斷層對工作面頂板涌突水影響的數(shù)值模擬研究

劉志達(dá) 呂偉魁 張貴彬

(1.棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東 棗莊 277599；2.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274000；3.臨沂大學(xué)，山東 臨沂 276000)

1 引言

采動裂隙的發(fā)育高度是防治工作面頂板水害的重要依據(jù)，目前有關(guān)覆巖破壞特征的研究理論已經(jīng)較為成熟，而針對特殊地質(zhì)條件下（如工作面存在斷層影響下）的采動裂隙發(fā)育規(guī)律，只有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了研究[1-4]。文獻(xiàn)通過對7 個數(shù)值模型計(jì)算以及現(xiàn)場實(shí)測得出了不同斷層傾角和推進(jìn)方向的影響下，裂隙帶發(fā)育隨工作面推進(jìn)的動態(tài)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(jù)。其他學(xué)者也僅僅是從裂隙發(fā)育高度方面進(jìn)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(jī)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(yīng)力集中，導(dǎo)致采動裂隙帶的發(fā)育會超出正常高度；另一方面，受采動效應(yīng)影響，斷層的上下盤也可能發(fā)生滑移，“活化”為涌水通道，當(dāng)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(fā)突水。

3 數(shù)值模型的建立

3.1 模擬參考的地質(zhì)背景

研究區(qū)域主采3 層煤，采高8 m，覆巖結(jié)構(gòu)為中硬，近水平煤層，工作面走向推進(jìn)長度667 m，傾斜寬度193 m，采深-800 m 左右，煤層覆存穩(wěn)定。根據(jù)工作面上平巷掘進(jìn)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(shè)計(jì)

構(gòu)建9 個數(shù)值計(jì)算模型，斷層落差設(shè)定為0 m，煤層設(shè)定為水平煤層，建立正常地質(zhì)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(jìn)方向?qū)α严稁Оl(fā)育以及斷層“活化”的動態(tài)影響，具體見表1。

表1 數(shù)值模擬方案

3.3 建立模型

根據(jù)地質(zhì)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(diǎn)，模型大小300×104.6，采用摩爾—庫倫準(zhǔn)則作為屈服破壞準(zhǔn)則，開挖步距20 m。為消除計(jì)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(jié)果分析

4.1 裂隙高度公式預(yù)計(jì)

研究區(qū)域覆巖結(jié)構(gòu)屬中硬結(jié)構(gòu)，裂隙帶高度根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）計(jì)算。

式中：Hli為裂隙帶高度最大值，m；ΣM為累計(jì)采厚，m。

計(jì)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(fā)育高度為52.2 m，與公式預(yù)計(jì)大致吻合。

4.2 裂隙發(fā)育特征模擬結(jié)果及分析

輸出模型開裂范圍，得到裂高動態(tài)增長率曲線圖如圖1。

結(jié)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(guān)性。工作面推進(jìn)至距斷層20 m 時裂高開始增大，推過斷層約40 m 處達(dá)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(jìn)動態(tài)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(xiàn)在距斷層60 m 處，在斷煤交線處達(dá)到峰值，之后逐漸降低（工作面推過斷層60 m后恢復(fù)正常）。裂隙發(fā)育規(guī)律為“增加早，恢復(fù)快”。

工作面布置在下盤，裂高的動態(tài)增長率較小。裂高的增加是一個動態(tài)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(dǎo)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(diǎn)應(yīng)力分析

輸出測點(diǎn)的剪應(yīng)力跡線圖如圖2、圖3。

圖2 上盤至下盤推進(jìn)時測點(diǎn)剪應(yīng)力圖

結(jié)果表明：

（1）由上盤至下盤推進(jìn)至斷層時，上盤剪應(yīng)力瞬間達(dá)到峰值，下盤瞬間降低至約0 MPa，造成上下盤測點(diǎn)應(yīng)力差瞬間增大。這是由于老頂結(jié)構(gòu)由簡支梁變?yōu)閼冶哿海媳P巖層應(yīng)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(chǎn)生斷裂。

（2）由下盤至上盤推進(jìn)時，測點(diǎn)應(yīng)力在推進(jìn)至斷層時達(dá)到極值3.7 MPa，過斷層后，測點(diǎn)處于采空區(qū)中央受壓區(qū)且達(dá)到充分采動狀態(tài)，剪應(yīng)力降至約0 MPa 并保持穩(wěn)定。即斷層面受力特征表現(xiàn)為先劇烈后平緩。當(dāng)工作面推過斷層，覆巖的壓實(shí)作用有利于抑制斷層活化。

圖3 下盤至上盤推進(jìn)時測點(diǎn)剪應(yīng)力圖

4.4 斷層面測點(diǎn)垂向位移分析

輸出測點(diǎn)的垂向位移跡線圖如圖4、圖5。

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

（1）由上盤至下盤推進(jìn)，隨著斷層傾角增大，斷層更早產(chǎn)生滑移，且兩測點(diǎn)最終位移差逐漸增大，呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)。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(jìn)時，上述規(guī)律并不明顯，且測點(diǎn)最終位移差遠(yuǎn)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(diǎn)相對位移由0 至最大值都是發(fā)生在一定計(jì)算時步內(nèi)：工作面推進(jìn)至斷層附近時，斷層上下盤開始滑移；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，上下盤相對位移增大，斷盤滑移加劇；當(dāng)工作面推過斷層，上下盤巖層同步下沉（將兩測點(diǎn)位移差恒定作為判定依據(jù)），測點(diǎn)相對位移達(dá)到最大，此后斷層面不再出現(xiàn)（或出現(xiàn)極小范圍內(nèi)的）相對滑動。

工作面沿?cái)鄬由媳P至下盤推進(jìn)，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?yōu)橐欢斯讨У膽冶哿海瑪鄬佣颂幷辰Y(jié)力較小，巖梁會更早的在端部產(chǎn)生斷裂[5]，引起斷層“活化”。

圖4 上盤至下盤推進(jìn)時測點(diǎn)垂向位移圖

圖5 下盤至上盤推進(jìn)時測點(diǎn)垂向位移圖

5 結(jié)論

通過對裂高發(fā)育規(guī)律、斷面測點(diǎn)剪應(yīng)力和垂向位移的分析，得到以下結(jié)論。

（1）覆巖破壞特征：存在斷裂構(gòu)造影響時，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度較無斷層增大，且與斷層傾角成正相關(guān)；當(dāng)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(shí)、閉合，增長率逐漸降低。頂水采煤時，裂高增長可能導(dǎo)致工作面推進(jìn)過程中出現(xiàn)涌水量增加，應(yīng)盡快推過斷層或采取預(yù)注漿加固等安全技術(shù)措施。

（2）斷層“活化”特征：工作面沿?cái)鄬由媳P至下盤推進(jìn)時，斷層傾角越大，斷面剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)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(dāng)工作面布置在斷層下盤時，擾動引起的巖移效應(yīng)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(nèi)存在斷層時，應(yīng)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(qū)域處于采空區(qū)中央受壓區(qū)域，這樣更有利于安全開采。