底板隱伏斷層突水的影響因素分析

吳朝飛　武宗剛

摘 要：為了研究底板隱伏斷層突水規律，以趙固二礦的地質條件為背景，運用理論分析、FLAC3D數值模擬和相似模擬對隱伏斷層突水規律進行研究。研究表明：承壓水突入采掘空間要經過底板塑性破壞區、被破壞的中間完整巖層和活化的隱伏斷層3種不同類型的地層。經公式計算和數值模擬驗證底板的極限破壞深度為16m；相似模擬呈現了斷層活化及裂隙貫通的全過程；提出了阻止斷層突水發生的完整巖層最小厚度計算公式。

關鍵詞：隱伏斷層；突水規律；數值模擬

活化底板突水為煤礦水害最為突出的問題，底板斷層往往是連接采掘空間和含水層的通道，據統計，我國斷層突水占到煤礦突水事故的70%以上[ 1，2 ]。前人對于斷層突水的機理進行了一些研究，黎良杰[ 3 ]建立了含隔水斷層的隔水關鍵層理論，得出不同類型的斷層突水判據；陳忠輝通過分析導水斷層和底板塑性滑移場的空間關系，建立斷層突水的斷裂力學模型；李利平基于應力-滲流-損傷耦合效應研究了斷層活化突水機制。然而現場最常見的底板突水來自于隱伏的小斷層，由于小斷層在現場難以探測，成為開采過程中容易忽視的隱患。

1 底板的塑性破壞深度

灰巖含水層中的水要進入采掘空間就要通過底板塑性破壞區、完整底板和隱伏斷層衍生的裂隙通道。

底板破壞是由于開采過程中應力集中而造成的，當支承壓力達到或者超過底板的強度臨界值時，工作面下方一定范圍內巖體發生塑性破壞，采空區出現底鼓現象，底板的破壞深度可由公式1計算。

為了驗證公式計算底板破壞深度準確性，基于趙固二礦的現場地質條件，收集工作面頂底板巖層厚度、巖性等運用FLAC3D模擬軟件建立模型，模型長度300m，寬200m，搞100m，在模型的頂部補償約290m巖層厚度的壓力，圍巖本構關系采用莫爾-庫倫模型。模型前后左右四個側面為單約束邊界，施加水平方向上的約束；模型底部為全約束邊界。

當工作面推進20m時，由于工作面推進距離的增加，地板巖石及圍巖發生破壞，工作面底板巖層中塑性變形區破壞最大深度約為10m。

當工作面推進20m時，隨著推進距離的增加，原巖應力場進一步破壞，工作面底板巖層中塑性變形區范圍出現了增大，其破壞最大深度約為10m。

當工作面繼續推進至30m時，隨著推進距離的增加，原巖應力場進一步破壞，工作面底板巖層中塑性變形區范圍出現了小幅度的增大，其破壞最大深度約為14m。

當工作面繼續推進至40m時，與工作面推進30m時的底板巖層塑性變形區作比較，其破壞最大深度約為16m，變化浮動不大，這也說明工作面開挖過程中底板巖層的極限破壞深度約為16m。

2 斷層活化的模擬

隨著開采距離的增大，隱伏斷層在底板水壓和采動應力的雙重作用下發生變形并逐漸開始活化，其伴隨裂隙開始失穩擴展，連通形成導水通道。由于現場中活化過程不能觀測到，這里進行相似模擬進行觀測。

模型架采用物理模型試驗系統，前后平面為剛性約束，可以實現平面應變控制。模型長、寬、高分別為2.5m×0.2m×1.6m。相似模擬實驗要求幾何相似、應力相似、容重相似以及時間相似。為模擬模型以外上覆地層壓力，使用了千斤頂加壓穩壓系統。

隨著工作面的推進，隱伏斷層的上部首先開始出現比較大的位移，而斷層的下部出現的位移很小，在這個過程中斷層帶周圍出現沿煤層走向的裂隙。在初期階段這些裂隙沒有垂向裂隙進行溝通，還不能形成導水通道。隨著工作面的繼續推進，上部觀測點的位移的增大速度逐漸減小，而下部特征點的增大速度逐漸增大，在這個過程中，中間形成走向裂隙被擠壓變形，達到其強度極限以后，發生塑性破壞形成垂向裂隙。這些裂隙逐漸開始連通形成有效的通道，使承壓水進入裂隙，在水力劈裂的繼續作用下，裂隙被沖刷擴展，直至斷層活化成功。

3 完整巖層厚度分析

對于底板斷層而言活化以后并不意味著采掘空間就能發生突水，在斷層的頂部和底板塑性破壞區之間還有一定厚度的能起到阻水作用的巖層。根據大量的現場實例分析和理論計算總結出中間隔水層的最小安全厚度公式。

結合趙固二礦的地質資料，將現場數據代入公式2中，得到隔水層的厚度為28m，與實際工程相符合。

4 結論

1）底板隱伏斷層突水要經歷3種不同性質的底板地層，即采空區下方的塑性破壞區、中間完整巖層和含斷層的底板巖層。其中斷層的活化是突水的必要條件。

2）利用公式計算和數值模擬確定了底板塑性破壞區的極限高度為16m。運用相似模擬呈現出隱伏斷層的裂隙生成規律和導水通道的貫通過程，首先是層間水平裂隙的生成，然后垂向裂隙自下而上的貫穿。

3）中間完整巖層起最主要的阻水功能，巖層的厚度決定突水能否發生，根據裂縫的水力劈裂理論確定了完整巖層的最小厚度計算公式，代入現場數據，計算結果與實際符合。

參考文獻：

[1] 張金才，張玉卓，劉天泉.巖體滲流與煤層底板突水[M].北京：地質出版社，1997.

[2] 繆協興，浦海，白海波.隔水關鍵層原理及其在保水采煤中的應用研究[J].中國礦業大學學報，2008，37（1）：1-4.

[3] 黎良杰，錢鳴高，李樹剛.斷層突水機理分析[J].煤炭學報，1996，21（2）：199-123.

作者簡介：

吳朝飛（1987-），男，河南濮陽人，本科，焦煤集團趙固二礦，從事煤礦生產技術管理，河南新鄉輝縣趙固二礦；

武宗剛（1986-），男，河南新鄉人，本科，焦煤集團趙固二礦，從事煤礦生產技術管理，河南新鄉輝縣趙固二礦。