承壓水上含斷層煤層開(kāi)采底板突水規(guī)律研究

邊 凱，李思宇，劉 博，楊 浩，孫 輝

（河北工程大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056000）

煤炭在我國(guó)整體能源結(jié)構(gòu)中占有很大程度上的比例。隨著淺層煤炭資源日益枯竭，煤層的開(kāi)采逐步向深層位轉(zhuǎn)移。因此，底板所受到的礦壓、水壓以及開(kāi)采擾動(dòng)程度也隨之逐漸增大[1-2]。尤其是在華北地區(qū)的石炭—二疊系煤田當(dāng)中，煤層底板下伏有巨厚、極富水性的奧陶系灰?guī)r含水層，含水層各處水頭壓力變化較大，且其周?chē)刭|(zhì)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，發(fā)育有大量形態(tài)不同的斷層[3]。根據(jù)相關(guān)資料顯示，在煤礦開(kāi)采的過(guò)程中，大約有70%的突水事故是由于斷層或隱伏斷裂構(gòu)造所引起的[4]。而構(gòu)造突水的原因有很多，不能僅僅將其概化為1 個(gè)復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題，還與構(gòu)造本身的性質(zhì)、含水層的水壓力值、周?chē)刭|(zhì)環(huán)境特征以及開(kāi)采擾動(dòng)程度等諸多因素有關(guān)[5]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)于受斷層影響煤層底板突水規(guī)律進(jìn)行了較為深入的研究，提出了突水系數(shù)法、“下三帶”理論以及“關(guān)鍵層”理論等一系列的理論與假說(shuō)[6-8]。其中，徐柔石等[9]利用突水系數(shù)法與斷裂構(gòu)造分維相融合的方法，得出了更加符合實(shí)際的突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖；在“下三帶”理論[10-11]中提到：斷層附近，無(wú)論是原始導(dǎo)升帶的高度值還是底板破壞帶的深度值，都要比正常地段大許多，且在斷層處最容易突水；李青鋒等[12]基于“關(guān)鍵層”理論建立了含隔水?dāng)鄬拥母羲P(guān)鍵層活化力學(xué)模型，提出了在礦壓和水壓共同作用下的斷層采動(dòng)活化突水條件及突水機(jī)理；胡洋[13]通過(guò)采用理論分析和數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)物探相結(jié)合的方法，對(duì)承壓水上工作面內(nèi)采動(dòng)斷層活化突水過(guò)程及其影響因素進(jìn)行了研究。多數(shù)學(xué)者在研究斷層對(duì)底板突水規(guī)律影響的過(guò)程中，通?？紤]為單一角度斷層在采動(dòng)影響下斷層活化及導(dǎo)水通道的形成過(guò)程[14-15]，有關(guān)于斷層形態(tài)與承壓水壓力對(duì)突水規(guī)律影響的研究較少。而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，煤層周?chē)牡刭|(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，底板所受水壓力并不一致，且可能存在有許多在采前未探測(cè)到的斷層。為此，利用理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的方法，基于基礎(chǔ)力學(xué)原理建立力學(xué)模型，分析在煤層開(kāi)采后，工作面圍巖以及斷層附近的應(yīng)力分布情況，求解斷層突水的臨界水壓力值；運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析在不同斷層形態(tài)和承壓水壓力的條件下，當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層區(qū)域附近時(shí)，圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、滲流場(chǎng)以及破壞區(qū)之間相互耦合關(guān)系，揭示在不同情況下的煤層底板突水規(guī)律。

1 煤層開(kāi)采后圍巖破壞特征力學(xué)分析

1.1 工作面及斷層圍巖的受力分析

基于基礎(chǔ)力學(xué)原理和“下三帶”理論，建立工作面向斷層方向進(jìn)行推進(jìn)情況下的力學(xué)模型，沿煤層走向作垂直于底板的剖面，采煤工作面底板受力分布圖如圖1。

