綜放工作面過斷層群上覆巖層導(dǎo)水通道形成機(jī)理研究

鄒光華 張 超 田 多 師皓宇 趙啟峰 姚 鑫 鄧 毅

（華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京101601）

我國是世界上煤礦水害最為嚴(yán)重的國家之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水害在煤礦重、特大事故中是僅次于瓦斯爆炸的重大災(zāi)害［1］，其中與斷層有關(guān)的突水事故占80%左右，斷層活化是導(dǎo)水事故產(chǎn)生的重要原因［2］，斷層突水機(jī)理和防控技術(shù)是煤礦生產(chǎn)亟待解決的重點(diǎn)問題［3］。導(dǎo)水通道一般是在采動(dòng)作用下導(dǎo)致斷層活化而形成的，“力”或“應(yīng)力”是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或賦存狀態(tài)的重要原因［4］，因此采場圍巖應(yīng)力分布仍是斷層導(dǎo)水的研究重點(diǎn)。由于斷層或地塹構(gòu)造對應(yīng)力場具有分化切割作用，使得采場圍巖的應(yīng)力環(huán)境和破斷特征變得更為復(fù)雜。近年來，諸多學(xué)者開展了大量有關(guān)斷層導(dǎo)水的研究工作［5-6］，如工作面推進(jìn)方向?qū)Σ蓤鰢鷰r應(yīng)力變化特征和斷層活化特性的影響［7］；斷層傾角斷距與斷層活化之間的關(guān)系［8-9］；或開展斷層底板突水機(jī)理研究［10］；或建立隔水關(guān)鍵層活化力學(xué)模型，給出斷層活化滑移條件［11-12］，這些研究成果對煤礦安全生產(chǎn)起到了較好的推進(jìn)作用。從以往的研究來看，理論計(jì)算、數(shù)值模擬、相似模擬等仍是主要的研究手段，其中數(shù)值模擬具有高效率、低成本的優(yōu)勢，可以直觀顯示采場圍巖應(yīng)力分布和斷層突水通道的形成過程［13-14］，迄今為止仍是采場圍巖分析中重要而有效的方法之一。但導(dǎo)水通道的形成是一個(gè)復(fù)雜的過程，是覆巖離層、斷層活化、拉斷破壞、剪切破壞等綜合作用的結(jié)果。本研究結(jié)合中煤平朔井工三礦34201綜放工作面實(shí)際地質(zhì)情況，綜合考慮斷層、覆巖層理、圍巖應(yīng)力場等多重因素，采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，研究該工作面在通過斷層群和地面水塘過程中上覆巖層塑性破壞狀態(tài)和應(yīng)力場分布特征，確保安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

34201工作面為中煤平朔井工三礦二采區(qū)的首采工作面，南鄰輔運(yùn)大巷，北鄰邊界煤柱，西鄰采區(qū)邊界；東鄰34202工作面。工作面地面標(biāo)高1 340.3～1 390.7 m，井下標(biāo)高1 064.6～1 225.8 m。34201工作面煤層及圍巖屬于石炭系上統(tǒng)太原組上部含煤巖段，總體走向?yàn)?00°～126°，東坡向斜北翼傾向?yàn)?90°～216°，南翼傾向?yàn)?0°～36°，煤層傾角為2°～17°，平均9°。煤層厚度為4.98～14.21 m，平均8.36 m，煤層硬度f=1～3。老頂為平均厚度6.42 m的K4砂巖，粗粒砂狀結(jié)構(gòu)，直接底板為平均厚度3.49 m的砂質(zhì)泥巖，老底為平均厚度3.54 m的中細(xì)粒砂巖。34201工作面東坡向斜核部斷層裂隙較為發(fā)育，屬于防治水工作的重點(diǎn)區(qū)域。該區(qū)域地表有一水塘，南北寬50～145 m，東西寬約260 m，水域面積1.5萬m2，水量約1.5萬m3，位于34201主運(yùn)巷上方。34201工作面掘進(jìn)過程中共揭露斷層32條，其中34201主運(yùn)巷揭露2條大斷層Fs27和Fs28，最大落差為15 m，并形成地塹（圖1、圖2），工作面采用綜采放頂煤回采工藝，一次采全高，機(jī)采采高為3.3 m。

