斷層對工作面頂板涌突水影響的數值模擬研究

劉志達 呂偉魁 張貴彬

(1.棗莊科技職業學院，山東 棗莊 277599；2.山東新巨龍能源有限責任公司，山東 菏澤 274000；3.臨沂大學，山東 臨沂 276000)

1 引言

采動裂隙的發育高度是防治工作面頂板水害的重要依據，目前有關覆巖破壞特征的研究理論已經較為成熟，而針對特殊地質條件下（如工作面存在斷層影響下）的采動裂隙發育規律，只有少數學者進行了研究[1-4]。文獻通過對7 個數值模型計算以及現場實測得出了不同斷層傾角和推進方向的影響下，裂隙帶發育隨工作面推進的動態變化過程，并給出了回歸公式，給相似條件下開采提供了理論依據。其他學者也僅僅是從裂隙發育高度方面進行了研究，并未考慮斷層“活化”可能對涌突水造成影響。

2 斷層影響下的工作面頂板涌突水機理分析

工作面附近存在斷層時，大量原生、次生裂隙的存在弱化了煤層頂板巖性，且斷層附近存在原巖應力集中，導致采動裂隙帶的發育會超出正常高度；另一方面，受采動效應影響，斷層的上下盤也可能發生滑移，“活化”為涌水通道，當工作面上方有較大含水層或水體時，斷層可能溝通水源引發突水。

3 數值模型的建立

3.1 模擬參考的地質背景

研究區域主采3 層煤，采高8 m，覆巖結構為中硬，近水平煤層，工作面走向推進長度667 m，傾斜寬度193 m，采深-800 m 左右，煤層覆存穩定。根據工作面上平巷掘進及探測情況，揭露FL32 斷層為正斷層，落差0.7 m，斷層傾角25°。

3.2 模擬方案設計

構建9 個數值計算模型，斷層落差設定為0 m，煤層設定為水平煤層，建立正常地質條件（方案1）作參照。方案2～5、6～9 分別研究斷層傾角和工作面推進方向對裂隙帶發育以及斷層“活化”的動態影響，具體見表1。

表1 數值模擬方案

3.3 建立模型

根據地質資料，模型Y 方向劃分15 個分層，并在斷層面上布置兩個測點，模型大小300×104.6，采用摩爾—庫倫準則作為屈服破壞準則，開挖步距20 m。為消除計算邊界影響，在X 方向兩端各留50 m 煤柱并雙向固定，在頂部加載來自覆巖的垂直均勻荷載（q=∑γh=2500×9.8×300=7.35 MPa）。

4 模擬結果分析

4.1 裂隙高度公式預計

研究區域覆巖結構屬中硬結構，裂隙帶高度根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》（以下簡稱《規范》）計算。

式中：Hli為裂隙帶高度最大值，m；ΣM為累計采厚，m。

計算可得裂隙帶高度為48.78 m（±5.6）。取上限54.38 m。輸出模型開裂范圍得裂隙發育高度為52.2 m，與公式預計大致吻合。

4.2 裂隙發育特征模擬結果及分析

輸出模型開裂范圍，得到裂高動態增長率曲線圖如圖1。

結果表明：工作面穿過斷層時，采動過程中裂隙高度明顯增大。

（1）切眼布置在上盤。斷層傾角為30°、45°、60°和75°模型裂高最大增長率分別為30%、47%、51%和61%，成正相關性。工作面推進至距斷層20 m 時裂高開始增大，推過斷層約40 m 處達到峰值，之后逐漸降低，工作面推過斷層約80～100 m 時降至正常。

圖1 工作面推進動態過程中裂隙高度增長率

（2）切眼布置在下盤。裂高最大增長率較小（43%），最早出現在距斷層60 m 處，在斷煤交線處達到峰值，之后逐漸降低（工作面推過斷層60 m后恢復正常）。裂隙發育規律為“增加早，恢復快”。

