基于不同正断层角度的上盘工作面突水数值模拟分析

刘晋予

(山西煤炭进出口集团 蒲县豹子沟煤业有限公司,山西 临汾 041204)

矿井水害严重影响着煤矿安全生产,给国家和人民带来巨大的损失。对于含有断层的工作面在开采过程中更易发生突水事故,研究表明,在诸多断层种类中正断层更易导水,而在正断层中不同的断层倾角对工作面突水的影响又有所不同,本文针对某矿41112工作面位于正断层上盘这一情况,模拟不同断层倾角条件下的工作面推进情况。研究不同断层倾角对工作面突水的影响。

1 工作面概况

某矿41112工作面,煤层结构复杂,煤层厚度变化较小,煤层中间有夹石,夹石层小于2层,煤层厚度平均1.8 m,视密度1.33 t/m,煤层埋深约740 m,底板与四灰距离35 m,四灰的厚度约8 m。工作面偏北侧为F21断层,北高南低,落差8 m～12 m,平均倾角59.6°。

2 数值模拟

2.1 FLAC3D原理

FLAC3D的原理是拉格朗日差分法,这种方法拥有和有限元法一样的优点,可以运用它来分析含有孔隙水压力的流固耦合的问题,它拥有很强的渗流运算能力,可以模拟多孔介质中的流体运动,可以单独运算流体模型,只考虑渗流作用,同时也可以进行流固耦合计算[1-3]。

2.2 模型建立

根据工作面的相关水文地质条件建立断层倾角分别为30°、45°、60°,长、宽、高分别为160 m、120 m、100 m的三种模型，见图1。力学边界条件为下部边界固定,设定埋深740 m,载荷均布在模型上部,上覆岩层的设定密度为2 600 kg/m3,水压力边界固定,底部含水层水压设为7.5 MPa。含水层岩体饱和度设为1,工作面底板内初始水压力是依据梯度水压的变化进行定义,工作面回采后采空区成为渗流边界,所以采空区边界取固定的水压力值为0。

工作面推进方向与断层走向平行,在断层的边界处留设20 m的煤柱,模型的边界留设20 m以防边界效应,工作面宽60 m,一次采全高。从y=20 m处开始推进,分5步开挖,每次10 m,最后推进到y=80 m处结束。分别选取y=40 m、y=50 m、y=60 m、y=70 m、y=80 m时的塑性区、孔隙压力的分布图研究它们在推进过程中的变化规律。

图1 不同断层倾角时的模型Fig.1 Models at different fault dips

2.2.1 断层倾角为30°的模型

1)塑性区分布规律。分析不同推进距离下的塑性区分布图(见图2)可知:在刚开始推进时,断层带已经出现了塑性破坏,这正印证了正断层带容易被破坏的特征;随着推进继续进行,在煤层顶板的塑性破坏区越来越大,留设的断层煤岩柱塑性破坏区域也逐渐增大直至完全被破坏,底板岩层的塑性破坏变化速度不如顶板,但底板破坏区域和深度也有所增大,靠近断层附近底板塑性区域有向着断层破碎带继续延伸的趋势,并且从底板塑性区整体来看,靠近断层侧塑性区范围大于远离断层的另一侧;当工作面推进结束时,煤层顶板、底板的塑性最大破坏深度分别达24 m、12 m。

图2 不同推进距离下塑性区分布图Fig.2 Distribution diagram of plastic zones at different advancing distances

2)孔隙压力分布规律。分析不同推进距离下的孔隙压力分布图(见图3)可知:在工作面刚开始推进时,处于断层下盘的承压水已经开始有沿着断层裂隙向上导升的趋势,断层的上下盘导水带尚未沟通;当工作面推进到y=50 m时,位于断层上、下盘处的导水带开始导通,继续推进后下部的承压水开始出现出现较为明显的导升;当工作面推进到y=

70 m时,承压水的导升趋势开始减缓,此时承压水区域及断层含水区域有向工作面下方底板区域扩散扩大的趋势;当工作面推进到y=80 m时,承压水继续导升且向煤层底板扩散范围扩大。与图2中的塑性区分布特征进行对比,分析原因,主要是工作面推进中,靠近断层附近底板塑性区范围及破坏深度增加,承压水沿裂隙渗透。

图3 不同推进距离下孔隙压力分布图Fig.3 Distribution diagram of pore pressure at different advancing distances

