煤層底板隱伏斷層承壓水導升機制研究

楊 鵬

(山西懷仁中能蘆子溝煤業有限責任公司,山西 朔州 038300)

隨著賦存條件良好的資源開采殆盡,煤炭資源開采向深部轉移。由于深部地層隱伏斷層具有發育廣、分布密集等特點,在水文地質環境惡劣的井田中,底板隱伏斷層容易成為誘發礦井水害的重要影響因素[1-2]。

底板承壓水在隱伏斷層中的導升機制是揭示工作面與采空區底板突水的關鍵問題[3-4],作為天然的導水通道,隱伏斷層對隔水層的隔水能力具有明顯的劣化作用[5]。劉志軍等[6]通過有限元程序建立了流固耦合模型,分析了斷層要素與突水規律之間的聯系。王進尚等[7]建立了斷層導升力學模型與臨界突水解析式。張鵬等[8]基于理論分析和數值模擬方案總結了斷層活化狀態下的采空區滯后突水機制。

在已有的研究成果中,學者對斷層與突水之間的力學聯系進行了多方位研究,然而對于斷層分布形式的研究較少。為深入研究采動過程中的不同斷層分布形式下承壓水導升機制,運用數值模擬方法,建立正、逆斷層模型,分析采動應力影響下2種斷層的承壓水導升機制,以期為礦井防治水工作提供指導。

1 底板隱伏斷層承壓水數值建模

底板隱伏斷層作為誘發礦井水害的典型地質構造常常危害礦井的安全生產工作,采動過程中伴隨的采動應力促使隔水層巖體裂隙快速發育,為底板承壓水提供導升通道。由于底板承壓水受采動應力影響下的發育規律復雜,為研究正逆斷層對承壓水導升機制的影響,采用數值模擬方法對底板滲流場演化規律進行分析。運用FLAC3D數值模擬軟件,通過流固耦合模塊與fish語言進行建模與計算分析。

建立350 m×350 m×166 m的數值模型,其中隔水層高度為60 m,斷層在煤層走向170 m處,共設置兩種斷層類型,分別為正斷層與逆斷層,工作面采高為6 m,回采過程中,在采區四周邊界留設100 m隔離煤柱,每次開挖步距為10 m,數值模型建模示意圖如圖1所示。數值模擬采用摩爾庫倫本構模型模擬巖體,采用fluid fl_isotropic模擬承壓水滲流過程。固定模型四周與底部邊界,在上方施加20 MPa垂直地應力,承壓水壓力設置為7 MPa.根據蘆子溝煤礦鉆孔取芯巖石的力學測試結果,所模擬的3號煤層與頂底板巖性參數如表1所示。

表1 數值模擬模型參數

圖1 底板隱伏斷層數值模型

2 隱伏正斷層涌水通道分析

為探明隱伏正斷層對底板承壓水演化過程的影響,對數值模型進行開挖計算,繪制工作面推進90 m、110 m、130 m、150 m的塑性區與滲流場演化云圖如圖2所示。

圖2 正斷層條件下采動過程中塑性區與滲流場演化云圖

當工作面推進90 m時,在滲流場方面,底板含水層受到擾動應力呈現出明顯的應力集中區,即為強滲透區,此區域位于采空區的正下方,鄰近正斷層的左側,底板含水層向正斷層內部匯聚,由正斷層尖端向工作面推進方向發展。在塑性區方面,煤層底板受采動影響的塑性區發育深度約為20 m,并且主要以剪切破壞與拉伸破壞為主,并未貫通底板含水層,對于含水層具有隔水能力。

當工作面推進110 m時,在滲流場方面,底板含水層出現明顯的剪切破壞與拉伸破壞塑性區,表明此時承壓水已經具有突破隔水層的能力,在逆工作面推進方向上形成突水通道1,工作面的水頭沿橫向進行轉移。在塑性區方面,底板塑性區深度進一步擴展,并表現出明顯的“V”字形發育趨勢,底板破壞深度約為30 m,即將貫通底板含水層,隔水能力已進入臨界點。

當工作面推進130 m時,在滲流場方面,底板含水層已經完全貫通底板的塑性區,含水層承壓水聯通采空區底板的涌水通道以正斷層作為基礎,并且發育完全,即突水通道2。在塑性區方面,地板塑性區擴展深度在涌水通道形成后并無明顯變化,其演化趨勢主要沿工作面推進方向,向橫向轉移,由“V”字形轉變為“W”形。

當工作面繼續推進至150 m時,突水通道2的寬度發生宏觀擴展,并且在正斷層的涌水入口處出現強滲透區域,對采空區底板突水具有促進作用,進一步深化了底板“W”形塑性區發育特征。

3 隱伏逆斷層涌水通道分析

為探明隱伏逆斷層對底板承壓水演化過程的影響,對數值模型進行開挖計算,繪制工作面推進90 m、110 m、130 m、150 m的塑性區與滲流場演化云圖如圖3所示。