圖1 采煤工作面底板受力分布圖Fig.1 Stress distribution of coal face floor

在煤層回采的過(guò)程中，工作面前段底板在采前超前支撐壓力的作用下發(fā)生壓縮；采后由于工作面頂板未能及時(shí)垮落造成懸頂減壓，使底板發(fā)生膨脹；隨著頂板巖石發(fā)生垮落，底板受到巖石重力，再次發(fā)生壓縮。底板在壓縮-膨脹-再壓縮的過(guò)程中，導(dǎo)致圍巖及斷層區(qū)域變形破壞，產(chǎn)生位移，形成底板采動(dòng)破壞帶h1。同時(shí)在采動(dòng)礦壓與承壓水水壓的共同作用下，含水層中的承壓水沿隔水底板中的裂隙或斷裂構(gòu)造上升，形成承壓水導(dǎo)高帶h3。在采動(dòng)破壞帶與承壓水導(dǎo)高帶之間為未受煤層采動(dòng)影響，具有隔水作用的完整巖層帶h2。當(dāng)工作面底板圍巖中含有裂隙、斷層等斷裂構(gòu)造時(shí)，底板巖層的完整性將受到嚴(yán)重破壞。斷裂構(gòu)造可以降低底板巖層的穩(wěn)定性，將對(duì)盤(pán)含水層向上抬升，縮短煤層與含水層之間的距離，減少底板完整巖層帶的有效厚度，甚至完全喪失其隔水、阻水的作用。在煤層采動(dòng)所造成二次應(yīng)力場(chǎng)的影響下，靠近工作面底部的斷層及斷層中的次生裂隙發(fā)生擴(kuò)展，從而使斷層帶及其附近巖體的孔隙率大大增強(qiáng)，甚至成為承壓水涌入礦井的導(dǎo)水通道，為煤層底板發(fā)生突水創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。

在模型中以工作面首次開(kāi)采位置為原點(diǎn)，導(dǎo)水破壞帶最大深處為y 軸零點(diǎn)，工作面推進(jìn)方向?yàn)閤軸，建立二維平面直角坐標(biāo)系。假設(shè)最大導(dǎo)水破壞帶位置為地表，從完整巖層帶中取任一厚度為dz的單元體進(jìn)行采動(dòng)過(guò)程中巖層受力分析。由于在煤層底板中發(fā)育有斷層，單元體兩側(cè)受到向下的阻力分別為C+σHtanφ（C、φ 分別為完整巖層帶巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角）和CF+σHtanφF（CF、φF分別為斷層巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角），σH為水平主應(yīng)力，σν為單元體上部所受的垂直應(yīng)力。

1.2 底板突水的臨界壓力值分析

為了研究在工作面回采的過(guò)程中，煤層底板沿?cái)鄬影l(fā)生突水的情況。基于極限平衡理論，結(jié)合摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，求解斷層突水的臨界水壓力值[16-17]。通過(guò)對(duì)采動(dòng)條件下力學(xué)模型的受力分析可知，單元體的平衡方程為：

式中：L 為采空區(qū)采頂距離，m；?為斷層傾角，（°）；C 為完整巖層帶巖石的黏聚力，MPa；φ 為完整巖層帶巖石的內(nèi)摩擦角，（°）；CF為斷層巖石的黏聚力，MPa；φF斷層巖石的內(nèi)摩擦角，（°）；σH為水平主應(yīng)力，MPa；σν為單元體上部所受的垂直應(yīng)力，MPa；dz 為所選取單元體厚度，m；dσν為單元體自身所受的垂直應(yīng)力。

據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則[18]，巖體在破壞時(shí)滿(mǎn)足以下極限平衡條件：

考慮構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響因素，巖層所受水平主應(yīng)力σH為：

式中：ν 為巖石泊松比；ρ 為巖石平均密度，t/m3；Kt為構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；H 為埋深，m。

