采動與隱伏斷層雙重作用下底板破壞特征

張志巍，張玉軍，2，3，張風(fēng)達，2，3

（1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013；3.中煤科工開采研究院有限公司，北京100013）

我國約有60%的煤礦受不同程度的水害威脅，隨工程地質(zhì)與水文地質(zhì)的變化，煤層與承壓含水層間的巖體采動變形破壞范圍對煤礦安全開采的影響更加深遠，底板采動破壞最大深度對于研究底板巖層隔水性能和預(yù)防底板突水具有重要意義[1-3]。

煤層開采形成采空區(qū)和引發(fā)原巖應(yīng)力失衡，隨工作面推進煤壁后方底板壓縮巖體發(fā)生膨脹剪切破壞而向采空區(qū)自由空間產(chǎn)生位移。張金才等[4]基于彈性力學(xué)和半無限體理論，研究了底板破壞機理和最大破壞深度；孟祥瑞等[5]分析了底板應(yīng)力大小及分布規(guī)律和最大破壞深度位置的關(guān)系；彭蘇萍等[6]通過建立斷裂力學(xué)模型，理論計算了底板破壞深度值；孫闖等[7]針對傾斜長壁開采工作面，基于斷裂力學(xué)理論和Mohr-Coulomb 屈服準則，得出底板破壞深度計算公式；張風(fēng)達等[8]運用半無限體理論并結(jié)合塑性力學(xué)滑移線場理論分析巖石內(nèi)摩擦角、黏聚力對底板破壞深度的影響關(guān)系；張鑫等[9]針對不同含水層水壓條件下含隱伏斷層煤層底板采動破壞過程進行了數(shù)值模擬研究；張培森等[10]利用FLAC3D數(shù)值模擬得出含隱伏斷層煤層底板滯后突水與隱伏斷層空間位置及發(fā)育程度、承壓水水壓影響因素的關(guān)系；楊登峰等[11]針對含隱伏斷層煤層底板采動破壞區(qū)域分布特征進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明隱伏斷層采動活化更易發(fā)生底板突水；張文忠[12]基于礦山壓力與巖層控制理論，得出斷層水壓增高規(guī)律及其計算公式，分析了底板隱伏斷層突水的力學(xué)原理。

據(jù)統(tǒng)計大量礦井突水事故表明隱伏斷層和采動裂隙是造成水害發(fā)生的顯著影響因素[13]。多數(shù)水害事故都是采掘工作面揭露或者采動裂隙貫通隱伏斷層造成的[14]，承壓水的導(dǎo)升受制于巖層隔水性能，且隨導(dǎo)升而水壓遞減，而且完整型底板導(dǎo)升高度有限，更多突水事故的發(fā)生主要由于底板采動破壞裂隙向下貫穿隔水層，煤層底板一定深度的隱伏斷層無疑對底板裂隙擴展范圍增加起到積極作用，從而增加底板突水幾率。

底板巖體采動破壞范圍受煤層埋深、開采空間、煤層傾角等主控因素影響，完整型底板塑性區(qū)的形態(tài)近似“勺形”[15]，隱伏斷層存在情況下的底板巖體可看做已經(jīng)具有一定破壞深度缺陷巖體，隱伏斷層對于底板采動裂隙發(fā)育將起到促進作用，探究此類型的底板巖體采動破壞分布規(guī)律和破壞最大深度具有重要現(xiàn)實意義。為此在隱伏斷層接近煤層底板條件下的底板巖層采動裂隙發(fā)育范圍，采用數(shù)值計算和現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法探究含隱伏斷層底板巖體采動破壞特征。

1 礦井地質(zhì)概況

山西某礦工作面斜長248.5 m，長度3 140 m，目前主采的9 號煤層賦存條件穩(wěn)定，煤層傾角平均為5°，屬于近水平煤層，煤層厚度平均11.9 m，平均埋深377 m，工作面下伏有奧灰承壓含水層，局部區(qū)域?qū)儆趲洪_采，隔水層厚度21.60～61.42 m，平均厚度50 m，工作面內(nèi)斷層構(gòu)造發(fā)育，但落差一般較小且多為巷道掘進揭露斷層或接近煤層底板。

2 底板巖體含隱伏斷層采動破壞范圍數(shù)值研究

2.1 力學(xué)參數(shù)和數(shù)值模型

根據(jù)工作面周邊鉆孔取心資料，將相鄰相近巖性的巖層概化歸一以便于數(shù)值模型的簡化和建立，根據(jù)巖樣巖石力學(xué)參數(shù)室內(nèi)實驗，確定的數(shù)值模型各巖層的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型各巖層的巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters of each rock stratum in the model

