采動影響下前伏斷層活化突水的數值模擬

段旭龍

興義民族師范學院,貴州 興義562400

礦井五大災害分別是礦井水害、火災、瓦斯、粉塵和動力地質災害[1]。其中，礦井水害造成的人員傷亡最多，經濟損失僅次于瓦斯災害[2]。礦井水害按照出水層位進行劃分，又可以分為頂板水害、底板水害和周邊水害[3,4]。我國華北和西北等主要煤炭生產基地的頂板含水層主要以砂巖裂隙含水層為主，大型礦井水害發生的概率較低[5]。而底板多存在厚層石灰巖巖溶含水層，易發生大型的礦井水害[6]。統計數據顯示，80%以上的底板水害與斷裂構造有關[7]。特別是張拉為主的正斷層，在采動影響下易發生活化，成為含水層與煤層之間的導水通道，引發大型的礦井水害[8]。因此，本文以某煤礦為工程背景，構建采動影響下前伏正斷層的相關數值模型，分析應力、位移、塑性區和孔隙水壓等水害關鍵指標，研究采動影響對斷層的活化作用規律，揭示前伏正斷層采動活化導水機理。

1 工程概況

該礦采煤工作面埋深為800 m，煤層平均厚度為2 m。采動影響范圍內，煤層上方由下往上依次為10 m 厚的泥巖層、13 m 厚的粉砂巖層以及30 m 厚的砂質泥巖層；煤層下方由上往下則依次為15 m 厚的泥巖層、10 m 厚的細砂巖層、26 m 厚的中砂巖層以及90 m 厚的灰巖層。其中，灰巖層巖溶裂隙發育，地下水豐富，水壓約為4.0 MPa。在工作面前方存在一個傾角為45°、落差為10 m、破碎帶寬度為5 m 的導水正斷層，該正斷層直接與含水灰巖層連通，對工作面的安全開采形成巨大威脅。采煤工作面各層巖石以及斷層的物理力學參數如表1 所示。

表1 采煤工作面各層巖石及斷層的物理力學參數表Table 1 Physical mechanical parameters of every rock layer and fault on mining working face

2 數值模擬模型

為研究前伏導水斷層對采煤工作面安全開采的影響，使用FLAC3D建立了如圖1 所示的斷層采動活化突水數值模擬模型。該模型寬度為280 m、高度為150 m、厚度為1 m，共劃分為45750 個單元。模型邊界條件設置為四周法向約束、底面固定、頂面施加應力18.2 MPa、灰巖層施加水壓力4.0 MPa。模擬煤層開采時，從模型左側開始，每次開采距離為10 m，直至開采到斷層位置。

圖1 斷層采動活化突水數值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model of fault mining activation water inrush

3 計算結果分析

3.1 前伏斷層煤層采動應力演化特征

工作面距前伏斷層不同距離條件下，煤層周邊巖體的豎向應力變化如圖2 和圖3 所示。由圖可知，當工作面距離斷層較遠時，由于煤層的開采會導致采空區周邊圍巖應力的重新分布，此時，圍巖在工作面前方約5 m 位置產生一個范圍約40 m 的應力集中區，最大集中應力約為45.0 MPa，是原巖應力的2.25 倍。隨著工作面逐漸向斷層靠近，工作面前方圍巖最大集中應力值逐漸增大而集中應力范圍則有所減小。當工作面距斷層距離為40 m 時，工作面前方圍巖最大集中應力達到整個采動過程中的最大值，為49.8 MPa，約為原巖應力的2.5 倍。當工作面繼續向斷層推進，由于工作面與斷層之間的煤柱塑性屈服范圍逐漸增大，其有效承擔荷載量逐漸變小，致使工作面前方圍巖最大集中應力值開始逐漸減小；當工作面距離斷層10 m 時，工作面前方圍巖最大應力集中值約為40 MPa，這說明煤層采動應力開始向斷層上盤圍巖轉移，斷層對圍巖采動應力影響逐漸減弱。由此可知，斷層對煤層采動應力的影響主要體現在開采工作面距斷層70 m～10 m 這個時間范圍內，具體表現為，斷層的應力阻隔作用致使工作面與斷層之間的圍巖應力迅速增加，進而斷層煤柱迅速屈服破壞而釋放大量彈性勢能，誘發斷層沖擊地壓。

圖2 采動影響下斷層周邊巖體的豎向應力分布圖Fig.2 Vertical stress distribution map of rock mass around the fault under mining