將式（3）代入式（1）中得：

解此微分方程得：

式中：A 為待確定積分常數(shù)。

根據(jù)采煤工作面底板受力分析圖，當(dāng)z=0，即完整巖層帶未受到破壞時(shí)，將σν=ρgh1代入式（6）得：

當(dāng)z=h2，即完整巖層帶已全部破壞，底板發(fā)生突水時(shí)，σν=pW-ηh3（pW為底板承壓含水層水壓，MPa），將其代入式（6）中，得到在含有斷層構(gòu)造的情況下，底板巖層所能承受的極限水壓力值為：

式中：p′為煤層底板所承受的極限水壓力值；h3為承壓水導(dǎo)高帶高度，m；η 為水頭損耗。

煤層在開(kāi)采過(guò)程中，底板巖層所承受的實(shí)際水壓力值為p。通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)p＜p′時(shí)，此時(shí)底板巖層處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以進(jìn)行安全開(kāi)采，不會(huì)發(fā)生突水事故；當(dāng)p=p′時(shí)，此時(shí)巖層處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，可能將會(huì)發(fā)生突水事故；當(dāng)p＞p′時(shí)，此時(shí)開(kāi)采不安全，會(huì)發(fā)生突水事故。

2 考慮水壓及斷層形態(tài)的底板突水?dāng)?shù)值模擬

2.1 工程地質(zhì)概況

以梧桐莊礦為例，井田內(nèi)落差>5 m 的斷層96條，落差>50 m 的斷層18 條，每平方公里內(nèi)發(fā)育有1.3條斷層，其中大部分為正斷層。目前礦井所開(kāi)采煤層為6#煤層，煤層厚度為0.74～5.74 m，平均厚度為3.18 m，其水平標(biāo)高為-500 m。下伏有巨厚，極富水性的奧陶系灰?guī)r含水層，且由于井田內(nèi)部褶曲、垂向裂隙、構(gòu)造比較發(fā)育，奧灰含水層大量補(bǔ)給煤系含水層，斷層抬升含水層，減小了底板有效隔水層的厚度，為造成較大突水事故而間接危害生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。在1995—2018 年期間，梧桐莊礦共發(fā)生有突水事故13 次，最大突水量為450 m3/h，其主要原因?yàn)樵诓删蜻^(guò)程中，臨近或突然揭露導(dǎo)水?dāng)鄬佣l(fā)生突水。

2.2 數(shù)值模擬模型

根據(jù)梧桐莊礦182102 首采工作面實(shí)際地質(zhì)環(huán)境概況，建立數(shù)值模型。針對(duì)于具體的地質(zhì)資料，采用摩爾-庫(kù)倫屈服原則構(gòu)建彈塑性本構(gòu)模型，不同形態(tài)斷層數(shù)值模型如圖2。

圖2 不同形態(tài)斷層數(shù)值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model of faults with different shapes

確定模型的尺寸為長(zhǎng)1 250 m，寬240 m，高480 m，模型中包括20 964 個(gè)單元和25 284 個(gè)節(jié)點(diǎn)。取x 軸方向?yàn)槊簩幼呦蚍较?，y 軸方向?yàn)槊簩觾A向方向，z 軸方向?yàn)槟Ｐ痛怪毕蛏戏较?。為避免在煤層采?dòng)過(guò)程中邊界效應(yīng)的影響，沿x 軸、y 軸方向兩側(cè)各留設(shè)100 m、60 m 的煤柱。模型中工作面的尺寸為長(zhǎng)500 m，寬120 m，高4.5 m。采用分步開(kāi)采的方式，沿煤層走向開(kāi)采，一次采全高，每步的開(kāi)挖距離為25 m，共計(jì)開(kāi)挖20 步。根據(jù)地層綜合柱狀圖將模型概化為19 個(gè)物理力學(xué)性質(zhì)不同的工程地質(zhì)巖組，模型中的煤層頂?shù)装鍘r層及斷層巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層及斷層巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of coal seam roof and floor slate and fault rock