根據(jù)該工作面形成時揭露的斷層情況以及采礦工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值計算軟件建立的數(shù)值計算模型如圖1。

該模型x 向（傾向）寬度350 m，回采寬度248 m，模型y 向（走向）長度為300 m，沿煤層走向在50 m 處開挖，開挖步距10 m，共開挖15 步（150 m），模擬工作面埋深377 m，模型高度為158 m，模型上覆巖層設(shè)為7.0 MPa 均布載荷，模擬煤層開采厚度12 m，模型傾角0°，斷層落差3 m，斷層位于模型112 m處，斷層頂部據(jù)煤層底板6 m，斷層面采用FLAC3D自帶interface 結(jié)構(gòu)面單元來模擬，斷層面周邊網(wǎng)格模擬斷層帶巖體。

圖1 數(shù)值計算模型Fig.1 Numerical calculation model

2.2 模擬結(jié)果

煤層開采后形成采空區(qū)，原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)被打破，采空區(qū)底板巖體在卸荷作用下發(fā)生拉伸變形破壞形成一定范圍的塑性破壞區(qū)，在工作面后方，底板采動裂隙帶隨著工作面推進距離增加而不斷向下延伸，破壞巖體范圍不斷擴大，不同開挖距離的底板破壞范圍如圖2。

圖2 不同開挖距離的底板破壞范圍Fig.2 The floor failure range of different excavation distances

當(dāng)采空區(qū)形成一定范圍后，原始煤層上部巖層垮落重新壓實采空區(qū)且底板巖體卸荷作用減弱，從而底板采動斷裂帶發(fā)育減緩直至停止，推進過程中發(fā)現(xiàn)未受隱伏斷層影響的底板最大破壞深度要小于靠近隱伏斷層附近的底板巖體，對比圖2（c）、圖2（e）可知，模型開挖20～40 m 時，距隱伏斷層遠處底板巖體采動裂隙發(fā)育速度較快，最大破壞深度達到最大值約18 m。當(dāng)工作面推進至隱伏斷層前方約60 m 時，隱伏斷層兩側(cè)巖體發(fā)生變形破壞，且隨著工作面繼續(xù)推進，底板巖體破壞范圍將沿著斷層延伸方向逆工作面推進方向發(fā)展，使得采動裂隙繼續(xù)向下發(fā)育，增加底板最大破壞深度，加劇底板突水危險性。模型開挖80 m 時，受隱伏斷層及采動應(yīng)力的雙重影響，底板采動裂隙發(fā)育深度達到最值約28 m，工作面過斷層后，隨著模型繼續(xù)開挖發(fā)現(xiàn)底板塑性區(qū)擴展路徑將沿著隱伏斷層頂部斜向下發(fā)展，與斷層前方塑性區(qū)形成以隱伏斷層頂部為豎軸的正“八”字對稱形態(tài)。

綜上分析，該工作面底板巖體最大采動破壞深度約為28 m，雖距平均隔水層厚度50 m 還有一定厚度的安全保護層，但局部塊斷隔水層厚度變薄，面對強富水性、高水壓奧灰含水層仍具有突水危險性，應(yīng)時刻加強礦井水文監(jiān)測預(yù)警工作，考慮隱伏斷層存在條件下的底板破壞深度最值來制定底板防治水措施。

3 現(xiàn)場測試

3.1 鉆孔探測設(shè)備

本次井下底板采動裂隙發(fā)育深度及程度觀測采用鉆孔彩色電視系統(tǒng)，主要包括高清攝像頭、專用信號傳輸電纜、主機系統(tǒng)、深度計數(shù)器、三腳架、探頭導(dǎo)向輪等，鉆孔電視探測系統(tǒng)如圖3。

圖3 鉆孔電視探測系統(tǒng)Fig.3 Drilling television detection system

通過自帶光源攝像探頭能夠全方位顯現(xiàn)孔內(nèi)巖層巖性、構(gòu)造、裂隙等地質(zhì)情況，通過孔內(nèi)圖像裂隙分布深度及發(fā)育程度分析采動應(yīng)力作用下底板最大破壞深度。

3.2 鉆孔探測方案

底板巖層的受力和變形以及分帶性特征是鉆孔實測的理論基礎(chǔ)，依據(jù)底板破壞的理論特征，設(shè)計底板采動破壞帶的實測鉆孔。設(shè)計鉆場位于該工作面的輔運巷內(nèi)某一斷層附近，觀測鉆孔的孔位、終孔深度、鉆孔傾角、鉆孔結(jié)構(gòu)是保障鉆孔電視系統(tǒng)安全、準確、直觀呈現(xiàn)孔內(nèi)巖體裂隙發(fā)育情況的關(guān)鍵因素。觀測鉆孔實際設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 觀測鉆孔實際設(shè)計參數(shù)Table 2 Actual design parameters of observation borehole

