煤層底板隱伏斷層承壓水導(dǎo)升機(jī)制研究

楊 鵬

(山西懷仁中能蘆子溝煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 朔州 038300)

隨著賦存條件良好的資源開(kāi)采殆盡,煤炭資源開(kāi)采向深部轉(zhuǎn)移。由于深部地層隱伏斷層具有發(fā)育廣、分布密集等特點(diǎn),在水文地質(zhì)環(huán)境惡劣的井田中,底板隱伏斷層容易成為誘發(fā)礦井水害的重要影響因素[1-2]。

底板承壓水在隱伏斷層中的導(dǎo)升機(jī)制是揭示工作面與采空區(qū)底板突水的關(guān)鍵問(wèn)題[3-4],作為天然的導(dǎo)水通道,隱伏斷層對(duì)隔水層的隔水能力具有明顯的劣化作用[5]。劉志軍等[6]通過(guò)有限元程序建立了流固耦合模型,分析了斷層要素與突水規(guī)律之間的聯(lián)系。王進(jìn)尚等[7]建立了斷層導(dǎo)升力學(xué)模型與臨界突水解析式。張鵬等[8]基于理論分析和數(shù)值模擬方案總結(jié)了斷層活化狀態(tài)下的采空區(qū)滯后突水機(jī)制。

在已有的研究成果中,學(xué)者對(duì)斷層與突水之間的力學(xué)聯(lián)系進(jìn)行了多方位研究,然而對(duì)于斷層分布形式的研究較少。為深入研究采動(dòng)過(guò)程中的不同斷層分布形式下承壓水導(dǎo)升機(jī)制,運(yùn)用數(shù)值模擬方法,建立正、逆斷層模型,分析采動(dòng)應(yīng)力影響下2種斷層的承壓水導(dǎo)升機(jī)制,以期為礦井防治水工作提供指導(dǎo)。

1 底板隱伏斷層承壓水?dāng)?shù)值建模

底板隱伏斷層作為誘發(fā)礦井水害的典型地質(zhì)構(gòu)造常常危害礦井的安全生產(chǎn)工作,采動(dòng)過(guò)程中伴隨的采動(dòng)應(yīng)力促使隔水層巖體裂隙快速發(fā)育,為底板承壓水提供導(dǎo)升通道。由于底板承壓水受采動(dòng)應(yīng)力影響下的發(fā)育規(guī)律復(fù)雜,為研究正逆斷層對(duì)承壓水導(dǎo)升機(jī)制的影響,采用數(shù)值模擬方法對(duì)底板滲流場(chǎng)演化規(guī)律進(jìn)行分析。運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,通過(guò)流固耦合模塊與fish語(yǔ)言進(jìn)行建模與計(jì)算分析。

建立350 m×350 m×166 m的數(shù)值模型,其中隔水層高度為60 m,斷層在煤層走向170 m處,共設(shè)置兩種斷層類(lèi)型,分別為正斷層與逆斷層,工作面采高為6 m,回采過(guò)程中,在采區(qū)四周邊界留設(shè)100 m隔離煤柱,每次開(kāi)挖步距為10 m,數(shù)值模型建模示意圖如圖1所示。數(shù)值模擬采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型模擬巖體,采用fluid fl_isotropic模擬承壓水滲流過(guò)程。固定模型四周與底部邊界,在上方施加20 MPa垂直地應(yīng)力,承壓水壓力設(shè)置為7 MPa.根據(jù)蘆子溝煤礦鉆孔取芯巖石的力學(xué)測(cè)試結(jié)果,所模擬的3號(hào)煤層與頂?shù)装鍘r性參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬模型參數(shù)

圖1 底板隱伏斷層數(shù)值模型

2 隱伏正斷層涌水通道分析

為探明隱伏正斷層對(duì)底板承壓水演化過(guò)程的影響,對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行開(kāi)挖計(jì)算,繪制工作面推進(jìn)90 m、110 m、130 m、150 m的塑性區(qū)與滲流場(chǎng)演化云圖如圖2所示。

圖2 正斷層條件下采動(dòng)過(guò)程中塑性區(qū)與滲流場(chǎng)演化云圖

當(dāng)工作面推進(jìn)90 m時(shí),在滲流場(chǎng)方面,底板含水層受到擾動(dòng)應(yīng)力呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中區(qū),即為強(qiáng)滲透區(qū),此區(qū)域位于采空區(qū)的正下方,鄰近正斷層的左側(cè),底板含水層向正斷層內(nèi)部匯聚,由正斷層尖端向工作面推進(jìn)方向發(fā)展。在塑性區(qū)方面,煤層底板受采動(dòng)影響的塑性區(qū)發(fā)育深度約為20 m,并且主要以剪切破壞與拉伸破壞為主,并未貫通底板含水層,對(duì)于含水層具有隔水能力。