煤層頂板的埋藏深度為750 m，模型頂部邊界所施加的應(yīng)力等效為上層巖土層的自身重力，取上覆巖層的平均密度為2 500 kg/m3，則等效荷載約為11.125 MPa。

模型的力學(xué)邊界條件為：模型四周邊界均施加水平位移約束，底部邊界施加水平和垂直位移約束，頂部邊界為自由面，施加方向向下的等效荷載，荷載均勻分布。滲流邊界條件為：模型底部邊界采用固定水壓邊界來(lái)模擬奧灰含水層的水壓力值，底板內(nèi)部初始水壓按照梯度水壓變化，四周及頂部邊界均為隔水邊界。在自然狀態(tài)下，煤層在開(kāi)挖前上覆巖層所產(chǎn)生的荷載以及底部的承壓水壓力已然存在，故模型在開(kāi)挖前先加載承壓水壓力以及等效重力荷載，進(jìn)行初始化，形成原始的地應(yīng)力狀態(tài)。

2.3 模擬方案

為了從應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、滲流場(chǎng)以及破壞區(qū)的共同耦合作用的角度，研究在開(kāi)采深部煤層的過(guò)程中，在不同形態(tài)斷層與承壓水水壓的作用下煤層底板突水規(guī)律，本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了5 組數(shù)值模擬方案，數(shù)值模擬方案見(jiàn)表2。

表2 數(shù)值模擬方案Table 2 Numerical simulation schemes

通過(guò)總結(jié)前人所得出的經(jīng)驗(yàn)與結(jié)論[19-20]，在工作面底板及斷層破壞明顯的區(qū)域布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)工作面推進(jìn)至25、75、100、200、350、400 m 距離時(shí)，監(jiān)測(cè)工作面底板及斷層圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、滲流場(chǎng)及破壞區(qū)的變化情況，并進(jìn)行共同耦合作用分析，數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置分布圖如圖3，其中，⑨監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層時(shí)，煤層底板變化規(guī)律；⑩監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)靠近工作面下端的斷層頂部變化規(guī)律。將方案Ⅰ、方案Ⅲ和方案Ⅴ模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出在相同斷層寬度及承壓水壓力的情況下，斷層傾角對(duì)底板突水規(guī)律的影響；將方案Ⅱ、方案Ⅲ和方案Ⅳ模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出在相同斷層傾角及承壓水壓力的情況下，斷層寬度對(duì)底板突水規(guī)律的影響；將方案Ⅲ模型結(jié)果進(jìn)行自身對(duì)比分析，得出在斷層傾角和寬度相同的情況下，承壓水壓力對(duì)底板突水規(guī)律的影響。

圖3 數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置分布圖Fig.3 Layout and distribution of numerical simulation monitoring points

2.4 結(jié)果分析

在煤層采動(dòng)前，采場(chǎng)處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。隨著工作面的推進(jìn)，受采動(dòng)應(yīng)力及承壓水壓力的影響，工作面圍巖及斷層所受應(yīng)力重新分布，巖體發(fā)生破壞產(chǎn)生位移，含水層中承壓水沿巖體破壞區(qū)向上延伸。對(duì)煤層開(kāi)采造成影響。

在工作面推進(jìn)初期，受煤層采動(dòng)的影響，頂?shù)装灏l(fā)生小范圍的破壞，應(yīng)力主要集中在工作面的正上、下方，巖體處于卸壓狀態(tài)，含水層上部發(fā)育有承壓水導(dǎo)生帶。靠近工作面底部斷層所受應(yīng)力小幅度增加，發(fā)育有向上的位移，位移量呈周期性波浪形變化；斷層底部所受應(yīng)力幾乎不發(fā)生變化，發(fā)育有向下的位移，位移程度較小。斷層所受孔隙水壓力穩(wěn)步增加。

隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)卸壓區(qū)域不斷擴(kuò)大，頂板出現(xiàn)懸頂采空區(qū)，底板出現(xiàn)減壓膨脹區(qū)，且頂板破壞區(qū)域大于底板破壞區(qū)域。工作面兩端始終處于應(yīng)力集中狀態(tài)，煤層頂板巖層發(fā)生下沉且位移量逐漸增加，并在采空區(qū)中間位置達(dá)到最大值，以采空區(qū)中部為對(duì)稱(chēng)線巖層位移量逐漸減小，靠近采空區(qū)的底板巖層受煤層減壓影響，向上位移產(chǎn)生底鼓。頂板巖層以剪切破壞為主，靠近采空區(qū)上方附近存在拉張破壞，底板受超前壓縮影響，主要受到拉張破壞。含水層上方承壓水導(dǎo)生帶再次向上發(fā)育。斷層所受應(yīng)力呈先增大后趨于平穩(wěn)的階梯式變化，當(dāng)?shù)装宄皦嚎s區(qū)剛接觸斷層時(shí)，斷層所受應(yīng)力達(dá)到最大值，隨煤層繼續(xù)回采，所受應(yīng)力呈周期性斷崖式下降?？拷ぷ髅娴撞繑鄬影l(fā)育有位移量變化程度較大的向下位移；斷層底部發(fā)育向上的位移，位移量較大。斷層所受孔隙水壓力出現(xiàn)先增大后減小的周期性變化，整體上呈現(xiàn)為增大的趨勢(shì)。

當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層區(qū)域附近時(shí)，工作面前端應(yīng)力集中區(qū)域向斷層上端轉(zhuǎn)移，且所受應(yīng)力小于后端應(yīng)力。含水層上方承壓水導(dǎo)升帶的高度幾乎不發(fā)生變化。斷層所受應(yīng)力處于最小值狀態(tài)，整體發(fā)生大幅度的向上位移，位移量呈現(xiàn)為階梯式變化。斷層周?chē)軡B流壓力出現(xiàn)變化程度較大的鋸齒狀波動(dòng)，但最大壓力幾乎不發(fā)生變化。同時(shí)，滲流場(chǎng)開(kāi)始由斷層向工作面前端方向發(fā)生漫延。在煤層回采的整體過(guò)程中，斷層始終受到拉張破壞。

底板突水主要包括突水水源與突水通道2 個(gè)因素。由分析可知，在工作面回采完成時(shí)，工作面前端已存在有承壓水壓力。因此，底板破壞區(qū)是否與斷層破壞區(qū)相連是底板發(fā)生突水的直接影響因素。在試驗(yàn)中，可通過(guò)⑨監(jiān)測(cè)點(diǎn)、⑩監(jiān)測(cè)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)的煤層底板和相鄰斷層在工作面推進(jìn)至斷層區(qū)域附近時(shí)，所受應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、滲流場(chǎng)以及破壞區(qū)共同作用情況，得出斷層形態(tài)及承壓水壓力對(duì)底板突水的影響規(guī)律。

2.4.1 斷層傾角對(duì)底板突水的影響

在斷層傾角不同的情況下，當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層區(qū)域附近時(shí)，不同傾角模型推進(jìn)至斷層時(shí)塑性破壞圖如圖4。結(jié)合⑨監(jiān)測(cè)點(diǎn)和⑩監(jiān)測(cè)點(diǎn)處煤層底板以及斷層受應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、滲流場(chǎng)以及破壞區(qū)共同作用情況，得出的⑨監(jiān)測(cè)點(diǎn)和⑩監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的垂直應(yīng)力、垂向位移及滲流壓力與斷層傾角關(guān)系圖如圖5。

圖4 不同傾角模型推進(jìn)至斷層時(shí)塑性破壞圖Fig.4 Plastic failure diagrams of models with different dip angles advancing to the fault

