深部承壓水上含隱伏構造煤層底板滲流路徑擴展規律

趙家巍，周宏偉，薛東杰，蘇 騰，鄧慧琳，楊洪增

(1.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083; 2.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京 100083; 3.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083; 4.冀中能源集團有限責任公司，河北 邢臺 054000)

礦井突水災害一直是威脅和困擾我國煤礦安全生產的突出問題，近些年來華北地區多數煤礦正在逐步進入深部開采，主采煤層與下部奧灰組含水層的間距不斷縮減，底板突水威脅日趨嚴重。河北省南部的邯邢礦區是國內典型的大水礦區之一，煤層承受底板奧灰巖溶水壓7.0 MPa以上，近20 a來發生大規模突水10余次，其中9次發生在回采工作面[1]，在深部強開采擾動[2]和高水壓作用下回采空間承受著嚴重的突水威脅，底板發育層位低、直徑小的隱伏導含水陷落柱和隱伏小型斷層等構造的存在則進一步加劇了突水危險性。

盡管目前對于礦井突水災害安全意識和重視程度日漸提高，但底板突水事故仍時有發生，趙慶彪等在對邯邢礦區多起大型突水事故原因調查統計的基礎上，指出導致底板突水事故難以遏制的原因在于隱伏小型構造的隱蔽性和難以探知性，對此改變了傳統的采煤工作面內礦井水防治方法，采取針對于采區的區域治理方法，根據注漿漿液的漏失量判斷隱伏構造的位置和規模，較好地解決了隱伏構造探查的難題[3];劉建功等采用礦井水害微震監測預警方法，通過監測潛在導水裂隙形成和動態發展過程產生的微震信號來描述和預測突水軌跡，由此而建立的礦井突水三級預警模型能夠實現潛在突水區域的重點治理[4]，為深部隱伏構造探查、動態監測及突水預警提供了一種新的方法。

對于煤層底板破壞與突水機理方面的研究，FRENCE最早提出“底板相對隔水層”的概念，指出煤層底板突水不僅與隔水層厚度有關，而且還與水壓力有關;我國學者在FRENCE基礎上提出采用突水系數作為預測底板是否突水的標準;SANTOS基于Hoek-Brown巖體強度準則，引入臨界能量釋放點的概念分析了底板的承載能力[5];劉天泉在研究底板裂隙發育規律后提出了煤層底板巖體破壞的“三帶”理論[6]，而后發展為承壓水上開采的“下三帶”理論，有效隔水帶的概念被明確提出;張金才進而將有效隔水帶看作均質各向同性的連續介質，應用薄板理論得出了底板突水的理論預測公式[7];王作宇等通過對大量現場實測數據分析，提出了原位張裂理論[8]，該理論考慮了礦壓和水壓對底板巖體的聯合控制作用，對承壓水上開采實踐具有重要指導意義，但對于原位張裂發生發展過程缺乏深入研究，其發育高度難以確定，在實際應用中受到較大限制[7];武強等通過對華北型煤田中奧陶統灰巖頂部古風化殼厚度、巖性特征、鉆孔巖芯采取率、沖洗液消耗量、裂隙發育情況、構造發育等多方面綜合研究，創建了巖體隔水性能評價方法——隔水性指數法[9]，對預測和評價華北地區煤層底板巖體的隔水性能有較好的指導作用;許學漢等提出的“強滲通道”理論將底板突水通道分為巖體原生滲水通道和采動產生的次生滲水通道[10]，該理論重視了節理、斷層等地質構造對突水的影響，具有重要的現實意義;陳忠輝等針對導水斷層和底板塑性滑移場的空間關系，把導水斷層和底板塑性滑移場的最短距離視為斷層突水的關鍵路徑，建立了底板斷層突水的簡化斷裂力學模型[11];劉偉韜等基于彈性力學應力在半無限體中的傳播理論，將承壓水壓力作為一種附加應力，得出底板采動應力分布規律，并以此作為突水危險性的判斷依據[12];魯海峰等根據底板應力計算結果，進一步利用帶拉伸破壞的Mohr-Coulomb準則對底板破壞深度進行計算，并探討了水壓力和隔水底板厚度對計算結果的影響[13]。在數值分析方面，唐春安等在對煤層開采水資源流失機理進行水文地質學定性分析的基礎上，運用二維巖石破裂漸進過程分析系統(RFPA)，模擬了采場覆巖應力場的變化與重新分布規律，再現了采動區覆巖裂隙萌生、擴展和貫通的過程[14];邊凱采用FLAC3D將斷裂破碎帶物質視為等效連續彈塑性孔隙介質材料來進行流固耦合模擬，通過這一方法實現斷裂帶附近應力場和滲流場隨煤層開采變化過程[15];陸銀龍提出了一種滲流和應力耦合作用下巖石損傷破裂過程分析的宏細觀雙尺度數值模型，建立起了細觀微裂紋損傷演化與巖石宏觀變形、破裂以及滲流行為之間的聯系，并利用COMSOL數值軟件進行了相應的分析[16]。