圖3 正斷層條件下采動過程中塑性區與滲流場演化云圖

當工作面推進90 m時,在滲流場方面,由于采動應力集中與斷層的分布影響,含水層出現強滲透區,同時由于逆斷層導水壓力的方向與工作面推進方向相反,承壓水在逆斷層附近出現水頭轉移現象。在塑性區方面,工作面底板塑性區發育深度相較于正斷層情況下較淺,約為16 m,原因是當采空區開外后產生的擾動應力在斷層處的應力分量分布形式不同,正斷層所受應力分量沿斷層走向向下時對于斷層具有剪切作用力,而逆斷層所受應力分量沿斷層走向向下時對于斷層的剪切作用力較小。

當工作面推進110 m時,在滲流場方面,在逆工作面推進方向上出現滲流通道,含水層輕微發育塑性區,其發育范圍低于正斷層模型。在塑性區方面,底板塑性區主要以剪切破壞與拉伸破壞為主,塑性區擴展范圍與工作面推進距離的關系并不明顯。

當工作面推進130 m時,在滲流場方面,在斷層附近的含水層塑性區快速發育,受斷層的應力集中作用,在逆斷層的尖端出現原位張裂區,此區域的產生受承壓水的影響較小,主要為采動應力造成的塑性破壞。在塑性區方面,工作面底板塑性區深度約為19 m,隨工作面的推進逐漸延長。

當工作面繼續推進至150 m時,在逆斷層兩側,塑性區大量發育,承壓水應力集中現象更加明顯,在隔水層中間位置出現對稱原位張裂區。底板塑性區的發育深度基本固定在20 m左右,不具備貫通隔水層裂隙帶的能力。

4 采動影響下底板隱伏斷層突水機理

回采工作面與采空區中的底板突水受到采動應力與含水層壓力的耦合作用。根據上述數值模擬結果分析可知,隨著工作面的持續推進,當工作面推進到130 m后,底板由采動應力引發的底板塑性破壞區深度基本不變,表明采動作用造成底板破壞的能力具有極限性。因此,當隔水層厚度足夠大時,可以在根本上避免導水裂隙的聯通。然而由于隱伏斷層的存在,將弱化隔水層的隔水能力,同時受制于正、逆斷層的分布形式,底板含水層的導升機制也存在差異性。

根據數值模擬結果表明:①正、逆斷層類型對采動塑性區的發育形式具有主導作用,當底板為正斷層時,采動過程中的底板破壞形式為“V”形向“W”形的演變,當底板為逆斷層時,底板將會在隔水層中間位置出現對稱原位張裂區;②正、逆斷層均率先在后方產生突水通道1,而后在斷層正方產生突水通道2,此現象與工程實際中采空區突水的滯后現象相吻合;③采動應力對正斷層的活化作用高于逆斷層,原因是當采空區開外后產生的擾動應力在斷層處的應力分量分布形式不同,正斷層所受應力分量沿斷層走向向下時的剪切作用力大于逆斷層。

綜上分析,隱伏斷層具有良好的導水、儲水性能,是煤層底板發生突水事故的充分條件,其誘發突水的關鍵在于受到采動影響時,斷層塑性區與底板塑性區是否可以形成貫通連接。為此,可將底板隱伏斷層模型劃分為隱伏斷層采動活化區、阻隔水區、采動影響區。如圖4與圖5所示。

圖4 采動影響下底板正斷層突水機理示意

圖5 采動影響下底板逆斷層突水機理示意

正斷層中的采動影響區具有“W”形的發育特征,與斷層采動活化區的導通能力更強,逆斷層中的采動活化區主要向工作面推進的反向發展,與采動影響區的導通能力較弱,不易誘發底板突水災害。斷層采動化區兩側為承壓水導升帶,在采動應力集中的影響下,將作為斷層采動活化區的充水水源導通煤層底板。

5 結 語

1) 正、逆斷層類型對采動塑性區的發育形式具有主導作用,當底板為正斷層時,采動過程中的底板破壞形式為“V”形向“W”形的演變,當底板為逆斷層時,底板將會在隔水層中間位置出現對稱原位張裂區。

2) 采動作用造成底板破壞深度不會隨推進距離的增加而繼續擴展。底板突水通道從斷層后發育時間快于斷層前方。當采空區開外后產生的擾動應力在斷層處的應力分量分布形式不同,正斷層所受應力分量沿斷層走向向下時的剪切作用力大于逆斷層。采動應力對正斷層的活化作用高于逆斷層。

3) 將底板隱伏斷層模型劃分為隱伏斷層采動活化區、阻隔水區、采動影響區。斷層采動化區兩側為承壓水導升帶,在采動應力集中的影響下,將作為斷層采動活化區的充水水源導通煤層底板。在此基礎上,進一步揭示了斷層對于承壓水的導升機制。