不同傾角隱伏斷層條件下的底板突水模擬研究

丁建新

(中國煤炭地質(zhì)總局第三水文地質(zhì)隊，河北邯鄲 056006)

0 引言

淺部煤炭資源逐漸被開采殆盡，煤炭開采不可避免將轉(zhuǎn)向深部，且賦存條件更加復(fù)雜危險，礦井水害一直是威脅煤礦安全的嚴重災(zāi)害之一[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，全國煤礦的48%受水害的威脅，影響儲量達250億t，其中有80%的礦井水害都是由構(gòu)造引起。傳統(tǒng)的突水系數(shù)法未考慮斷層、含水層富水性的影響，有關(guān)學(xué)者提出了相應(yīng)的改進算法[3-4]。孫建等[5]分析了底板傾斜隔水關(guān)鍵層的應(yīng)力分布、撓度特性和破斷失穩(wěn)特征，討論了采場底板突水危險區(qū)，潘銳等[6]討論了斷層影響下的臨界水壓力計算公式及其變化規(guī)律，豐富了隔水關(guān)鍵層理論。然而，礦井中常見一種斷距不大、切穿地層有限的隱伏小斷層，與中大型斷層在導(dǎo)水能力和突水影響方面存在較大區(qū)別，故對隱伏小斷層進行分析研究時不宜沿用傳統(tǒng)的大斷層理論。目前也有學(xué)者討論了隱伏導(dǎo)水?dāng)鄬拥呐R界水壓及破壞判據(jù)[7]，運用數(shù)值模擬手段再現(xiàn)了隱伏斷層突水通道形成演化過程，揭示了含隱伏斷層底板突水及通道損傷機理[8-11]，但對于隱伏斷層突水機理研究尚需進一步探討。本文采用理論分析與數(shù)值研究相結(jié)合的手段，對承壓含水層上方發(fā)育不同傾角隱伏斷層條件下的底板突水機理進行了分析與討論，可為類似條件的礦井水防治提供參考。

1 隱伏斷層導(dǎo)水機理的力學(xué)分析

隱伏斷層的破壞范圍較小，與底板之間距離較遠，常規(guī)的梁理論來分析底板突水機理已不再適用?，F(xiàn)將隱伏小斷層視為一個受到應(yīng)力及滲透壓力聯(lián)合作用下的壓剪裂紋，可以根據(jù)剪切破壞理論[10]進行分析。

當(dāng)隱伏構(gòu)造與底板形成一交角時(圖1)，則有

圖1 斷層突水地質(zhì)力學(xué)模型

F=A(P1-W+Q)

(1)

式中：F—剪切力，N；A—橫截面積，m2；P1—隱伏構(gòu)造內(nèi)正應(yīng)力，MPa；W—底板巖層自重，MPa；Q—受采動影響產(chǎn)生的高應(yīng)力，MPa。其中底板巖層自重W=rggh，rg為底板巖層容重，N/m3，h為斷層距煤層厚度，m。受采動影響產(chǎn)生的高應(yīng)力Q根據(jù)相關(guān)文獻[11]計算：

(3)

式中：rd為頂板巖層容重，N/m3;H0為煤層埋深,m。

將斷層進行模型簡化，取單位長度db，其單位長度內(nèi)剪切力可以表示為式(4)

(4)

式中：a—隱伏斷層寬度，m；b—隱伏斷層長度，m；α—斷層傾角，(°)。

而在單位長度上的抗剪力(假設(shè)σ2=σ3)見式(5)

τ=h(σ2tanθ+c)

(5)

式中：τ—剪應(yīng)力，N；θ—內(nèi)摩擦角，°；c—黏聚力，MPa。

其中σ2根據(jù)金尼科理論將其依據(jù)垂直地應(yīng)力σv進行解構(gòu)，得到式(6)

(6)

式中：μ—泊松比；v—側(cè)壓系數(shù)。

依此將式(6)代入式(5)得

(7)

根據(jù)式(1)可知總剪應(yīng)力與抗剪力存在極限平衡，此時f=τ，將式(4)與式(7)聯(lián)立求解得到水壓P2的極限值為

(8)

根據(jù)式(8)可以發(fā)現(xiàn)承壓水的極限水壓值受埋深、工作面采高、斷層距底板高度等關(guān)鍵參數(shù)影響，特別是隱伏斷層的產(chǎn)狀要素是影響極限水壓值的關(guān)鍵因素。

