綜放工作面過斷層群上覆巖層導水通道形成機理研究

鄒光華 張 超 田 多 師皓宇 趙啟峰 姚 鑫 鄧 毅

（華北科技學院安全工程學院，北京101601）

我國是世界上煤礦水害最為嚴重的國家之一。據統計，水害在煤礦重、特大事故中是僅次于瓦斯爆炸的重大災害［1］，其中與斷層有關的突水事故占80%左右，斷層活化是導水事故產生的重要原因［2］，斷層突水機理和防控技術是煤礦生產亟待解決的重點問題［3］。導水通道一般是在采動作用下導致斷層活化而形成的，“力”或“應力”是改變物體運動狀態或賦存狀態的重要原因［4］，因此采場圍巖應力分布仍是斷層導水的研究重點。由于斷層或地塹構造對應力場具有分化切割作用，使得采場圍巖的應力環境和破斷特征變得更為復雜。近年來，諸多學者開展了大量有關斷層導水的研究工作［5-6］，如工作面推進方向對采場圍巖應力變化特征和斷層活化特性的影響［7］；斷層傾角斷距與斷層活化之間的關系［8-9］；或開展斷層底板突水機理研究［10］；或建立隔水關鍵層活化力學模型，給出斷層活化滑移條件［11-12］，這些研究成果對煤礦安全生產起到了較好的推進作用。從以往的研究來看，理論計算、數值模擬、相似模擬等仍是主要的研究手段，其中數值模擬具有高效率、低成本的優勢，可以直觀顯示采場圍巖應力分布和斷層突水通道的形成過程［13-14］，迄今為止仍是采場圍巖分析中重要而有效的方法之一。但導水通道的形成是一個復雜的過程，是覆巖離層、斷層活化、拉斷破壞、剪切破壞等綜合作用的結果。本研究結合中煤平朔井工三礦34201綜放工作面實際地質情況，綜合考慮斷層、覆巖層理、圍巖應力場等多重因素，采用FLAC3D數值計算軟件，研究該工作面在通過斷層群和地面水塘過程中上覆巖層塑性破壞狀態和應力場分布特征，確保安全生產。

1 工作面概況

34201工作面為中煤平朔井工三礦二采區的首采工作面，南鄰輔運大巷，北鄰邊界煤柱，西鄰采區邊界；東鄰34202工作面。工作面地面標高1 340.3～1 390.7 m，井下標高1 064.6～1 225.8 m。34201工作面煤層及圍巖屬于石炭系上統太原組上部含煤巖段，總體走向為100°～126°，東坡向斜北翼傾向為190°～216°，南翼傾向為10°～36°，煤層傾角為2°～17°，平均9°。煤層厚度為4.98～14.21 m，平均8.36 m，煤層硬度f=1～3。老頂為平均厚度6.42 m的K4砂巖，粗粒砂狀結構，直接底板為平均厚度3.49 m的砂質泥巖，老底為平均厚度3.54 m的中細粒砂巖。34201工作面東坡向斜核部斷層裂隙較為發育，屬于防治水工作的重點區域。該區域地表有一水塘，南北寬50～145 m，東西寬約260 m，水域面積1.5萬m2，水量約1.5萬m3，位于34201主運巷上方。34201工作面掘進過程中共揭露斷層32條，其中34201主運巷揭露2條大斷層Fs27和Fs28，最大落差為15 m，并形成地塹（圖1、圖2），工作面采用綜采放頂煤回采工藝，一次采全高，機采采高為3.3 m。

2 數值計算模型建立

本研究構建的數值計算模型長和高分別為600 m和150 m，采用放頂煤開采，其中采高為3.3 m，采用摩爾-庫侖屈服準則運算［15-16］。依據力學試驗獲得各巖層物理力學性質參數如表1所示。采深按300 m計，左右邊界為水平約束，下邊界垂直約束，模型頂部承載上覆巖層載荷。在各巖層之間設置層理參數，法向剛度8 GPa，切向剛度8 GPa，摩擦角為15°，計算模型設置22個測點（表2），以監測其位移變化和應力變化情況，計算模型如圖3所示。

3 層狀覆巖應力分布特征

采場的垂直應力云圖和水平應力云圖如圖4（a）和圖4（b）所示。當工作面推過地塹構造、采空區頂板基本穩定后，采空區上方包括Fs27和Fs28斷層均處于應力降低區內，工作面前方煤壁及其上方為應力升高區，最大垂直應力為17.86 MPa。由于斷層和層理的存在，采空區頂板上方的應力分布可能更為復雜。當斷層面所受切向應力大于其抗剪強度時，可能受到切向破壞而發生錯動，當斷層面所受法向拉應力大于其黏聚力時，斷層上下盤離層。圖4（b）中較大拉應力大小為2.768 MPa，大于巖體的抗拉強度，表明拉應力區巖體將發生塑性破壞，上覆巖層的拉應力區大致呈“S”型或“Z”型，即當拉應力區、層理、斷層相互貫通時，采空區有突水危險。