工作面布置在下盤，裂高的動態增長率較小。裂高的增加是一個動態過程，工作面推過斷層一定距離之后裂高會下降至正常水平，這會導致工作面頂板涌水短期增大。過斷層開采時宜將切眼布置在斷層下盤，提前采取必要的安全措施，快速過斷層。

4.3 斷層面測點應力分析

輸出測點的剪應力跡線圖如圖2、圖3。

圖2 上盤至下盤推進時測點剪應力圖

結果表明：

（1）由上盤至下盤推進至斷層時，上盤剪應力瞬間達到峰值，下盤瞬間降低至約0 MPa，造成上下盤測點應力差瞬間增大。這是由于老頂結構由簡支梁變為懸臂梁，上盤巖層應力集中加劇，且斷層破碎帶的巖性較弱，老頂巖梁會更早的在端部產生斷裂。

（2）由下盤至上盤推進時，測點應力在推進至斷層時達到極值3.7 MPa，過斷層后，測點處于采空區中央受壓區且達到充分采動狀態，剪應力降至約0 MPa 并保持穩定。即斷層面受力特征表現為先劇烈后平緩。當工作面推過斷層，覆巖的壓實作用有利于抑制斷層活化。

圖3 下盤至上盤推進時測點剪應力圖

4.4 斷層面測點垂向位移分析

輸出測點的垂向位移跡線圖如圖4、圖5。

結果表明：垂向位移隨工作面推進逐漸增大。剛開始推進時，上下盤測點位移量一致（斷層未滑移），隨著工作面推進，兩測點位移差開始出現且逐漸增大，斷層滑移，即“活化”。

（1）由上盤至下盤推進，隨著斷層傾角增大，斷層更早產生滑移，且兩測點最終位移差逐漸增大，呈現明顯的正相關。說明斷層傾角越大，斷層受采動影響越劇烈。

（2）由下盤至上盤推進時，上述規律并不明顯，且測點最終位移差遠小于方案2～5，說明切眼布置在斷層下盤時，斷層受采動影響和“活化”可能性相對較小。

（3）測點相對位移由0 至最大值都是發生在一定計算時步內：工作面推進至斷層附近時，斷層上下盤開始滑移；隨著工作面繼續推進，上下盤相對位移增大，斷盤滑移加劇；當工作面推過斷層，上下盤巖層同步下沉（將兩測點位移差恒定作為判定依據），測點相對位移達到最大，此后斷層面不再出現（或出現極小范圍內的）相對滑動。

工作面沿斷層上盤至下盤推進，采場穿過斷層前，覆巖受下盤巖體支撐，巖移不明顯。工作面推過斷層后，頂板巖層的受力模型由一端固支一端簡支的簡支梁變為一端固支的懸臂梁，斷層端處粘結力較小，巖梁會更早的在端部產生斷裂[5]，引起斷層“活化”。

圖4 上盤至下盤推進時測點垂向位移圖

圖5 下盤至上盤推進時測點垂向位移圖

5 結論

通過對裂高發育規律、斷面測點剪應力和垂向位移的分析，得到以下結論。

（1）覆巖破壞特征：存在斷裂構造影響時，導水裂隙帶發育高度較無斷層增大，且與斷層傾角成正相關；當工作面推過斷層一段距離，增長的裂隙又在一定程度上壓實、閉合，增長率逐漸降低。頂水采煤時，裂高增長可能導致工作面推進過程中出現涌水量增加，應盡快推過斷層或采取預注漿加固等安全技術措施。

（2）斷層“活化”特征：工作面沿斷層上盤至下盤推進時，斷層傾角越大，斷面剪應力峰值出現越早，斷盤之間的滑移量也越大，斷層受擾動越劇烈，斷層越容易“活化”；當工作面布置在斷層下盤時，擾動引起的巖移效應向上傳遞至斷層，容易引起斷層“活化”，傾角越小的斷層，受影響越早。

（3）開采范圍內存在斷層時，應將切眼布置在斷層下盤，盡量使斷層處于工作面中央，使斷層區域處于采空區中央受壓區域，這樣更有利于安全開采。