底板滲流應(yīng)力耦合破壞與遞進(jìn)導(dǎo)升協(xié)同突水演變規(guī)律研究

王進(jìn)尚，王 俊，姚多喜

(1.鄭州工程技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450044； 2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

目前我國煤炭開采逐步進(jìn)入深部開采階段，危險(xiǎn)程度不斷加大，高承壓水直接影響工作面底板開采的范圍越來越大，嚴(yán)重制約著深部煤炭資源的安全開采。據(jù)統(tǒng)計(jì)，底板突水事故與斷層有關(guān)所占比例在80%左右。由于地質(zhì)條件復(fù)雜性，大型礦井突水事故具有隱蔽性以及突發(fā)性，直接影響煤礦安全產(chǎn)[1-3]。

近年來，許多學(xué)者采用不同方法對隱伏斷層突水機(jī)理進(jìn)行研究，其中模擬實(shí)驗(yàn)是研究突水機(jī)制的有效方式之一。張培森等[4]采用FLAC3D的固液耦合模式對含隱伏斷層煤層回采誘發(fā)底板突水影響因素進(jìn)行了研究；王進(jìn)尚等[5-6]研制了一種煤層底板破壞與遞進(jìn)導(dǎo)升協(xié)同突水定點(diǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，直觀實(shí)現(xiàn)底板不同位置處煤層底板破壞與承壓水遞進(jìn)導(dǎo)升的情況，揭示了采場底板破壞與遞進(jìn)導(dǎo)升協(xié)同突水機(jī)理及兩者之間時(shí)空演化規(guī)律；武強(qiáng)等[7]模擬分析了斷層突水的實(shí)效性。為改善我國煤礦安全狀況，這些研究成果的取得發(fā)揮了重要作用。

由于隱伏斷層構(gòu)造突水問題本身的復(fù)雜性，煤層底板斷裂構(gòu)造千差萬別，導(dǎo)致研究學(xué)者得出底板突水的機(jī)理也有所不同，對煤層底板破壞和遞進(jìn)導(dǎo)升單獨(dú)研究比較多，但將煤層底板破壞和遞進(jìn)導(dǎo)升協(xié)同引起突水尚缺乏深入系統(tǒng)的研究。本文針對含隱伏斷層底板破壞與遞進(jìn)導(dǎo)升協(xié)同突水水力學(xué)模型，采用固液耦合計(jì)算模式、FLAC3D的變參數(shù)流變模型，對底板滲流應(yīng)力耦合破壞與遞進(jìn)導(dǎo)升協(xié)同突水演變規(guī)律進(jìn)行分析，對預(yù)測水害的發(fā)生及礦井防治水工作具有重要的實(shí)際意義。

1 工程概況

以焦作礦區(qū)所屬礦井趙固一礦16001工作面為研究背景，該工作面底板L8灰?guī)r水為主要充水水源，平均厚8.0 m，距上二1煤平均32.5 m，水壓為5.0～5.3 MPa，突水系數(shù)為0.139～0.192 MPa/m。工作面走向長901.5 m，傾向長205.5 m，二1煤層厚6.4 m，煤層傾角6°左右。煤層直接頂為厚5.3～21.7 m的砂質(zhì)泥巖，基本頂厚2.1～12.3 m的中粒砂巖；直接底為厚16.4～20.5 m的粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，基本底為厚1.8～2.2 m的L9灰?guī)r。

2 底板破壞與遞進(jìn)導(dǎo)升協(xié)同突水模型建立

以趙固一礦16001工作面F25隱伏斷層建立數(shù)值模擬模型，該斷層存在導(dǎo)水性，以其底端為中心建立模型，模型長300m，寬300m，高152m，設(shè)置310 500個(gè)塊體、324 685個(gè)節(jié)點(diǎn)，煤厚為6 m，隱伏斷層傾角為45°，寬度均為2 m，初始高度為15 m，加載水壓為5 MPa，數(shù)值模型如圖1所示，概化模型如圖2所示。一個(gè)單位厚度定義為數(shù)值模型的寬度，當(dāng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，按照平面二維應(yīng)變模型運(yùn)算，比較接近實(shí)際情況。設(shè)定模型頂部埋藏深度為580 m，取其上覆巖層模型的容重為25 kN/m3，其埋深 496 m所產(chǎn)生的壓強(qiáng)為12.4 MPa。