當(dāng)工作面推進(jìn)110 m時(shí),在滲流場(chǎng)方面,底板含水層出現(xiàn)明顯的剪切破壞與拉伸破壞塑性區(qū),表明此時(shí)承壓水已經(jīng)具有突破隔水層的能力,在逆工作面推進(jìn)方向上形成突水通道1,工作面的水頭沿橫向進(jìn)行轉(zhuǎn)移。在塑性區(qū)方面,底板塑性區(qū)深度進(jìn)一步擴(kuò)展,并表現(xiàn)出明顯的“V”字形發(fā)育趨勢(shì),底板破壞深度約為30 m,即將貫通底板含水層,隔水能力已進(jìn)入臨界點(diǎn)。

當(dāng)工作面推進(jìn)130 m時(shí),在滲流場(chǎng)方面,底板含水層已經(jīng)完全貫通底板的塑性區(qū),含水層承壓水聯(lián)通采空區(qū)底板的涌水通道以正斷層作為基礎(chǔ),并且發(fā)育完全,即突水通道2。在塑性區(qū)方面,地板塑性區(qū)擴(kuò)展深度在涌水通道形成后并無(wú)明顯變化,其演化趨勢(shì)主要沿工作面推進(jìn)方向,向橫向轉(zhuǎn)移,由“V”字形轉(zhuǎn)變?yōu)椤癢”形。

當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至150 m時(shí),突水通道2的寬度發(fā)生宏觀擴(kuò)展,并且在正斷層的涌水入口處出現(xiàn)強(qiáng)滲透區(qū)域,對(duì)采空區(qū)底板突水具有促進(jìn)作用,進(jìn)一步深化了底板“W”形塑性區(qū)發(fā)育特征。

3 隱伏逆斷層涌水通道分析

為探明隱伏逆斷層對(duì)底板承壓水演化過(guò)程的影響,對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行開(kāi)挖計(jì)算,繪制工作面推進(jìn)90 m、110 m、130 m、150 m的塑性區(qū)與滲流場(chǎng)演化云圖如圖3所示。

圖3 正斷層條件下采動(dòng)過(guò)程中塑性區(qū)與滲流場(chǎng)演化云圖

當(dāng)工作面推進(jìn)90 m時(shí),在滲流場(chǎng)方面,由于采動(dòng)應(yīng)力集中與斷層的分布影響,含水層出現(xiàn)強(qiáng)滲透區(qū),同時(shí)由于逆斷層導(dǎo)水壓力的方向與工作面推進(jìn)方向相反,承壓水在逆斷層附近出現(xiàn)水頭轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。在塑性區(qū)方面,工作面底板塑性區(qū)發(fā)育深度相較于正斷層情況下較淺,約為16 m,原因是當(dāng)采空區(qū)開(kāi)外后產(chǎn)生的擾動(dòng)應(yīng)力在斷層處的應(yīng)力分量分布形式不同,正斷層所受應(yīng)力分量沿?cái)鄬幼呦蛳蛳聲r(shí)對(duì)于斷層具有剪切作用力,而逆斷層所受應(yīng)力分量沿?cái)鄬幼呦蛳蛳聲r(shí)對(duì)于斷層的剪切作用力較小。

當(dāng)工作面推進(jìn)110 m時(shí),在滲流場(chǎng)方面,在逆工作面推進(jìn)方向上出現(xiàn)滲流通道,含水層輕微發(fā)育塑性區(qū),其發(fā)育范圍低于正斷層模型。在塑性區(qū)方面,底板塑性區(qū)主要以剪切破壞與拉伸破壞為主,塑性區(qū)擴(kuò)展范圍與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系并不明顯。

當(dāng)工作面推進(jìn)130 m時(shí),在滲流場(chǎng)方面,在斷層附近的含水層塑性區(qū)快速發(fā)育,受斷層的應(yīng)力集中作用,在逆斷層的尖端出現(xiàn)原位張裂區(qū),此區(qū)域的產(chǎn)生受承壓水的影響較小,主要為采動(dòng)應(yīng)力造成的塑性破壞。在塑性區(qū)方面,工作面底板塑性區(qū)深度約為19 m,隨工作面的推進(jìn)逐漸延長(zhǎng)。

當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至150 m時(shí),在逆斷層兩側(cè),塑性區(qū)大量發(fā)育,承壓水應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯,在隔水層中間位置出現(xiàn)對(duì)稱(chēng)原位張裂區(qū)。底板塑性區(qū)的發(fā)育深度基本固定在20 m左右,不具備貫通隔水層裂隙帶的能力。