3.3 探測結(jié)果

工作面推過觀測鉆孔50 m 時，截取不同孔深的孔壁巖體變形破壞清晰圖像如圖4。

圖4 不同孔深的鉆孔電視圖像Fig.4 Television images of drilling holes of different depths

受歷史地質(zhì)作用影響，目前存在條件下的煤層底板巖體內(nèi)部普遍發(fā)育有角度紊亂、寬窄不一的裂隙結(jié)構(gòu)面，采礦活動引發(fā)原始應(yīng)力失衡-再平衡過程，采動壓剪應(yīng)力造成煤層底板裂隙的擴展與貫通，沿最低能量應(yīng)力路徑突破形成更大面積的連續(xù)弱面，且在底板空間不同深度表現(xiàn)出不同的礦壓破壞現(xiàn)象。圖4（a）為孔深21.42 m 位置，對應(yīng)垂深14.88 m，出現(xiàn)了大角度傾斜“環(huán)形”的層疊狀破壞圈，破裂面上下巖體完整型較好，分析地質(zhì)成因是此處存在弱膠結(jié)型結(jié)構(gòu)面且對礦壓傳遞有阻抗作用。圖4（b）為孔深31.28 m 位置，對應(yīng)垂深21.73 m，明顯看出原巖應(yīng)力發(fā)生巨大變化導(dǎo)致的破碎性貫通裂縫，裂縫形態(tài)表現(xiàn)出以橫向為主、縱向交叉貫通的特點，總體上仍呈現(xiàn)出裂紋貫通型“環(huán)形”破壞圈的特征，但環(huán)形圈的角度較小裂紋寬度較??；圖4（c）與圖4（b）距離較近，周圍孔壁巖體破環(huán)特征總體相似但破壞程度強于圖4（b），呈現(xiàn)出裂縫貫通型“環(huán)形”破壞圈的特征，裂縫寬度較大；受鉆孔傾角影響，孔壁巖體“環(huán)形”破壞圈在表現(xiàn)出寬窄范圍的差異。圖4（d）位于孔深35.64 m，對應(yīng)垂深24.76 m，橫向裂縫的“環(huán)形”破壞圈的輪廓仍很明顯，但裂縫連接性減弱，出現(xiàn)離散的多角度交叉裂縫和高角度縱向裂縫，巖體破壞程度明顯減弱。圖4（e）位于孔深40.48 m，對應(yīng)垂深28.12 m，可以看出裂縫數(shù)量急劇減小，但出現(xiàn)了長度與寬度均較大的單一裂縫，裂縫出現(xiàn)向上擴展的趨勢，分析裂縫成因是底板巖體采后卸荷作用，孔壁周邊巖體完整性較好。受限于沖孔水壓，觀測鉆孔孔底仍存有少量巖粉，探測儀器未完全放入空底，但通過圖4（f）可看出在孔深41.99 m 處，對應(yīng)底板垂深29.12 m，孔壁巖體完整，未觀測到明顯裂紋，表明底板巖體礦壓傳遞破壞能力到此已經(jīng)十分微弱，此處以深巖體能夠抵抗底板采動卸荷作用而保持自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。綜上分析得出，該工作面底板采動裂隙發(fā)育最大深度在29 m 左右。

利用鉆孔彩色電視系統(tǒng)實測得出的煤層底板采動最大破壞深度與實際采礦地質(zhì)條件下采用數(shù)值模擬研究方法得出的計算結(jié)果誤差為3.4%左右，說明了數(shù)值模擬結(jié)果的合理性。

4 結(jié) 論

1）隨工作面推進底板巖體經(jīng)歷壓縮-膨脹-重新壓實的循環(huán)過程，采動應(yīng)力變化導(dǎo)致底板塑性區(qū)范圍不斷擴大，底板破壞深度漸進增加，距底板隱伏斷層遠處的完整型底板巖體最大破壞深度約為18 m；靠近隱伏斷層的底板巖體引起應(yīng)力集中，更利于底板破壞，最大破壞深度約為28 m。隱伏斷層是促進底板破壞深度增加的積極因子。

2）受隱伏斷層存在的影響，底板巖體采動破壞范圍呈現(xiàn)出以過隱伏斷層定點豎軸為對稱軸的正“八”字型破壞形態(tài)。

3）底板在礦壓作用下出現(xiàn)多角度交叉裂隙，在孔深31 m 左右處（垂深21.5 m）破碎最為嚴重，采動破壞深度最值約為29 m，與數(shù)值模擬結(jié)果相差3.4%左右。