總體上，當前人們對底板突水機理研究的重點在于采動與水壓共同作用下底板整體的損傷破壞及其隔水能力的判斷，對于含有隱伏構造底板的始滲條件、滲流路徑、突水模式等方面的研究較少，而采動后承壓水滲流路徑的擴展方向對于重點區域治理目標范圍的確定至關重要。從本質上來講，煤層底板突水是因開采擾動而引起應力場變化，造成底板裂隙萌生和擴展，并在高承壓水自下而上強力沖擴作用下由滲流通道逐漸演變為高速突水通道，底板是否含有隱伏構造以及隱伏構造類型不同時其應力場分布特征、裂隙擴展規律和滲流行為也會有所差別，筆者在前述研究基礎上，以邯邢礦區典型突水礦井為工程背景，對含不同隱伏構造類型底板滲流通道的形成機理進行深入探討和研究。

1 采場底板滲流路徑力學計算

邯邢礦區分上、下組煤，當前主要開采上組煤，現有超過800 m埋深的礦井10個，其中4個超過1 000 m，煤層底板承受奧灰水壓最高達到12 MPa，近些年來發生的大型突水事故中，突水量在160～24 000 m3/h，主要發生在回采工作面，造成3次淹井，2次淹生產水平。通過對邯邢礦區九龍礦、東龐礦、梧桐莊礦、邢東礦、瑞豐煤業等典型突水礦井地質條件分析，主采上組煤2號煤時底板至奧灰層頂面之間一般賦存有以野青、山伏青、大青3組薄層灰巖為底界劃分的4個地質隔水單元[3]，隔水層總厚度為100～200 m不等(圖1)，水文地質構造復雜，隱伏斷層、陷落柱等直接與奧灰層連通的導含水構造較多，在很大程度上縮減了有效隔水層厚度，極易引發大型突水事故。

圖1 邯邢礦區典型突水礦井概化地質模型Fig.1 Generalized geological model of typical water-inrush coal mine in handxing mining area

由于礦井“滲流-突水”災害水源主要為奧灰層承壓水，野青灰巖、山伏青巖、大青灰巖等薄層灰巖的水力作用及傳導關系較弱，因此可忽略薄層灰巖的影響。為便于理論分析，將奧灰層頂界面至煤層底板之間的巖層簡化為含隱伏構造的均質隔水層，對承壓水、隱伏構造、開采擾動之間的力學作用關系進行重點研究。根據煤層底板是否含隱伏構造及隱伏構造的類型，將底板承壓水作為附加應力，建立相應的概化力學模型(完整型、陷落柱、斷層型)，陷落柱和斷層內部承壓水的載荷分布形式和分布方向不同，對于陷落柱導升的承壓水，將水壓簡化為沿陷落柱頂界面的垂向分布載荷和沿兩側邊界的水平分布載荷;對于斷層導升的承壓水，將水壓簡化為沿斷層尖滅方向的集中載荷和沿兩側邊界的法向分布載荷，如圖2所示，將煤層走向推進方向作為x軸，底板延深方向作為z軸;l0為采空區重新壓實區邊界;l1,l2,l3分別為采空區未壓實距離、煤體塑性變形區長度、煤體彈性變形區長度;q1,q2,q3為對應l1,l2,l3的支承應力增量載荷;pw為奧灰水壓;Hw為底板至奧灰層頂面的厚度;lx,ld為隱伏構造至坐標系原點的水平距離;hx,hd為隱伏構造發育高度;l4為陷落柱頂界面的寬度。