2 數(shù)值計(jì)算模型建立

本研究構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型長和高分別為600 m和150 m，采用放頂煤開采，其中采高為3.3 m，采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則運(yùn)算［15-16］。依據(jù)力學(xué)試驗(yàn)獲得各巖層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。采深按300 m計(jì)，左右邊界為水平約束，下邊界垂直約束，模型頂部承載上覆巖層載荷。在各巖層之間設(shè)置層理參數(shù)，法向剛度8 GPa，切向剛度8 GPa，摩擦角為15°，計(jì)算模型設(shè)置22個(gè)測點(diǎn)（表2），以監(jiān)測其位移變化和應(yīng)力變化情況，計(jì)算模型如圖3所示。

3 層狀覆巖應(yīng)力分布特征

采場的垂直應(yīng)力云圖和水平應(yīng)力云圖如圖4（a）和圖4（b）所示。當(dāng)工作面推過地塹構(gòu)造、采空區(qū)頂板基本穩(wěn)定后，采空區(qū)上方包括Fs27和Fs28斷層均處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，工作面前方煤壁及其上方為應(yīng)力升高區(qū)，最大垂直應(yīng)力為17.86 MPa。由于斷層和層理的存在，采空區(qū)頂板上方的應(yīng)力分布可能更為復(fù)雜。當(dāng)斷層面所受切向應(yīng)力大于其抗剪強(qiáng)度時(shí)，可能受到切向破壞而發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，當(dāng)斷層面所受法向拉應(yīng)力大于其黏聚力時(shí)，斷層上下盤離層。圖4（b）中較大拉應(yīng)力大小為2.768 MPa，大于巖體的抗拉強(qiáng)度，表明拉應(yīng)力區(qū)巖體將發(fā)生塑性破壞，上覆巖層的拉應(yīng)力區(qū)大致呈“S”型或“Z”型，即當(dāng)拉應(yīng)力區(qū)、層理、斷層相互貫通時(shí)，采空區(qū)有突水危險(xiǎn)。

最大、最小應(yīng)力云圖如圖4（c）和圖4（d）所示。在采空區(qū)上方巖層的最大主應(yīng)力分布為一拱形圈，拱梁下厚而上?。欢钚≈鲬?yīng)力分布為“樹冠型”，根據(jù)摩爾庫倫準(zhǔn)則可知，當(dāng)σ1=ζσ3+σc時(shí)，巖體發(fā)生破壞，反之，則不破壞，ζ值與摩擦角有關(guān)，σc為單軸抗壓強(qiáng)度［17］。因此較大最大主應(yīng)力和較小最小主應(yīng)力的交叉區(qū)域巖體更容易發(fā)生破壞［18-19］，且其破壞形式主要為剪切破壞。采場圍巖的剪應(yīng)力云圖如圖4（e）所示，剪應(yīng)力集中區(qū)主要分布在煤壁上方并向采空區(qū)方向傾斜，其最大剪應(yīng)力大小為7.99 MPa，將較大的最大主應(yīng)力和較小的最小主應(yīng)力放在一個(gè)圖形上，得到的交叉區(qū)域即為易發(fā)生剪切破壞區(qū)域，如圖4（f）所示。當(dāng)交叉區(qū)域與拉應(yīng)力區(qū)域貫通時(shí)，可能形成導(dǎo)水通道。在較大的最大主應(yīng)力拱形圈內(nèi)巖體破壞以剪切破壞為主，拱形圈內(nèi)巖體破壞則以拉伸破壞為主。就本模型而言，拉應(yīng)力區(qū)域尚未貫通，最大剪應(yīng)力仍未達(dá)到巖體的抗剪強(qiáng)度，因此地表水對采空區(qū)的威脅不大。