圖1 FLAC3D數(shù)值模擬模型Fig.1 FLAC3Dnumerical simulation model

圖2 概化模型Fig.2 Generalized model

根據(jù)焦作礦區(qū)趙固一礦地層取樣巖體實(shí)測數(shù)據(jù)資料，由于地層巖體的物理力學(xué)參數(shù)直接影響數(shù)值模擬的準(zhǔn)確程度，對巖層分類進(jìn)行整理，設(shè)計(jì)8層為不同地層，其中第3層設(shè)計(jì)為煤層，分層建立力學(xué)模型，地層巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Tab.1 Rock mechanics parameters

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際定義所建數(shù)值模型力學(xué)邊界條件，在模型塊體前后和左右邊界處施加水平約束，在頂部邊界為位移自由面，底邊界約束模型水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)。數(shù)值模擬過程如下，首先對模型荷載進(jìn)行加載，然后以步距為10 m分步開挖煤層，設(shè)計(jì)煤層開挖實(shí)際距離為200 m，開挖20次。為了減少模邊界效應(yīng)影響，留設(shè)寬50 m的煤柱在開采邊界與模型邊界之間，在基巖面頂部施加12.4 MPa壓力，數(shù)值模擬分別采用Mohr-Coulomb塑性本構(gòu)模型、Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。

3 模擬結(jié)果分析

本次試驗(yàn)主要研究煤層底板裂隙擴(kuò)展、隱伏斷層遞進(jìn)導(dǎo)升演化動(dòng)態(tài)變化，尤其兩者協(xié)同突水演變規(guī)律。對斷層處和煤層底進(jìn)行網(wǎng)格加密，用5 MPa的充水水壓對斷層進(jìn)行施壓，斷層自然導(dǎo)升高度為15 m。設(shè)置conFig.fluid滲流模式進(jìn)行開挖試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜐M足巖石力學(xué)和流體力學(xué)。煤層開挖后，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布，改變了巖石原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)。隨著工作面的開挖，在開挖影響的范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中。隨著工作面不同步距長度開挖，分析底板巖層破裂與遞進(jìn)導(dǎo)升協(xié)作用下導(dǎo)升、擴(kuò)展和突水過程規(guī)律。由于在數(shù)值模擬過程中，每開挖一步產(chǎn)生塑性區(qū)分布圖，圖量比較大，本次分析模擬其中的關(guān)鍵變化節(jié)點(diǎn)。

3.1 底板的損傷演化與滲流場耦合過程分析

隨著煤層開采，巖層原有內(nèi)部應(yīng)力重新得到分布，當(dāng)煤層底板巖層集中應(yīng)力的強(qiáng)度大于其自身臨界值時(shí)，巖石發(fā)生塑性破壞，裂隙發(fā)育擴(kuò)展，圍巖發(fā)生塑性破壞，開挖煤層附近的圍巖產(chǎn)生了塑性區(qū)。工作面開挖10、100、140 m時(shí)，底板塑性破壞分布區(qū)域如圖3、圖4和圖5所示。開采尺寸直接影響工作面圍巖的塑性破壞范圍，煤層開挖越大，煤層底板破壞區(qū)的范圍和深度都有所增大。

圖3 工作面推進(jìn)10 m底板塑性破壞分布Fig.3 Plastic failure distribution of floor in the working face advancing 10 m

圖4 工作面推進(jìn)100 m底板塑性破壞分布Fig.4 Plastic failure distribution of floor in the working face advancing 100 m

圖5 工作面推進(jìn)140 m底板塑性破壞分布Fig.5 Plastic failure distribution of floor in the working face advancing 140 m

當(dāng)煤層開挖到10 m處，斷層底部裂隙向下擴(kuò)展發(fā)生剪切破壞，最大塑性破壞深度約2 m。把煤層底板隔水厚度劃分為煤層底板破壞塑性區(qū)厚度、有效隔水厚度、遞進(jìn)導(dǎo)升高度塑性區(qū)厚度和自然導(dǎo)升高度。