圖2 承壓水上煤層底板附加應力概化力學模型Fig.2 Generalized mechanical model of additional stress on the floor with confined water

承壓水上煤層開采時，滲流裂隙自下而上逐漸擴展，最后與底板采動破壞帶連通而形成滲流通道，該過程受開采擾動與底板構造共同作用影響，巖體裂隙的起裂條件和擴展路徑是判斷和預測滲流過程的研究重點。

未受開采擾動時，底板巖體在高水壓作用下形成一定高度的導升裂隙[17]，開采后巖體應力狀態發生改變，一旦達到了強度條件裂隙就會擴展，假設初始導升裂隙為幣狀裂紋，裂紋內含有承壓水，在單向拉應力作用下初始導升裂隙的擴展由其應力強度因子決定，有

(1)

式中，KI為裂隙應力強度因子;a為裂紋擴展半徑;σn為開采擾動引起的裂紋法向壓應力。

當水壓pw小于裂紋法向壓應力σn時，裂隙處于受壓狀態保持穩定，若水壓較大或開采擾動較強，巖體初始導升裂隙滿足pw>σn且應力強度因子KI達到斷裂韌度KIC時，初始導升裂隙在高水壓作用下開始擴展形成始滲裂隙。為表征始滲裂隙的抗滲透強度，引入Batdorf定義[18]，具體表述為使裂紋擴展施加于裂紋法向上的臨界拉應力，則此定義下的裂隙抗滲透強度為

(2)

底板巖體未受開采擾動時隨機分布不同方向的初始導升裂隙，在孔隙水壓與采動壓力共同作用下，符合裂隙擴展判據的裂隙將首先擴展、貫通，最后形成滲流通道。導升裂隙的抗滲透強度最先滿足σs=σ3，因此沿最小主應力法向方向的裂紋最易起裂、擴展。實際上巖體一般處于三向壓應力狀態，巖體滲流裂隙的擴展可看作最小主應力方向產生張應變引起的，當殘余裂隙水壓小于最小主應力時，滲流裂隙停止擴展[19]，根據最小主應力方向產生張應變的條件σ3<ν(σ1+σ2)，推導得出底板滲流裂隙的擴展判據[20]:

(3)

式中，ν為泊松比。

則底板巖層裂隙擴展半徑的臨界尺寸為

(4)

對于式(3)，(4)中主應力的計算，首先需掌握底板內任一點的應力狀態，根據彈性力學半無限板集中荷載和均布條形荷載傳播的求解方法，容易解出完整型底板中任一點M(x,y)的應力，如式(5)所示[12-13]，在此基礎上進一步對含隱伏斷層和陷落柱等構造的底板應力進行推導，過程不再贅述，式(6),(7)分別給出了采動與水壓共同作用下隱伏陷落柱型、隱伏斷層型底板內M點(圖2)處垂直應力σzf、水平應力σxf和剪切應力τzxf的表達式。

(5)

(6)

(7)

3個主應力可以在已知應力分量基礎上通過求解3次應力狀態方程得到，文獻[21-22]結合算例給出了主應力的數值解，文獻[23]基于應力偏張量主值三角函數解得出了主應力解析表達式，但計算過程較為復雜，若通過應力張量的不變量直接求解應力狀態方程，則可得出更為簡潔的主應力表達式[24]:

(8)

式中，I1,I2分別為應力張量的第1、第2不變量。

以邯邢礦區典型突水礦區為例進行算例分析，相關參數取值為:埋深H=1 200 m，工作面推進方向壓實區內取l0=35 m作為邊界;壓實區右邊界至煤壁長度l1=25 m;煤體塑性區長度l2=15 m;煤體彈性區長度l3=20 m;卸壓系數n=0.5;應力集中系數K=3.5;陷落柱頂面寬度l4=30 m;底板水壓pw=12 MPa;煤層底板至奧灰頂界面間隔水層厚度Hw=180 m;隱伏構造距壓實區左邊界距離lx=50 m;隱伏構造發育高度hx=130 m；斷層賦存角度θ=30°;底板巖層斷裂韌度取平均值2.8 MPa·mm1/2，泊松比ν取0.25，則聯立式(1)～(8)，通過Matlab編制計算程序，得出如圖3所示的滲流裂隙擴展路徑。