3.2 采動影響下斷層巖體的位移變化規律

煤層采動過程匯中斷層巖體的水平位移變化分布曲線如圖4 所示。當工作面距離斷層大于100 m時，工作面的推進對斷層巖體影響很小，此時斷層各處巖體基本沒有活化，其位移基本為0。當工作面距離斷層小于100 m 時，隨著工作面的向前推進，斷層靠近煤層位置的一部分巖體開始發生活化且活化程度逐漸增加，導致其位移開始緩慢增大。當工作面距離斷層10 m～40 m 時，斷層各處巖體活化程度急劇增加，其位移開始迅速增大，尤其是靠近煤層位置的斷層巖體，此時，斷層巖體最大位移約為100 mm，出現在距工作面前方約10 m 左右的位置。以上結果表明，采動工作面距離斷層小于40 m 時，斷層巖體活化最為劇烈，易對工作面安全開采造成嚴重威脅。

圖3 采動影響下圍巖支承壓力的變化曲線Fig.3 Change curves of surrounding rock abutment pressure under mining

圖4 采動影響下斷層位移變化曲線Fig.4 Variation curves of fault displacement under mining

3.3 采動影響下斷層周邊巖體的塑性區變化規律

工作面距前伏斷層不同距離下，斷層周邊巖體的塑性區分布如圖5 所示。可以看出，當工作面距斷層距離為100 m 時，工作面周邊巖體的塑性區主要分為三部分，第一部分是斷層巖體因本身抗剪強度較低，在高原巖應力下產生塑性屈服；第二部是位于采空區前方模型頂部位置的巖體，其在頂板圍巖垮落過程中發生拉伸屈服破壞；另一部分是采空區周邊巖體因應力重分布而產生塑性區，其塑性深度范圍在煤層頂板方向為55 m，工作面前方為8 m，底板方向為15 m。隨著采煤工作面向斷層靠近，斷層巖體塑性區范圍基本不變，而采空區周邊巖體的塑性區范圍則逐漸增大，且沿頂板方向的增大范圍要明顯大于底板和工作面前方。當采煤工作面距離斷層10 m 時，采空區上方圍巖塑性區深度范圍為75 m，前方圍巖塑性區深度范圍為12 m，下方塑性區深度范圍則為18 m；并且此時，采空區下方巖體的塑性區開始與斷層巖體開始連通，連通位置距離煤層底板垂向位置為7 m，距采煤工作面距離6 m。這意味著，采煤工作面距離斷層小于10 m 時，斷層與煤層底板之間將產生導水通道，誘發煤層下方灰巖層中的承壓水通過斷層以及煤層下方的塑性區向工作面發生突水災害。因此，如果采煤工作面前方存在導水斷層時，應在工作面與斷層之間預留一定長度的煤柱以保證采煤的安全。

圖5 采動影響下斷層周邊巖體塑性區分布圖Fig.5 The plastic distribution of rock mass around the fault under mining

3.4 采動影響下斷層巖體的水壓變化規律

圖6 給出了不同工作面推進距離下斷層巖體的水壓變化曲線。隨著工作面的向前推進，水壓和采動礦壓作用下斷層內巖體活化范圍和活化程度逐漸增大，導致斷層的阻水能力逐漸降低，斷層底部灰巖承壓水逐漸上升。當工作面距斷層距離為40 m 時，斷層內水壓導升高度最大，此時，煤層正前方的斷層水壓達到0.6 MPa。當工作面距離斷層小于10 m 時，斷層與采空區產生導水通道，斷層在導水通道上方的水壓迅速較小，同時斷層內地下水將涌入工作面，從而產生突水事故。

圖6 采動影響下斷層內巖體的水壓變化曲線Fig.6 The hydraulic pressure curve of rock mass under mining

4 結論

（1）采動影響下，工作面前方5 m～45 m 范圍產生應力集中區，應力最大值為49.8 MPa，應力集中系數為2.5；斷層對煤層采動應力的影響主要體現在開采工作面距斷層70 m～10 m 這個時間范圍內，易出現沖擊地壓現象。

（2）工作面回采至距離斷層40 m～10 m，斷層內部出現了顯著的水平位移，最大位移達到100 mm，出現了顯著的斷層活化現象。

（3）隨著采煤工作面向斷層靠近，斷層巖體塑性區范圍基本不變，而采空區周邊巖體的塑性區范圍則逐漸增大，且沿頂板方向的增大范圍要明顯大于底板和工作面前方。

（4）孔隙水壓力隨著工作面回采而逐漸上升，當工作面距離斷層小于10 m 時，斷層與采空區產生導水通道，發生突水事故。