當(dāng)煤層開挖到100 m處，破壞深度大大增加，由于采空區(qū)應(yīng)力釋放，在煤壁兩側(cè)應(yīng)力集中，在采空區(qū)中塑性區(qū)的范圍漸漸增大，底板破壞形態(tài)呈馬鞍形狀，最大塑性破壞深度約20 m。斷層尖端處塑性區(qū)處向上發(fā)生裂隙擴(kuò)展高度約為6 m。斷層活化性質(zhì)加深，此時(shí)斷層內(nèi)部水壓在5 MPa左右(圖6)。

圖6 工作面推進(jìn)100 m孔隙壓力云圖Fig.6 Pore pressure cloud map of working face advancing 100 m

當(dāng)煤層開挖到140 m處，底板破壞導(dǎo)水帶增大，遞進(jìn)導(dǎo)升高度繼續(xù)上升，斷層本身完全破壞，不具備阻水性能，底板的有效隔水層厚度由原來28 m降低為0 m，最大塑性破壞深度約20 m，遞進(jìn)導(dǎo)升高度為8 m，孔隙水壓力在某個(gè)臨界面變?yōu)?視為滲流場的臨時(shí)邊界，并由隱伏斷層向四周擴(kuò)散不斷減小。遞進(jìn)導(dǎo)升高度塑性區(qū)滲入底板破壞塑性區(qū)域相互連通，最后形成底板突水通道，承壓水沿突水通道裂隙進(jìn)入采空區(qū)(圖5)，工作面已經(jīng)過斷層20 m，煤層底板滯后突水事故的發(fā)生，圍巖破壞場與隱伏斷層周邊滲流場從原始的相對無聯(lián)系狀態(tài)，漸漸發(fā)展為相互聯(lián)系，圍巖塑性破壞場與滲流場漸漸耦合，塑性破壞區(qū)滲透系數(shù)急劇變化，滲流場邊緣為不連續(xù)狀態(tài)，塑性破壞區(qū)對其產(chǎn)生導(dǎo)向作用。工作面前方的塑性破壞場和斷層附近滲流場兩者逐漸對接進(jìn)而貫通，漸漸形成突水通道。工作面推進(jìn)140 m孔隙壓力云圖如圖7所示。

圖7 工作面推進(jìn)140 m孔隙壓力云圖Fig.7 Pore pressure cloud map of working face advancing 140 m

隨著工作面開挖尺寸增大，煤層底板隔水厚度被劃分為煤層底板破壞塑性區(qū)厚度、有效隔水厚度、遞進(jìn)導(dǎo)升高度塑性區(qū)厚度和自然導(dǎo)升高度發(fā)生轉(zhuǎn)化過程的厚度。在采動(dòng)與水壓兩者作用下，底板采動(dòng)裂隙自上而下協(xié)同擴(kuò)展，水壓作用在斷層內(nèi)部，導(dǎo)致斷層相對剪切而發(fā)生，導(dǎo)致底板破壞導(dǎo)水帶增大，遞進(jìn)導(dǎo)升高度繼續(xù)上升，隱伏斷層遞進(jìn)導(dǎo)升自下而上形成底板突水通道，煤層底板破壞塑性區(qū)厚度和遞進(jìn)導(dǎo)升高度塑性區(qū)厚度增加，最后減小。當(dāng)有效隔水厚度為0時(shí)，承壓水沿突水通道裂隙進(jìn)入采空區(qū)，煤層底板發(fā)生突水事故，如圖8所示。底板巖層破裂與遞進(jìn)導(dǎo)升協(xié)同突水過程可以總結(jié)為原位張裂的萌生形成自然導(dǎo)升帶→與承壓含水層溝通→遞進(jìn)導(dǎo)升帶的發(fā)育→遞進(jìn)導(dǎo)升帶與底板導(dǎo)水破壞帶連通，即煤層底板在受礦壓和水壓共同作用下，流固耦合條件下，工作面回采后底板巖層破裂與遞進(jìn)導(dǎo)升協(xié)同突水機(jī)理。