圖3 承壓水上煤層底板滲流裂隙擴展規律Fig.3 Seepage crack extension law of floor with confined water

計算結果表明，對于完整型底板，當隔水層厚度大于60 m時，不會產生滲流裂隙;隔水層厚度小于60 m時，滲流裂隙由奧灰承壓水層頂界面至采空區(35～60 m)兩側邊界呈“正八字”形向采空區擴展;對于隱伏陷落柱型底板，滲流裂隙沿陷落柱頂界面呈“倒八字”形發散式擴展，至底板28 m深度時與采動裂隙貫通而停止擴展，其延線分別指向采空區兩側邊界;對于隱伏斷層型底板，滲流裂隙沿斷層上邊界大致向斷層賦存方向的反向擴展，至底板30 m深度時與采動裂隙貫通而停止擴展，其延線指向采空區壓實段。盡管圖3所示的隱伏構造作用下底板滲流裂隙未擴展至采空區，但其范圍實際上已經進入煤層底板采動破壞帶，從而貫通形成滲流通道。

根據滲流裂隙的擴展規律，可得出承壓水上煤層底板滲流擴展路徑，當底板水沿滲流裂隙涌至底板破壞帶時，滲流介質由斷裂裂隙變為破碎巖體，進而導致滲流行為的改變，如圖4所示，經過底板破碎帶后滲流出水點的精確位置難以確定，但仍可根據隱伏構造類型及其賦存狀態，對底板破碎帶及破碎帶以下潛在滲流通道范圍內進行重點區域治理。

圖4 承壓水上煤層底板滲流路徑示意Fig.4 Schematic diagram of seepage crack extension path of floor with confined water

由于奧灰含水層水壓大、水量多，當滲流通道形成后，大量的高壓水繼續沖擴滲流通道而形成高速流體，滲流通道逐漸擴展為突水通道，高速流體在裂隙巖體中的流速與壓力關系不再滿足線性Darcy方程，其滲流行為開始表現出明顯的非線性特征[25]，地下水由滲流行為演變為突水行為后形成由慣性力占主導的高速非線性流。

2 采場底板滲流路徑數值驗證

開采擾動、隱伏構造和承壓水共同作用引起底板裂隙擴展進而形成滲流通道是一個較為復雜的力學過程，為進一步揭示底板滲流-突水災變過程，并對前述理論分析結果進行驗證分析，選用可模擬巖體破裂聲發射且裂隙可視化效果較好的RFPA數值計算軟件分析底板滲流路徑演化過程。

根據邯邢礦區典型突水礦井開采工程地質條件，建立如圖5所示的沿工作面走向平面應變數值計算模型，模型尺寸為150 m×100 m，將模型自上而下概化為上覆巖層、煤層、隔水層、承壓水層，基本參數見表1，模型內預先設置隱伏斷層和陷落柱，斷層線性挖空并加載水壓，陷落柱先挖空加載水壓后再用原材料填充，實際上陷落柱由松散介質填充，但陷落柱自身的變形不是本文的研究重點，這里只考慮陷落柱內的導升水壓力對底板隔水層的影響。

從整體、宏觀的角度來看，底板斷裂擴展過程可以通過底板巖體破裂的聲發射規律來表征，圖6給出的聲發射結果較好地描述了不同類型構造作用下底板裂隙擴展過程，圖7則分別展現了底板承壓水滲流路徑擴展的最終結果。

圖5 煤層底板滲流演化過程的數值模型Fig.5 Numerical model of seepage evolution of coal floor

表1 數值計算模型的基本參數Table 1 Basic parameters of the numerical calculation model

圖6 不同類型構造作用下底板裂隙擴展聲發射演化過程Fig.6 Seepage crack extension and its evolution process of different concealed structural types

圖7 不同類型構造作用下底板滲流路徑擴展計算結果Fig.7 Calculation results of seepage path expansion of different concealed structural types

