方向處布設(shè)有兩個(gè)應(yīng)力傳感器分別為測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4，且兩測(cè)點(diǎn)距模型邊界距離分別為26.55cm及30.19cm，測(cè)點(diǎn)1—測(cè)點(diǎn)4用來(lái)觀測(cè)DF68斷層兩盤界面處的應(yīng)力變化情況，以此來(lái)研究分析DF68斷層活化特征。布設(shè)方案如圖2所示。

圖2 模型應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置設(shè)計(jì)圖

1.3 工作面采動(dòng)誘發(fā)斷層活化及應(yīng)力演化規(guī)律研究

1.3.1 工作面采動(dòng)誘發(fā)DF68斷層活化規(guī)律研究

工作面開挖后，煤層頂板出現(xiàn)離層、垮落等覆巖運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，且隨推進(jìn)距離增大，垮落高度逐漸增大；當(dāng)DF68斷層煤柱寬度為10cm(實(shí)際20m)時(shí)，煤層頂板出現(xiàn)大面積破壞，且破壞范圍已經(jīng)影響到斷層帶，DF68斷層帶內(nèi)砂泥巖充填物有明顯突出的跡象，且DF68斷層帶微裂隙初次發(fā)育，并且具有明顯的發(fā)育擴(kuò)展趨勢(shì)，DF68斷層帶裂隙初次發(fā)育如圖3所示。

圖3 DF68斷層帶裂隙初次發(fā)育

DF68斷層煤柱寬度繼續(xù)減小，煤層頂板破壞范圍繼續(xù)增大，當(dāng)DF68斷層煤柱寬度減小到7cm(實(shí)際14m)時(shí)，DF68斷層活化加劇，且斷層帶與采空區(qū)形成了導(dǎo)通裂隙，灰?guī)r水會(huì)沿著活化斷層及裂隙帶流入工作面造成突水危險(xiǎn)，如圖4所示。為了不影響DF68斷層下盤工作面的正?；夭桑鶕?jù)試驗(yàn)結(jié)果及《煤礦防治水細(xì)則》規(guī)定，在實(shí)際生產(chǎn)中斷層下盤煤柱留設(shè)寬度應(yīng)不小于20m。

圖4 DF68斷層帶裂隙延伸擴(kuò)展

1.3.2 工作面推進(jìn)過(guò)程中斷層帶應(yīng)力演化規(guī)律研究

為了研究DF68斷層活化特征，首先要掌握采動(dòng)過(guò)程中，DF68斷層的應(yīng)力演化規(guī)律。此次相似材料試驗(yàn)在DF68斷層界面處布置有4個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，隨著1026工作面的推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)1—測(cè)點(diǎn)4分別產(chǎn)生了應(yīng)力變化，如圖5所示。

圖5 DF68斷層界面應(yīng)力變化曲線

通過(guò)具體分析來(lái)看，由圖5(a)可以看出，由于開挖位置距離各測(cè)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，開采初期，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力都沒(méi)有反應(yīng)，當(dāng)工作面推進(jìn)步距為25cm時(shí)，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力開始有所增加，隨著工作面向前推進(jìn)，應(yīng)力值逐漸增大；顯同一推進(jìn)步距下，測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)4的應(yīng)力數(shù)據(jù)依次減小，分析其原因，測(cè)點(diǎn)1靠近回采工作面一側(cè)，而測(cè)點(diǎn)4位于遠(yuǎn)離工作面一側(cè)斷層界面，得出距離回采工作面越近的DF68斷層界面受采動(dòng)影響越明顯，圖5(b)和(a)的應(yīng)力變化規(guī)律基本相同，由于測(cè)點(diǎn)2—測(cè)點(diǎn)3較測(cè)點(diǎn)1—測(cè)點(diǎn)4與回采工作面距離更遠(yuǎn)，在工作面推進(jìn)到30cm時(shí)該測(cè)點(diǎn)處斷層帶才有應(yīng)力反應(yīng)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圖(b)的應(yīng)力數(shù)值較(a)要小，這是由于測(cè)點(diǎn)2—測(cè)點(diǎn)3與回采工作面距離更遠(yuǎn)，受采動(dòng)影響更小。因此工作面距離斷層帶越近，斷層帶應(yīng)力受采動(dòng)影響越明顯，斷層活化程度也就越嚴(yán)重。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 模擬構(gòu)建

運(yùn)用FLAC3D三維有限差分?jǐn)?shù)值軟件建立以五溝煤礦實(shí)際地質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的固液耦合模型，模型構(gòu)建有DF68、DF60兩條斷層，斷層傾角相同為70°。本次模擬主要研究DF68斷層活化及煤柱留設(shè)情況，DF68斷層下盤1026工作面斜長(zhǎng)為280m，考慮到邊界效應(yīng)及斷層的煤柱留設(shè)，模擬設(shè)計(jì)模型總尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=500m×200m×280m。

2.2 邊界條件及主要巖層力學(xué)參數(shù)

