承壓水上采煤斷層活化突水的數值模擬分析

梁輝+董永+周子龍

【摘 要】承壓水上采煤，斷層的產狀不同，底板突水的危險性不同。通過FLAC3D數值模擬軟件模擬斷層傾角，斷層斷距，斷層落差產狀，觀察臨界煤柱寬度進而分析不同因素對底板突水的影響。通過數值模擬可以對開采臨近斷層時的危險性進行預測，為煤礦的安全生產提供指導。

【關鍵詞】承壓水；斷層活化；突水；數值模擬

隨著我國礦井開采強度的提高和開采深度的不斷增加，開采賦存于復雜地質構造中的煤層的難度也隨之增大，據統計，60%的煤礦不同程度的受到承壓水的威脅，而承壓水的突出往往都受斷層的影響，而工作面80%的突水事故都與斷層有關[1]。本文通過FLAC3D數值模擬軟件[2]對不同產狀斷層的承壓水上采煤進行模擬，進而闡述斷層產狀不同對底板突水的影響。

1 計算模型與方案

當數值模型進入塑性階段，就可認為材料屈服而破壞，進而萌生裂隙，當底板裂隙擴展至斷層時，煤柱寬度為斷層突水的臨界煤柱寬度，此時如果斷層含承壓水，承壓水便可通過裂隙涌入工作面，而且隨著承壓水對斷層的沖刷，導致斷層的活化，進而發生嚴重的突水事故。

1.1 數值計算模型

煤層底板斷層突水的數值模型如圖1所示，模型采用三維模型，把斷層做成一個弱面，用力學性質相對于周圍巖體較低，可塑性較強的巖石代替。模型長600m，高200m，寬300m，距離地表埋深400m。模型的邊界條件為頂部施加上覆巖層等效均布載荷，模型底部限制水平和豎直的移動，四周限制水平方向的移動。模型的前后左右為不透水邊界，含水層頂部為壓力水頭邊界，壓力水頭按照模擬要求設置，為了模擬符合含水層的富含水性，設置模型底部為透水邊界，固定水頭壓力6MPa。含水層的初始飽和度設為1，含水層以上的巖層初始飽和度為0，具體參數設置參照表1。

1.2 計算方案

模擬方案中，當模擬斷層傾角時時，傾角依次取30°、45°、60°、75°；當模擬斷層落差時，落差依次取：4m，16m，24m，36m；當考慮斷層斷距時，斷距依次取：2m，5m，10m，25m。

2 斷層活化的主要因素分析

2.1 斷層傾角對斷層活化的影響

當模擬斷層傾角時，傾角依次取30°、45°、60°、75°，其它條件相同。底板塑性區的分布如圖3所示，斷層傾角和臨界煤柱寬度的關系如圖4所示。

由圖2可知，隨著斷層傾角的減小，臨界煤柱寬度成正比例增加，即小傾角的斷層更容易引起斷層突水。

2.2 斷層斷距對底板突水的影響

在對斷距的模擬中，分別取斷距為2m，5m，10m，25m四種情況進行模擬，其它條件相同，底板塑性區的分布如圖3所示，斷層傾角和臨界煤柱寬度的關系如圖4所示：

由圖4可知，斷距越大，臨界煤柱寬度越長。

2.3 斷層落差對底板突水的影響

在對斷層落差的模擬中，分別取落差為4m，16m，24m，36m四種情況進行模擬，其它條件相同，底板塑性區的分布如圖5所示，斷層落差和臨界煤柱寬度的關系如圖6所示。

由圖6可知，隨著斷層落差的增加，臨界煤柱寬度成正比例增加，即斷層落差越大，越容易引起斷層突水。

3 結論

承壓水上采煤，斷層對底板突水起到了至關重要的作用，而斷層產狀的不同對突水的影響程度不同，通過數值模擬可以得知：

1）有斷層的承壓水上采煤時，回采至鄰近斷層時，斷層一側底板破壞深度增加。

2）回采臨近斷層傾角越小，斷距越大，落差越大的斷層時越容易發生突水事故，所需的安全臨界煤柱寬度越大。

3）實際生產中，遇到斷層時，應加強地質勘探工作，應根據斷層產狀的不同采取相應的措施，避免發生斷層突水事故。

【參考文獻】

[1]白峰青，姜興閣，蔣勤明.斷層防水煤柱設計的可靠度方法[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2000，19（4）：356-359.

[2]徐鼎平.FLAC/FLAC3D 基礎與工程實例[M].DynoMedia Inc.， 2009.

[責任編輯：楊玉潔]