圖5 ⑨監(jiān)測(cè)點(diǎn)和⑩監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的垂直應(yīng)力垂向位移及滲流壓力與斷層傾角關(guān)系圖Fig.5 Relationship between vertical stress, vertical displacement, seepage pressure and fault dip at monitoring points ⑨and ⑩

對(duì)方案Ⅰ、方案Ⅲ和方案Ⅴ結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在工作面回采完成時(shí)，隨著煤層傾角的增大，煤層底板處所受垂直應(yīng)力呈現(xiàn)為整體減小的趨勢(shì)（負(fù)號(hào)代表其應(yīng)力方向向下），平均變化率為-29%，垂向位移由向上的位移變?yōu)橄蛳碌奈灰?，所受承壓水壓力變化幅度較小，平均變化率僅為-0.15%；靠近工作面底部斷層所受垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，垂向位移變化量和變化規(guī)律與煤層底板處基本一致，所受承壓水壓力幾乎未發(fā)生變化，斷層處所受垂直應(yīng)力隨傾角增大逐漸大于煤層底板處應(yīng)力。工作面底部破壞區(qū)均未與斷層破壞區(qū)相連，但底板超前壓縮區(qū)隨傾角增大而增大。這說(shuō)明承壓水壓力幾乎不隨斷層傾角的變化而變化，斷層傾角越大，工作面下部圍巖所受應(yīng)力越小，但破壞區(qū)的范圍越大，越容易發(fā)生突水。

2.4.2 斷層寬度對(duì)底板突水的影響

在斷層寬度（斷層上、下盤(pán)之間的水平距離）不同的情況下，當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層時(shí)，不同斷層寬度模型推進(jìn)至斷層時(shí)塑性破壞圖如圖6，⑨監(jiān)測(cè)點(diǎn)和⑩監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的垂直應(yīng)力、垂向位移及滲流壓力與斷層寬度關(guān)系圖如圖7。

圖6 不同斷層寬度模型推進(jìn)至斷層時(shí)塑性破壞圖Fig.6 Plastic failure diagrams of models with different fault widths advancing to the fault

圖7 ⑨監(jiān)測(cè)點(diǎn)和⑩監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的垂直應(yīng)力、垂向位移及滲流壓力與斷層寬度關(guān)系圖Fig.7 Shows the relationship between vertical stress, vertical displacement, seepage pressure and fault width at ⑨and ⑩monitoring points

對(duì)方案Ⅱ、方案Ⅲ和方案Ⅳ結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，隨斷層寬度的增大，煤層底板所受垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增大的變化，垂向位移由向上變?yōu)橄蛳挛灰?，所受承壓水壓力穩(wěn)步增大，平均變化率為6.1%；靠近工作面底部斷層受垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的變化，且變化幅度較大，并在寬度為60 m 左右時(shí)達(dá)到極值，垂向位移變化規(guī)律與底板處基本一致，所受承壓水壓力變化幅度較小。在斷層寬度為40 m 時(shí)，底板發(fā)生突水，隨斷層寬度的增大，靠近工作面前端斷層區(qū)域破壞程度變小，突水危險(xiǎn)性降低。

2.4.3 承壓水壓力對(duì)底板突水的影響

在含水層承壓水壓力不同的情況下，當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層時(shí)，不同承壓水水壓模型推進(jìn)至斷層時(shí)塑性破壞圖如圖8，⑨監(jiān)測(cè)點(diǎn)和⑩監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的垂直應(yīng)力、垂向位移及滲流壓力與承壓水水壓關(guān)系圖如圖9。

圖8 不同承壓水水壓模型推進(jìn)至斷層時(shí)塑性破壞圖Fig.8 Plastic failure diagrams of different confined water pressure models advancing to the fault