圖8 隨工作面推進(jìn)煤層底板下隔水厚度轉(zhuǎn)化關(guān)系Fig.8 Transformation relationship of the thickness of the water-resistance under the coal seam floor as the working face advances

3.2 底板突水路徑的應(yīng)力場演化過程分析

為了研究底板巖層破壞與遞進(jìn)導(dǎo)升協(xié)同突水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，分別各布置2個(gè)應(yīng)力觀測點(diǎn)在隱伏斷層的上、下2部分，研究分析采動(dòng)條件下斷層活化時(shí)應(yīng)力的變化情況。隨著工作面開挖尺寸增大，在采空區(qū)形成卸壓區(qū)，導(dǎo)致煤壁四周產(chǎn)生支承壓力，工作面兩端出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)(圖9)。

圖9 工作面推進(jìn)60、130、140 m豎向應(yīng)力云圖Fig.9 Vertical stress cloud diagram of 60，130，140 m working face advancing

由于斷層本身具有充水特性，斷層主要受水壓影響，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力比斷層內(nèi)部的應(yīng)力要低。在斷層水壓力和圍巖應(yīng)力場兩者共同耦合作用下，隨著工作面開挖尺寸增大，采動(dòng)應(yīng)力場與斷層周邊應(yīng)力場兩者逐漸相互靠近，形成圍巖發(fā)生塑性破壞、水壓致裂和滲流等不同形式的耦合破壞。當(dāng)工作面開挖到140 m處，原巖應(yīng)力得到重新分布，斷層周圍被底板卸壓區(qū)域包裹，巖層滲透性大大提高，在隱伏斷層內(nèi)相互貫通裂隙水不停運(yùn)動(dòng)，巖層裂隙內(nèi)由原來的靜水勢能變成動(dòng)能，導(dǎo)致對裂隙壁面產(chǎn)生沖刷和擴(kuò)張作用。當(dāng)?shù)装迤茐牧严杜c斷層尖端裂隙發(fā)生貫通突水，此時(shí)已過斷層正上方30 m，說明隱伏斷層發(fā)生突水有一定滯后性。

4 結(jié)論

(1)在隱伏斷層流固耦合條件下，建立了隱伏斷層底板破壞與遞進(jìn)導(dǎo)升協(xié)同突水的數(shù)值計(jì)算模型，揭示了隱伏斷層底板原位張裂隙產(chǎn)生→與承壓含水層導(dǎo)通→原位導(dǎo)升帶發(fā)育→采動(dòng)破壞帶與遞進(jìn)導(dǎo)升帶溝通→底板巖層破裂與遞進(jìn)導(dǎo)升協(xié)同突水的過程。

(2)煤層底板隔水層厚度劃分為煤層底板破壞塑性區(qū)厚度、有效隔水厚度、遞進(jìn)導(dǎo)升高度塑性區(qū)厚度和自然導(dǎo)升高度，在采動(dòng)與水壓兩者作用下，煤層底板破壞塑性區(qū)厚度和遞進(jìn)導(dǎo)升高度塑性區(qū)厚度增加，最后減小。當(dāng)有效隔水層厚度為0時(shí)，承壓水沿突水通道裂隙進(jìn)入采空區(qū)，煤層底板發(fā)生突水事故。

(3)當(dāng)工作面開挖到140 m處，原巖應(yīng)力得到重新分布，斷層周圍被底板卸壓區(qū)域包裹，巖層滲透性大大提高，在隱伏斷層內(nèi)相互貫通裂隙水不停運(yùn)動(dòng)，巖層裂隙內(nèi)由原來的靜水勢能變成動(dòng)能，導(dǎo)致對裂隙壁面產(chǎn)生沖刷和擴(kuò)張作用。當(dāng)?shù)装迤茐牧严杜c斷層尖端裂隙發(fā)生貫通突水，此時(shí)已過斷層正上方30 m，說明隱伏斷層發(fā)生突水有一定滯后性。