2 不同傾角隱伏斷層突水模擬研究

2.1 模型建立

本次模擬以山東某礦3102工作面實際地質(zhì)條件為基礎(chǔ)。工作面位于一采區(qū)，標高-209～-214m，通過物探、鉆探工程發(fā)現(xiàn)工作面下30m為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r，并含有承壓水層，同時揭露一條逆斷層F17-1，傾角30°，落差3m，距工作面底板15m。工作面煤層厚4.12m，傾角5°～7°。設(shè)計走向長800m，傾斜長140m，采用走向長壁采煤法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。承壓含水層埋藏在標高-249～-255m，基本不受上覆含水層越流補給，主要為側(cè)向補給。從鉆孔施工出水情況來看，斷層具有導(dǎo)水性，單孔涌水量最大達到80m3/h。

為方便模型計算，對工作面模型采取了簡化處理，建立的模型長度為200 m，高度為120 m，寬度為100m，煤厚4m(圖2)，運用FLAC3D的探討流固耦合條件下的隱伏斷層突水致災(zāi)機理。

圖2 數(shù)值模型

模型頂部為自由面，根據(jù)地質(zhì)條件，在上表面施加3MPa的等效載荷用以模擬上覆巖層質(zhì)量(150m)。底部固定邊界位移，垂直方向位移設(shè)置為零；限制X、Y方向兩側(cè)水平位移；將X方向設(shè)置為煤層走向。固定水壓邊界，設(shè)置承壓水層壓力為3MPa。由于在前期工作中已揭露出一條傾角為30°的小落差隱伏斷層， 且根據(jù)水文地質(zhì)可知該條斷層具備導(dǎo)水條件，為保證工作面安全高效生產(chǎn)，分別建立傾角為15°、30°、45°、60°，落差為3m的逆斷層模型，共4組分別進行模擬試驗，記為模型1-1、1-2、1-3、1-4，對不同傾角隱伏斷層對工作面突水機理進行研究。根據(jù)巖石物理力學(xué)實驗成果及工程經(jīng)驗給出巖層主要力學(xué)參數(shù)(表1)。

表1 主要巖層力學(xué)參數(shù)

2.2 不同傾角隱伏斷層的底板突水模擬結(jié)果

2.2.1 不同開采階段塑性區(qū)分布

2.2.1.1 模型1-1(隱伏斷層傾角為15°)

如圖3所示為模型1-1不同開采階段的塑性區(qū)分布情況。由切眼開始推采至20m，破壞深度達到7m。繼續(xù)開采，底板破壞范圍和破壞深度不斷增大，當(dāng)開采至100m時，底板塑性區(qū)與斷層相交，底板破壞范圍繼續(xù)增加，破壞深度達到23m。

開采20m 開采60m 開采100m

2.2.1.2 模型1-2和1-3(隱伏斷層傾角分別為30°、45°)

如圖4所示為模型1-2不同開采階段的塑性區(qū)分布情況。由切眼開采至60m時，底板破壞深度不斷增加，由8m擴大到15m，但未與斷層末梢相交，未形成連續(xù)的貫通區(qū)。當(dāng)開采至100m處底板破壞塑性區(qū)與斷層相交，此時，斷層上盤巖石破壞深度仍為15m，而下盤底板破壞深度繼續(xù)增加，最終底板破壞深度為23m。

開采20m 開采60m 開采100m

模型1-3底板破壞方式與模型1-2相似，也是在開采至100m時與斷層相交，底板破壞深度的變化趨勢也相同，最終值大小亦為23m，故不再贅述和展示。

2.2.1.3 模型1-4(隱伏斷層傾角為60°)

如圖5所示為模型1-4不同開采階段的塑性區(qū)分布情況。此時斷層長度較模型1-2、1-3短，底板破壞方式與上述模型相似，開采至60m時塑性區(qū)與斷層發(fā)生導(dǎo)通，下盤巖石相繼發(fā)生破壞，底板破壞深度由15m增加到19m，當(dāng)開采至100m時，斷層下盤巖石破壞區(qū)域擴大，破壞深度增加，達到22m，最終破壞深度亦為23m。

開采20m 開采60m 開采100m

2.2.2 不同開采階段垂直應(yīng)力分布情況

2.2.2.1 模型1-1(隱伏斷層傾角為15°)

如圖6所示為模型1-1不同開采階段垂直應(yīng)力分布情況。由開切眼開始至開采60m位置處底板破壞區(qū)域尚未與斷層接觸，此時頂?shù)装鍛?yīng)力釋放較為完全，在采場兩側(cè)產(chǎn)生較為明顯的應(yīng)力集中，此時最大應(yīng)力分別為3.8MPa。開采至100m處底板破壞區(qū)域與斷層貫通，此時近斷層處應(yīng)力發(fā)生釋放，煤壁前方最大應(yīng)力為4.2MPa。隨開采繼續(xù)，在斷層與停采線相交位置應(yīng)力降低幅度最大，同時斷層下盤巖石應(yīng)力也發(fā)生大幅度下降，此時停采線前方最大應(yīng)力為4.1MPa。

開采20m 開采60m 開采100m

2.2.2.2 模型1-2(隱伏斷層傾角為30°)