圖9 ⑨監(jiān)測(cè)點(diǎn)和⑩監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的垂直應(yīng)力、垂向位移及滲流壓力與承壓水水壓關(guān)系圖Fig.9 Relationship between vertical stress, vertical displacement, seepage pressure and confined water pressure at ⑨and ⑩monitoring points

通過(guò)對(duì)Ⅲ組模型自身結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，煤層底板與靠近工作面底部斷層所受垂直應(yīng)力與承壓水壓力均隨著含水層承壓水壓力的增大而增大，其中所受承壓水壓力的平均變化率分別為22%和24%，且位移變化規(guī)律均呈現(xiàn)為先向下后向上發(fā)生位移。斷層處所受到的垂直應(yīng)力大于煤層底板處所受到的垂直應(yīng)力，但隨著含水層中承壓水壓力的增大，斷層處所受到垂直應(yīng)力的平均變化率僅為9.9%，而煤層底板處所受到垂直應(yīng)力的平均變化率為19.7%，說(shuō)明含水層中承壓水壓力對(duì)煤層底板處的垂直應(yīng)力存在有較大的影響。同時(shí)工作面前端圍巖破壞范圍隨含水層承壓水壓力的增大而增大，并在含水層承壓水壓力為9 MPa 時(shí)發(fā)生突水。這說(shuō)明含水層承壓水壓力對(duì)工作面底部圍巖所受應(yīng)力的影響較大，且隨著含水層中承壓水壓力的增大，工作面底板巖層受到的垂直應(yīng)力也隨之快速增大，巖層發(fā)生向上的位移，當(dāng)工作面底板巖層破壞區(qū)與斷層破壞區(qū)相連時(shí)，底板發(fā)生突水。因此，隨著含水層中承壓水壓力的增大，斷層及工作面底板破壞范圍隨之增大，突水危險(xiǎn)性增大。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）基于基礎(chǔ)力學(xué)原理和“下三帶”理論，建立工作面向斷層方向進(jìn)行推進(jìn)情況下的力學(xué)模型，分析得出在工作面推進(jìn)過(guò)程中，煤層底板及斷層的受力分布情況，并計(jì)算出底板突水的臨界壓力值。

2）隨工作面的推進(jìn)至煤層回采完成的過(guò)程中，采空區(qū)卸壓區(qū)域不斷擴(kuò)大，工作面兩端存在應(yīng)力集中區(qū)；在采空區(qū)中部位移量達(dá)到最大值，兩側(cè)位移量減小，斷層整體發(fā)生大幅度的向上位移，位移量呈現(xiàn)為階梯式變化；承壓水沿?cái)鄬由仙?，并由斷層向工作面前端方向發(fā)生漫延；工作面圍巖呈現(xiàn)為“馬鞍形”的破壞形態(tài)，斷層整體受到拉張破壞。

3）在煤層回采過(guò)程中，不同斷層傾角對(duì)工作面底板圍巖所受垂直應(yīng)力的影響較大，對(duì)垂向位移及承壓水壓力影響較小，且隨傾角的增大，底板及靠近工作面底端斷層處所受的垂直應(yīng)力增大，底板超前壓縮區(qū)和工作面前端斷層破壞區(qū)范圍增大，底板突水危險(xiǎn)性增加；不同斷層寬度對(duì)工作面底板圍巖及斷層所受垂直應(yīng)力的影響較大，并在寬度60 m 左右時(shí)達(dá)到極值，對(duì)垂向位移的影響較小，且隨斷層寬度的增大工作面底板圍巖所受的承壓水壓力增大，但靠近工作面前端斷層破壞程度降低，底板突水危險(xiǎn)性降低；不同含水層承壓水壓力對(duì)工作面底板圍巖及斷層所受承壓水壓力的影響較大，隨含水層承壓水壓力的增加，其所受垂直應(yīng)力和承壓水壓力均呈增大的趨勢(shì)，且靠近工作面底端斷層破壞區(qū)增大，底板突水危險(xiǎn)性增加。