可見，對于完整型底板，采動產生的巖體破裂聲發射信號與水壓劈裂巖體產生的聲發射信號幾乎同時發生，并且聲發射能量和事件數目相當，采動破裂信號向下漸進發展，水壓劈裂信號向上漸進發展，最后匯集于中部并產生更為密集的聲發射事件數目，說明此時采動裂隙與滲流裂隙完全溝通而形成如圖7(a)所示的滲流通道;對于隱伏陷落柱型底板和隱伏斷層型底板，采動破裂聲發射信號先于且強于隱伏構造導升水劈裂巖體產生的聲發射信號，采動巖體裂隙向下快速發展，水壓劈裂裂隙向上緩慢漸進發展，最后連通形成7(b),(c)所示的滲流通道。另外，從滲流路徑的形成過程來看，RFPA模擬得出的滲流路徑擴展方向與理論計算得出的結果大體一致，即對于完整型底板，滲流裂隙由奧灰承壓水層頂界面至采空區兩側邊界呈“正八字”形向采空區擴展;對于隱伏陷落柱型底板，滲流裂隙沿陷落柱頂界面呈“倒八字”形向上發散式擴展;而對于隱伏斷層型底板，滲流裂隙則沿斷層延線的反向擴展。

3 微震監測實例分析

為監測和評價底板水的動態變化和突水隱患，結合前期物探異常區大致位置，在瑞豐煤業井下1712工作面巷道底板內布置三軸檢波器3個、單軸檢波器9個，檢波器間距80 m，所有檢波器底端要求朝向底板監測區域埋設，施工專門鉆孔，采用水泥漿固定，通過專業電纜和光纖將檢波器與數據采集中心連接，確保井下數據實時、連續地傳輸至監控中心，現場監測起止時間為2015-02-12—05-31，累計108 d，在工作面推進過程中工作面涌水量逐漸增大，最大時為4.2 m3/min，微震監測結果如圖8所示。

圖8 采煤工作面底板微震事件分布Fig.8 Incident distribution of micro-seismic in the floor

微震監測結果顯示，除了由采動引起的頂底板巖體破裂產生的微震事件外，在采場底板深部還存在一條傾斜狀微震事件密集帶，該密集帶嚴格呈線性分布，結合采動期間臨近已探明東暗井斷層微震事件沿東暗井斷層面嚴格呈線狀分布的特點，分析推測該位置存在一條隱伏導水斷層，微震事件進一步的發展方向大致符合前述斷層滲流擴展路徑的理論與數值分析結果。該隱伏導水斷層是造成工作面涌水量逐漸增大的主要原因，為避免其進一步活化形成強滲通道，在確定的目標區域內及時進行注漿加固，注漿壓力3.2 MPa，注漿后底板深部的微震事件逐漸消失，且涌水量由開始的4.2 m3/min降低至0.9 m3/min，取得了較好的治理效果。

4 結 論

(1)基于邯邢礦區典型突水礦井地質條件及突水原因分析，建立了含隱伏導含水構造的概化力學模型，采用斷裂力學理論分析得出含不同構造類型底板裂隙的擴展規律，結合數值模擬結果分析，隱伏構造的局部應力擾動作用影響了滲流路徑的擴展方向，使3種類型底板分別呈現出不同的滲流路徑。

(2)RFPA聲發射模擬結果表明，在采動與水壓共同作用下，煤層底板巖體采動裂隙向下漸進發展，水壓劈裂裂隙向上漸進發展，最后連通形成承壓水初期出水的滲流通道，3種類型底板的裂隙擴展過程和擴展方向不盡相同，通過分析聲發射事件的能量和數量分布規律可知，完整型底板的裂隙擴展強度和速度比含隱伏構造的底板更強和更快，說明在有效隔水層厚度相同的條件下，完整型底板突水的災害性更大，但比起含隱伏構造的底板，完整型底板地質條件更易為人們所準確獲取，為提前采取防治措施提供了必要條件，因此實際上，完整型底板突水事故遠遠少于隱伏構造導致的突水事故。

綜上所述，基于理論計算和數值模擬得出的底板承壓水滲流路徑擴展規律，在實際工程中可結合微震監測技術來實時動態捕捉煤層底板隱伏導含水構造活化的前兆信息，進而實現底板突水路徑的預測預報和快速重點區域治理。