如圖7所示為模型1-2不同開采階段垂直應(yīng)力分布情況。當(dāng)開采60m位置前底板破壞與斷層距離較遠，應(yīng)力分布狀況受斷層影響較小。開采至80m處時雖破壞區(qū)域與斷層相交，此時，斷層上末梢與工作面相距較遠，受影響較小，而下末梢受采動影響應(yīng)力釋放明顯，應(yīng)力值發(fā)生較大降低，由2MPa降低至0.75MPa，此時推進方向煤壁前方應(yīng)力最大值為4.2MPa。開采至100m位置，斷層完全位于采空區(qū)下，上下兩末梢均發(fā)生較大幅度應(yīng)力下降，且受斷層應(yīng)力釋放以及下盤巖石應(yīng)力釋放影響，推進方向煤壁前方應(yīng)力最大值下降，最大值為4.0MPa。推采至120m位置，推進方向煤壁前方應(yīng)力最大值為4.1MPa。

開采20m 開采60m 開采100m

2.2.2.3 模型1-3(隱伏斷層傾角為45°)

如圖8所示為模型1-3不同開采階段垂直應(yīng)力分布情況。當(dāng)開采60m位置前垂直應(yīng)力分布情況與模型1-2相類似。開采至80m處時，斷層完全位于采空區(qū)下，此時斷層上下末梢受采動影響應(yīng)力產(chǎn)生明顯釋放，應(yīng)力值發(fā)生較大降低，下末梢由2MPa降低至0.5MPa，上末梢由2MPa下降至0.2MPa，此時推進方向煤壁前方應(yīng)力最大值為3.7MPa。開采至100、120m位置，采空區(qū)下巖層沿斷層方向應(yīng)力均釋放到0MPa，同時煤壁前方應(yīng)力最大值穩(wěn)定在4.0MPa。

開采20m 開采60m 開采100m

2.2.2.4 模型1-4(隱伏斷層傾角為60°)

如圖9所示為模型1-4不同開采階段垂直應(yīng)力分布情況。當(dāng)開采60m位置時，斷層上下末梢受采動影響開始產(chǎn)生明顯應(yīng)力釋放，此時，應(yīng)力值發(fā)生較大降低，上下末梢均由2MPa降低至0.5MP，推進方向煤壁前方應(yīng)力最大值為3.95MPa。當(dāng)推進至80m后，斷層完全位于采空區(qū)下，此時垂直應(yīng)力分布情況與模型1-3相類似，沿斷層方向巖層垂直應(yīng)力均釋放到0MPa，同時煤壁前方應(yīng)力最大值穩(wěn)定在4.0MPa。

開采20m 開采60m 開采100m

2.2.3 不同開采階段孔隙水壓力分布情況

2.2.3.1 模型1-1(隱伏斷層傾角為15°)

如圖10所示為模型1-1不同開采階段孔隙水壓力分布情況。由于底板巖層以砂巖為主，滲透性較強，孔隙水壓隨斷層逐漸向上導(dǎo)升，斷層下盤的孔隙水壓高于上盤，壓差高度約為2.5m。推采至80m處時，孔隙水壓逐漸上升至采空區(qū)，孔隙水壓最大值為0.3MPa。隨開采進行，孔隙水壓力沿開采方向向上升高，至開采120m位置，采空區(qū)底板處孔隙水壓分布較為均勻，為0.45MPa。

開采20m 開采60m 開采100m

2.2.3.2 模型1-2(隱伏斷層傾角為30°)

由圖11可知，與模型1-1相類似，斷層下盤的孔隙水壓高于上盤，但由于隱伏斷層模型1-2斷層傾角大于模型1-1，因此模型1-1斷層長度大，水壓導(dǎo)升速度慢，模型1-2壓差高度約為2.1m。當(dāng)推采至60m處時， 揭露斷層上末梢， 孔隙水壓逐漸上升至采空區(qū)，孔隙水壓最大值為0.3MPa。隨后孔隙水壓力繼續(xù)向上升高，開采至80、100m位置時，采空區(qū)底板孔隙水壓最大值分別為0.67、0.73MPa。推采至120m位置，采空區(qū)底板處孔隙水壓分布較為均勻，為0.75MPa。

開采20m 開采60m 開采100m

2.2.3.3 模型1-3(隱伏斷層傾角為45°)

由圖12可知，模型1-3孔隙水導(dǎo)升方式、分布狀態(tài)與模型1-2基本類似，但模型1-3斷層傾角更大，導(dǎo)升速度更快，相應(yīng)的壓力也較模型1-2大，壓差高度約為1.6m。當(dāng)推采至60、80m處時孔隙水壓最大值分別為0.4、0.68MPa。隨后孔隙水壓力繼續(xù)向上升高，開采至100、120m位置時，采空區(qū)底板處孔隙水壓分布較為均勻，為0.77MPa。