4 采動(dòng)影響下底板隱伏斷層突水機(jī)理

回采工作面與采空區(qū)中的底板突水受到采動(dòng)應(yīng)力與含水層壓力的耦合作用。根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果分析可知,隨著工作面的持續(xù)推進(jìn),當(dāng)工作面推進(jìn)到130 m后,底板由采動(dòng)應(yīng)力引發(fā)的底板塑性破壞區(qū)深度基本不變,表明采動(dòng)作用造成底板破壞的能力具有極限性。因此,當(dāng)隔水層厚度足夠大時(shí),可以在根本上避免導(dǎo)水裂隙的聯(lián)通。然而由于隱伏斷層的存在,將弱化隔水層的隔水能力,同時(shí)受制于正、逆斷層的分布形式,底板含水層的導(dǎo)升機(jī)制也存在差異性。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果表明:①正、逆斷層類(lèi)型對(duì)采動(dòng)塑性區(qū)的發(fā)育形式具有主導(dǎo)作用,當(dāng)?shù)装鍨檎龜鄬訒r(shí),采動(dòng)過(guò)程中的底板破壞形式為“V”形向“W”形的演變,當(dāng)?shù)装鍨槟鏀鄬訒r(shí),底板將會(huì)在隔水層中間位置出現(xiàn)對(duì)稱(chēng)原位張裂區(qū);②正、逆斷層均率先在后方產(chǎn)生突水通道1,而后在斷層正方產(chǎn)生突水通道2,此現(xiàn)象與工程實(shí)際中采空區(qū)突水的滯后現(xiàn)象相吻合;③采動(dòng)應(yīng)力對(duì)正斷層的活化作用高于逆斷層,原因是當(dāng)采空區(qū)開(kāi)外后產(chǎn)生的擾動(dòng)應(yīng)力在斷層處的應(yīng)力分量分布形式不同,正斷層所受應(yīng)力分量沿?cái)鄬幼呦蛳蛳聲r(shí)的剪切作用力大于逆斷層。

綜上分析,隱伏斷層具有良好的導(dǎo)水、儲(chǔ)水性能,是煤層底板發(fā)生突水事故的充分條件,其誘發(fā)突水的關(guān)鍵在于受到采動(dòng)影響時(shí),斷層塑性區(qū)與底板塑性區(qū)是否可以形成貫通連接。為此,可將底板隱伏斷層模型劃分為隱伏斷層采動(dòng)活化區(qū)、阻隔水區(qū)、采動(dòng)影響區(qū)。如圖4與圖5所示。

圖4 采動(dòng)影響下底板正斷層突水機(jī)理示意

圖5 采動(dòng)影響下底板逆斷層突水機(jī)理示意

正斷層中的采動(dòng)影響區(qū)具有“W”形的發(fā)育特征,與斷層采動(dòng)活化區(qū)的導(dǎo)通能力更強(qiáng),逆斷層中的采動(dòng)活化區(qū)主要向工作面推進(jìn)的反向發(fā)展,與采動(dòng)影響區(qū)的導(dǎo)通能力較弱,不易誘發(fā)底板突水災(zāi)害。斷層采動(dòng)化區(qū)兩側(cè)為承壓水導(dǎo)升帶,在采動(dòng)應(yīng)力集中的影響下,將作為斷層采動(dòng)活化區(qū)的充水水源導(dǎo)通煤層底板。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 正、逆斷層類(lèi)型對(duì)采動(dòng)塑性區(qū)的發(fā)育形式具有主導(dǎo)作用,當(dāng)?shù)装鍨檎龜鄬訒r(shí),采動(dòng)過(guò)程中的底板破壞形式為“V”形向“W”形的演變,當(dāng)?shù)装鍨槟鏀鄬訒r(shí),底板將會(huì)在隔水層中間位置出現(xiàn)對(duì)稱(chēng)原位張裂區(qū)。

2) 采動(dòng)作用造成底板破壞深度不會(huì)隨推進(jìn)距離的增加而繼續(xù)擴(kuò)展。底板突水通道從斷層后發(fā)育時(shí)間快于斷層前方。當(dāng)采空區(qū)開(kāi)外后產(chǎn)生的擾動(dòng)應(yīng)力在斷層處的應(yīng)力分量分布形式不同,正斷層所受應(yīng)力分量沿?cái)鄬幼呦蛳蛳聲r(shí)的剪切作用力大于逆斷層。采動(dòng)應(yīng)力對(duì)正斷層的活化作用高于逆斷層。

3) 將底板隱伏斷層模型劃分為隱伏斷層采動(dòng)活化區(qū)、阻隔水區(qū)、采動(dòng)影響區(qū)。斷層采動(dòng)化區(qū)兩側(cè)為承壓水導(dǎo)升帶,在采動(dòng)應(yīng)力集中的影響下,將作為斷層采動(dòng)活化區(qū)的充水水源導(dǎo)通煤層底板。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步揭示了斷層對(duì)于承壓水的導(dǎo)升機(jī)制。