最大、最小應力云圖如圖4（c）和圖4（d）所示。在采空區上方巖層的最大主應力分布為一拱形圈，拱梁下厚而上薄；而最小主應力分布為“樹冠型”，根據摩爾庫倫準則可知，當σ1=ζσ3+σc時，巖體發生破壞，反之，則不破壞，ζ值與摩擦角有關，σc為單軸抗壓強度［17］。因此較大最大主應力和較小最小主應力的交叉區域巖體更容易發生破壞［18-19］，且其破壞形式主要為剪切破壞。采場圍巖的剪應力云圖如圖4（e）所示，剪應力集中區主要分布在煤壁上方并向采空區方向傾斜，其最大剪應力大小為7.99 MPa，將較大的最大主應力和較小的最小主應力放在一個圖形上，得到的交叉區域即為易發生剪切破壞區域，如圖4（f）所示。當交叉區域與拉應力區域貫通時，可能形成導水通道。在較大的最大主應力拱形圈內巖體破壞以剪切破壞為主，拱形圈內巖體破壞則以拉伸破壞為主。就本模型而言，拉應力區域尚未貫通，最大剪應力仍未達到巖體的抗剪強度，因此地表水對采空區的威脅不大。

4 上覆巖層活動特征

測點1～24的垂直位移變化曲線如圖5所示。由圖5（a）可知：層理1全部發生離層，Fs27和Fs28斷層之間的離層量最大為1.4 m，測點3和測點4之間的位移差從162 000步開始逐漸增大，此時工作面推過斷層Fs27；測點5和測點6之間的位移差從145 000步開始逐漸增大，此時工作面推過斷層Fs28；從而表明斷層對層理1的離層影響較大。由圖5（b）可知：層理2的部分區域發生明顯離層，最大離層位置在兩斷層之間，離層量約0.5 m；測點9和測點10之間發生離層時間約157 000步，測點11和測點12之間發生離層時間約145 000步。由圖5（c）可知：層理3僅在地塹區域發生離層，離層量約0.2 m，開始離層時間約145 000步。由圖5（c）可知：層理4的3對測點均按照相同的速度下沉，表明層理4尚未離層。

5 導水通道空間分布特征

工作面推過Fs27斷層170 m時的垂直位移如圖6所示，塑性破壞區分布如圖7所示。在Fs27斷層后方的K4砂巖垂直位移量較大，最大達到4 m左右，可判斷采空區頂板上方16 m左右的巖體已經垮落，而在頂板上方16～59 m之間的中砂巖也有一定的下沉量，約1 m；在Fs27斷層前方100 m左右范圍內的粗砂巖垂直位移量較大，采空區頂板上方6 m左右完全垮落［20］。此時采空區上方有拉伸破壞區和剪切破壞區，而離層主要發生在砂質泥巖層及以下部分（采空區頂板上方73 m以內），采場圍巖的塑性破壞區、斷層活化區、巖層離層區與地面水塘尚未相互導通，其上方的粗砂巖、砂質泥巖和黏土層仍可形成隔水層。

6 結論

以中煤平朔井工三礦34201綜放工作面過斷層群為工程背景，建立了與實際條件大致吻合的數值模型，分析了工作面推過斷層群的垂直應力、水平應力和剪應力等分布特征，追蹤了不同層位測點的位移過程，獲得了采場頂板上方塑性區、斷層面、巖層層理的活動狀態，分析了導水通道形成機理。得到以下結論：

（1）在層理發育的地質條件下，上覆巖層的拉應力區大致呈“S”型或“Z”型分布；最大主應力大致呈拱形分布，拱梁下厚而上薄；最小主應力分布為“樹冠型”，較大最大主應力與較小最小主應力區域存在交叉，在交叉區域內，巖體更容易發生剪切破壞，當拉伸破壞區、剪切破壞區以及離層區均與斷層貫通時，上覆巖層導水通道即可形成。

（2）導水通道主要是由頂板上方離層區、斷層面以及剪切破壞區等相互連通而形成，因此針對類似條件，可采取采空區充填、降低采高、離層注漿等措施，以防導水通道貫通。

（3）34201工作面過斷層Fs27和Fs28斷層群時，Fs27和Fs28斷層均有一定范圍的錯動活化，采空區離層主要發生在頂板上方73 m以內；采取降低采高等措施后，有效控制了上覆巖層的塑性破壞區、斷層活化區的發育范圍，保證了安全生產。