開采20m 開采60m 開采100m

2.2.3.4 模型1-4(隱伏斷層傾角為60°)

由圖13可知，隨斷層傾角增大，孔隙水壓差減小，模型1-4中壓差高度為四種模型中最小，約為1.2m。當(dāng)推采至60、80m處時孔隙水壓最大值分別為0.43、0.71MPa。在開采至100、120m位置后，此時的采空區(qū)底板處孔隙水壓分布均勻，為0.83MPa。

開采20m 開采60m 開采100m

3 模擬結(jié)果的討論

3.1 塑性區(qū)分布結(jié)果分析

比較1-1、1-2、1-3、1-4四種模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隱伏斷層對于塑性區(qū)的影響主要在于底板破壞深度與斷層末梢是否相互連通，與斷層傾向長度相關(guān)性不大。當(dāng)?shù)装迤茐纳疃任磁c斷層末梢相交時塑性區(qū)范圍有限，而與斷層相交后斷層下盤就會發(fā)生大面積破壞，破壞深度也進一步增大，均達到23m，表明隱伏斷層傾角越大，相同條件下導(dǎo)致下盤巖層破壞范圍越大，越容易發(fā)生突水事故。

3.2 垂直應(yīng)力分布結(jié)果分析

比較1-1、1-2、1-3、1-4四種模擬結(jié)果，可知當(dāng)隱伏斷層靠近底板破壞區(qū)時，隱伏斷層下端末梢垂直應(yīng)力大幅度降低；當(dāng)隱伏斷層完全位于采空區(qū)下，兩端末梢的垂直應(yīng)力均大幅度降低，且沿斷層方向巖層應(yīng)力同樣大幅下降。同時，隨著隱伏斷層傾角增大，推進方向的應(yīng)力集中程度也大大降低，推進方向煤壁前方的應(yīng)力最大值基本上為4.0MPa左右。

3.3 孔隙水壓力分布結(jié)果分析

比較1-1、1-2、1-3、1-4四種模擬結(jié)果，隱伏斷層的傾角對于孔隙水壓力分布有較大影響，壓差高度由傾角為15°時的2.5m逐漸減小至傾角為60°時的1.2m，采空區(qū)底板孔隙水壓力值由傾角為15°時的0.45MPa逐漸增大至傾角為60°時的0.83MPa，孔隙水壓沿開采方向擴展直至在采空區(qū)底板均勻分布。在四種模擬結(jié)果對比時發(fā)現(xiàn)，隱伏斷層上端末梢的揭露位置越靠近切眼，其孔隙水壓力值越大，受開采影響越大。

4 結(jié)論

1)依據(jù)隱伏構(gòu)造分布特征及受力狀態(tài)，運用剪切破壞理論分析了隱伏斷層構(gòu)造導(dǎo)水機理的力學(xué)原理，并依此建立了隱伏斷層構(gòu)造突水判據(jù)，認為承壓水的極限水壓值受工作面埋深、采高、隱伏斷層與底板距離以及隱伏斷層產(chǎn)狀等多種因素的影響，隱伏斷層產(chǎn)狀是其中最為重要的因素。

2)在開采過程中，隱伏斷層在承壓水影響下對底板破壞產(chǎn)生塑性區(qū)，而對塑性區(qū)的范圍的影響主要的主要參數(shù)是底板破壞深度與斷層末梢的距離。當(dāng)?shù)装迤茐纳疃任磁c斷層末梢相交時，塑性區(qū)范圍變化較小，當(dāng)隱伏斷層一側(cè)末梢位于采空區(qū)下時，底板開始發(fā)生破壞，塑性區(qū)范圍逐步擴大；當(dāng)隱伏斷層兩個末梢均位于采空區(qū)下，塑性區(qū)發(fā)生大面積破壞。

3)對采空區(qū)底板破壞深度影響最大的是斷層末梢位置，當(dāng)隱伏斷層靠近底板破壞區(qū)時，隱伏斷層下端末梢垂直應(yīng)力發(fā)生大幅度降低，此時底板塑性區(qū)開始與斷層破壞帶相連；當(dāng)隱伏斷層完全位于采空區(qū)下，兩端末梢的垂直應(yīng)力均發(fā)生大幅度降低，且沿斷層方向巖層應(yīng)力同樣發(fā)生大幅下降，此時斷層下盤巖石逐漸發(fā)生破壞，使破壞深度繼續(xù)增加，最大破壞深度達23m。

4)隨著隱伏斷層傾角增大，下盤巖層破壞范圍擴大，孔隙水壓差高度減小，由傾角為15°時的2.5m逐漸減小至傾角為60°時的1.2m，采空區(qū)底板孔隙水壓力值增加，由傾角為15°時的0.45MPa逐漸增大至傾角為60°時的0.83MPa。