模型四周進(jìn)行水平位移約束，底部邊界進(jìn)行水平與垂直位移雙約束，在模型頂部施加應(yīng)力荷載，施加荷載大小根據(jù)模擬巖層厚度計(jì)算，模型頂面施加面力6.6MPa以模擬上覆巖層的自重?；?guī)r含水層施加實(shí)際水壓值(3.09MPa)，四周設(shè)為不透水邊界，以不容許水體通過(guò)。力學(xué)模型選用莫爾—庫(kù)倫模型，在流體進(jìn)程的計(jì)算上選用各向同性流體模型。主要巖體的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 塑性區(qū)破壞特征

DF68斷層下盤煤柱寬度留設(shè)不同時(shí)，1026工作面推進(jìn)開采過(guò)程中圍巖和斷層塑性破壞特征如圖6所示。具體分析，當(dāng)工作面DF68斷層下盤煤柱寬度留設(shè)50m時(shí)，頂板塑性破壞形狀呈現(xiàn)“橢圓拱形”，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為25m，且DF68斷層側(cè)煤柱底板破壞范圍也相對(duì)較小，沒(méi)有與DF68斷層發(fā)生相連通；當(dāng)DF68斷層下盤煤柱寬度分別留設(shè)40m、30m、25m時(shí)，工作面推進(jìn)過(guò)程中頂板塑性破壞由“橢圓拱形”逐漸轉(zhuǎn)變成“馬鞍形”、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度逐漸增加且塑性破壞范圍也在逐漸擴(kuò)大，而靠近DF68斷層側(cè)的工作面底板塑性區(qū)呈面破壞，且有與DF68斷層帶塑性區(qū)接觸的趨勢(shì)，同時(shí)斷層帶的破壞范圍也在逐步擴(kuò)展增大，但與塑性區(qū)均未連接成片，且未與DF68斷層導(dǎo)通，未形成有效的突水路徑；當(dāng)DF68斷層下盤煤柱寬度留設(shè)20m時(shí)，工作面頂板塑性區(qū)已連成片并且與DF68斷層帶基本導(dǎo)通，此時(shí)說(shuō)明了工作面將面臨突水的危害；當(dāng)工作面煤柱寬度留設(shè)至15m時(shí)，采動(dòng)破壞帶與DF68斷層帶之間的導(dǎo)通的范圍已經(jīng)越來(lái)越大，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度穩(wěn)定在64m左右，DF68斷層活化加劇，表明工作面受突水威脅將更大。綜合分析，確定DF68斷層防水煤柱不應(yīng)小于20m，基本上與相似材料試驗(yàn)所得結(jié)果相一致。

2.3.2 斷層滲流特征

DF68斷層下盤留設(shè)不同煤柱寬度時(shí)，工作面推進(jìn)過(guò)程中斷層帶孔隙水壓力圖和孔隙水壓力值的變化情況如圖7、圖8所示。通過(guò)對(duì)圖8具體分析可知，在DF68斷層下盤煤柱留設(shè)寬度為50m、40m、30m、25m時(shí)，孔隙水壓值依次為11.4MPa、12.1MPa、12.6MPa、12.7MPa，可以發(fā)現(xiàn)水流矢量在緩慢增長(zhǎng)，工作面突水威脅也相對(duì)較??；當(dāng)DF68斷層下盤煤柱從20m縮小到15m時(shí)，斷層帶的最大孔隙水壓值從12.8MPa增大到了15.6MPa，孔隙水壓值的陡增說(shuō)明此時(shí)DF68斷層帶內(nèi)水流的流速在迅速增加，因此也說(shuō)明了DF68斷層煤柱在小于20m時(shí)，工作面突水危險(xiǎn)性更大。

表1 主要巖層力學(xué)參數(shù)表

圖6 煤柱寬度留設(shè)不同時(shí)，DF68斷層帶塑性破壞特征

圖7 煤柱寬度留設(shè)不同時(shí)，DF68斷層滲流特征

圖8 煤柱留設(shè)寬度不同時(shí)，孔隙水壓值變化情況

3 結(jié) 論

1)相似材料試驗(yàn)研究得出隨著工作面不斷推進(jìn)，當(dāng)DF68斷層下盤1026工作面防水煤柱由20m縮減至14m時(shí)，DF68斷層活化程度明顯加劇，工作面突水威脅也將越大；工作面距離斷層帶越近，斷層帶應(yīng)力受采動(dòng)影響越明顯。

2)采用數(shù)值模擬軟件對(duì)工作面推進(jìn)過(guò)程塑性區(qū)破壞特征及滲流特征分析可知，1026工作面距DF68斷層下盤越近，塑性破壞范圍越廣，水流矢量越大，斷層活化程度越嚴(yán)重，工作面受突水危害將更大。

3)結(jié)合相似材料試驗(yàn)和數(shù)值模擬軟件分析結(jié)果，綜合確定DF68斷層下盤防水煤柱寬度留設(shè)為20m。留設(shè)合理寬度的防水煤柱既能保證工作面回采安全，又能保證資源回采率。