2.2.2 断层倾角为45°的模型

1)塑性区分布规律。分析不同推进距离下的塑性区分布图(见图4)可知:工作面推进时,断层带发生塑形破坏;随着工作面的推进,断层带和煤层顶板的塑性区范围持续变大,而底板在工作面推进到y=50 m时塑形区范围趋于稳定,破坏范围不在发生显著变化,而靠近断层侧底板的塑性区范围比远离断层侧明显偏大。将煤层工作面推进结束时,煤层顶板、底板的塑性最大破坏深度达到24 m、10 m;随推进距离增大,煤岩柱塑形破坏加大,且有与断层接通的趋势。

图4 不同推进距离下塑性区分布图Fig.4 Distribution diagram of plastic zones at different advancing distances

2)孔隙压力分布规律。分析不同推进距离下的孔隙压力分布图(见图5)可知:随着工作面推进,断层上、下盘的含水带接通,并且接通范围随推进明显增大;含水层水沿断层带向上导升,并且导升趋势及高度明显,当工作面推进到y=60 m时,导升已经接近煤层;工作面推进结束后,承压水到达煤柱附近且有向煤柱渗透的趋势,同时导升继续升高的趋势。如若此时煤柱因塑性破坏严重,极有可能使得断层内水进入工作面引起突水。

图5 不同推进距离下孔隙压力分布图Fig.5 Distribution diagram of pore pressure at different advancing distances

2.2.3 断层倾角为60°的模型

1)塑性区分布规律。分析不同推进距离下的塑性区分布图(见图6)可知:从图中可以看出,当工作面推进到y=40 m时,断层带整体发生塑形破坏;顶板的塑性区的范围随着继续推进而增大,底板处的塑性破坏区域基本不变,但靠近断层的范围比远离断层的范围大,随着推进的进行,煤岩柱的塑形破坏程度变大,有和断层相沟通的趋势。工作面推进结束时时,煤层顶、底板的最大塑性破坏深度达到24 m、10 m。

图6 不同推进距离下塑性区分布图Fig.6 Distribution diagram of plastic zones at different advancing distances

2)孔隙压力分布规律。分析不同推进距离下的孔隙压力分布图(见图7)可知:随工作面推进,断层上、下盘的含水带快速贯通,承压水沿断层带导升速度十分明显;工作面推进到y=50 m时,承压水到达工作面附近且向煤层渗透,范围比较明显,且在下盘煤层出现渗透;推进结束时,承压水继续向上导升,且断层上、下盘煤层区域渗透范围有变大的趋势。

图7 不同推进距离下孔隙压力分布图Fig.7 Distribution diagram of pore pressure at different advancing distances

综合不同断层倾角的模拟结果分析可知,底板塑性破坏范围及深度随断层倾角的增大有减小趋势,其中靠近断层侧塑性区变化最为明显,破坏深度由倾角30°时的12 m减小到60°时的10 m;断层倾角为30°时,断层边界煤岩柱完全发生塑形破坏,而45°、60°时,煤岩柱塑形区变大,却未完全破坏;随断层倾角增大,孔隙压力从2 MPa增加到4 MPa,承压水的导升高越明显,从倾角30°时的5 m增大到60°时的12 m,增加率达140%,但30°时,承压水在底板渗透范围较大[4-5]。

3 结论

1)断层倾角越小,底板及煤岩柱塑性破坏越严重,底板断层及含水层越容易与底板塑性区导通引发突水。

2)断层倾角越大,断层越容易活化成为承压水导升通路,且导升幅度不断增加,此时断层内水容易通过煤柱塑性区与工作面导通引起突水。

[1] 卜万奎,茅献彪.断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(2):386-394. BU Wankui,MAO Xianbiao.Research on Effect of Fault Dip on Fault Activation and Water Inursh of Coal Floor[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(2):386-394.

[2] 苗旺,张培森,王浩,等.断层倾角对逆断层活化规律影响的模拟分析[J].煤矿安全,2016,47(9):187-189,193. MIAO Wang,ZHANG Peisen,WANG Hao,etal.Simulation Analysis for Effect of Fault Dip on Reverse Fault Activation [J].Safety in Coal Mines,2016,47(9):187-189,193.

[3] 吴佐汉,金爱兵,吴顺川,等.断层倾角对煤层底板突水影响的机理研究[J].煤炭技术,2014,33(7):57-60. WU Zuohan,JIN Aibing,WU Shunchuan,etal.Study of Mechanism About Fault Dip’s Impact on Water Inrush of Coal Floor [J].Coal Technology,2014,33(7):57-60.

[4] 张宁.采动条件下断层组合突水数值模拟及防治研究[D].青岛:山东科技大学,2015.

[5] 陈文国.工作面走向断层突水模拟及防治研究[D].青岛:山东科技大学,2016.