4 上覆巖層活動(dòng)特征

測點(diǎn)1～24的垂直位移變化曲線如圖5所示。由圖5（a）可知：層理1全部發(fā)生離層，F(xiàn)s27和Fs28斷層之間的離層量最大為1.4 m，測點(diǎn)3和測點(diǎn)4之間的位移差從162 000步開始逐漸增大，此時(shí)工作面推過斷層Fs27；測點(diǎn)5和測點(diǎn)6之間的位移差從145 000步開始逐漸增大，此時(shí)工作面推過斷層Fs28；從而表明斷層對層理1的離層影響較大。由圖5（b）可知：層理2的部分區(qū)域發(fā)生明顯離層，最大離層位置在兩斷層之間，離層量約0.5 m；測點(diǎn)9和測點(diǎn)10之間發(fā)生離層時(shí)間約157 000步，測點(diǎn)11和測點(diǎn)12之間發(fā)生離層時(shí)間約145 000步。由圖5（c）可知：層理3僅在地塹區(qū)域發(fā)生離層，離層量約0.2 m，開始離層時(shí)間約145 000步。由圖5（c）可知：層理4的3對測點(diǎn)均按照相同的速度下沉，表明層理4尚未離層。

5 導(dǎo)水通道空間分布特征

工作面推過Fs27斷層170 m時(shí)的垂直位移如圖6所示，塑性破壞區(qū)分布如圖7所示。在Fs27斷層后方的K4砂巖垂直位移量較大，最大達(dá)到4 m左右，可判斷采空區(qū)頂板上方16 m左右的巖體已經(jīng)垮落，而在頂板上方16～59 m之間的中砂巖也有一定的下沉量，約1 m；在Fs27斷層前方100 m左右范圍內(nèi)的粗砂巖垂直位移量較大，采空區(qū)頂板上方6 m左右完全垮落［20］。此時(shí)采空區(qū)上方有拉伸破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)，而離層主要發(fā)生在砂質(zhì)泥巖層及以下部分（采空區(qū)頂板上方73 m以內(nèi)），采場圍巖的塑性破壞區(qū)、斷層活化區(qū)、巖層離層區(qū)與地面水塘尚未相互導(dǎo)通，其上方的粗砂巖、砂質(zhì)泥巖和黏土層仍可形成隔水層。

6 結(jié)論

以中煤平朔井工三礦34201綜放工作面過斷層群為工程背景，建立了與實(shí)際條件大致吻合的數(shù)值模型，分析了工作面推過斷層群的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力和剪應(yīng)力等分布特征，追蹤了不同層位測點(diǎn)的位移過程，獲得了采場頂板上方塑性區(qū)、斷層面、巖層層理的活動(dòng)狀態(tài)，分析了導(dǎo)水通道形成機(jī)理。得到以下結(jié)論：

（1）在層理發(fā)育的地質(zhì)條件下，上覆巖層的拉應(yīng)力區(qū)大致呈“S”型或“Z”型分布；最大主應(yīng)力大致呈拱形分布，拱梁下厚而上?。蛔钚≈鲬?yīng)力分布為“樹冠型”，較大最大主應(yīng)力與較小最小主應(yīng)力區(qū)域存在交叉，在交叉區(qū)域內(nèi)，巖體更容易發(fā)生剪切破壞，當(dāng)拉伸破壞區(qū)、剪切破壞區(qū)以及離層區(qū)均與斷層貫通時(shí)，上覆巖層導(dǎo)水通道即可形成。

（2）導(dǎo)水通道主要是由頂板上方離層區(qū)、斷層面以及剪切破壞區(qū)等相互連通而形成，因此針對類似條件，可采取采空區(qū)充填、降低采高、離層注漿等措施，以防導(dǎo)水通道貫通。

（3）34201工作面過斷層Fs27和Fs28斷層群時(shí)，F(xiàn)s27和Fs28斷層均有一定范圍的錯(cuò)動(dòng)活化，采空區(qū)離層主要發(fā)生在頂板上方73 m以內(nèi)；采取降低采高等措施后，有效控制了上覆巖層的塑性破壞區(qū)、斷層活化區(qū)的發(fā)育范圍，保證了安全生產(chǎn)。