断层带承压水导升特性相似材料试验研究

武守鑫，刘 冲，史莉红，张宏伟，张卫强

(山西新元煤炭有限责任公司， 山西 晋中 045400)

在煤层开采过程中含水层水压是底板突水的动力来源，隔水层是抑制承压水进入工作面的“屏障”，而底板作为一种非连续结构体在形成过程中往往会伴生断层等大型断裂构造，据相关资料统计，底板突水事故的80%与断层有关[1-2]，针对断层的突水机理，许多学者从数值模拟、物理实验的角度作了大量的深入研究[3-6]，并得出了诸多有价值的结论。但是由于研究手段的限制对断层带内部承压水导升规律的研究较少，本文运用自主研发的承压水导升系统及二维相似材料试验平台，对采动过程中断层带内承压水导升高度的变化情况进行系统分析。

1 试验装置改进及安装

试验前在试验台底座两侧安装前护板和后护板，形成安装槽，然后将立方体水袋内注满水，嵌挤平铺在安装槽内。立方体水袋上表面在长度方向按试验方案要求以一定间隔开孔，在开孔部位安装内外嵌套的密封接头，密封接头上安装宝塔变径。T型三通将各段导升管及试验台外侧的监测管连成一个整体后，将最下部一段导升管的下口插入到宝塔变径头上，监测管用d10 mm的刚性套管进行保护，其目的是为了保证监测管路不被土体压实，更加敏感的捕捉承压水的导升状况。每一段外伸的监测管需安装采集管，用于收集导升管上不同高度的水流量数据。在与立方体水袋连接前，先将隔膜式气压罐内部的水囊内注满水，通过稳压气泵向罐壁与水囊之间注入与立方体水袋初始水压值相等的压缩空气，并通过稳压气泵稳压，最后通过连接管将隔膜式气压罐的出水口与立方体水袋的进水口相连接。承压水导升系统结构示意图见图1.

图1 承压水导升系统结构示意图

立方体水袋上部煤层在模拟开挖过程中，底板岩层应力不断释放，当导升管附近岩层有裂隙产生时，立方体水袋内的水便会先进入导升管并经监测管流出。立方体水袋导升孔分布见图2，导升管局部图见图3. 随着导升管内水流导升高度的不断增加，会造成立方体水袋内的水压值低于试验水压值，而由于隔膜式气压罐内的气体压力一直维持在与试验水压值相等的恒压状态，所以在立方体水袋内的水压力出现下降后，隔膜式气压罐水囊内的水便会在罐壁与水囊之间气体压力的挤压作用下，通过连接管补充到立方体水袋中，使整个试验过程中立方体水袋内的水压一直维持恒压状态。隔膜式气压罐原理图见图4.

图2 立方体水袋导升孔分布图

图3 导升管局部图

图4 隔膜式气压罐原理图

2 试验方案设计及模型铺设

工作面走向长1 725.3 m(至收作线处)，倾斜宽185 m，煤层平均厚度2.8 m，突水危险源主要来自距煤层底部46 m的一灰含水层，一灰含水层顶界面隔水层承受太灰水压为4.06～5.18 MPa，突水系数值为0.112 MPa/m，工作面内发育有一条正断层，断层倾角60°，落差13 m，破碎带宽度4 m. 根据《煤矿防治水规定》底板受构造破坏块段的临界突水系数一般不大于0.06 MPa/m，正常块段不大于0.10 MPa/m，因此本区域属于突水危险性区域。工作面平面图见图5，底板地层综合柱状图见图6.

图5 工作面平面图

图6 研究区域底板地层综合柱状图

试验设备主要由二维相似材料模拟实验平台和自制的承压水导升系统组成。根据模拟试验台的尺寸(1 900 mm×220 mm×1 800 mm)及开挖要求，最终该次试验的几何相似比为Cl=1∶100，容重相似比为CP=1∶1.5，强度相似比为Cσ=1∶150，时间相似比为Ct=1∶10.

试验所用材料包括河沙、碳酸钙、石膏及云母。该次试验在底板岩层中共布置16个应力传感器、5根导升管，4根布设在采空区的中部，距开切眼的距离分别为10 cm(编号D1)、28 cm(编号D2)、38 cm(编号D4)、65 cm(编号D3)，见图7. 为监测工作面推进过程中断层带的活化特性，D5导升管沿断层倾角在断层破碎带内布置，长度为90 cm，从含水层一直延伸到煤层上部的粉砂岩中。

3 试验结果分析

因篇幅限制，本文仅以1-1、1-2、1-3测点为例对工作面采动过程中底板岩层的应力演化规律进行研究，并且通过对D5导升管水流导升数据的分析来剖析断层带内承压水的导升特性。

图7 试验方案设计图

3.1 断层带附近岩层应力演化规律

测点1-4、2-4、3-4、4-4均位于断层保护煤柱内，与断层带相距10 cm. 断层带附近底板应力曲线变化见图8. 由图8可知，开采初期工作面距测点较远所以各测点的应力值一直为0 MPa，随着工作面的持续推进，断层带附近岩层应力值不断增加，在距开切眼55 cm处测点1-4的应力值开始出现小幅递增变为-0.02 MPa. 因测点4-4距煤层较远，所以其压应力的峰值仅为-0.01 MPa，此外由于该测点距含水层(柔性水带)较近，在垂直向上的水压力的作用下，底板应力值在距开切眼90 cm处时上升为0 MPa，这一数值随着工作面的向前推进持续递增，当工作面回采结束时该测点处的底板已由采前的受压状态转变为膨胀状态。

图8 断层带附近底板应力曲线变化图

3.2 断层带内承压水导升特性研究

为研究断层活化特性与防水煤柱留设宽度的关系，设计的煤柱宽度为20 cm，在此基础上出于试验需要又向断层带方向推进了10 cm.

图9 断层带内不同监测管路水量变化图

图10 工作面推过设计停采线后不同监测管路水量变化图

因D5-1距含水层较近，所以在开采初期水流量便达到了9 mL/min，这一流量值要略大于同一标高的D2-4及D1-4监测管的8 mL/min. 主要原因是断层作为一种结构弱面其强度较低，所以在水压力的作用下其裂隙扩展的速率要大于结构完整的岩层。

在开挖前期只有D5-1和D5-2两个监测管有水流流出，并且流量值一直比较平稳，D5-1的流量值一直在12 mL/min左右，而D5-2的流量值基本维持在6 mL/min(图9). 随着工作面的持续推进，断层带岩层开始受到支承压力的影响，在距开切眼100 cm处(此时防水煤柱宽度为20 cm)测点D5-3也开始有水流流出。工作面推过设计停采线后不同监测管路水量变化见图10. 由图10可知，此时的水流导升高度为40 cm，但水流量仅为1 mL/min，这说明此时D5-3与D5-2测点之间导水通道的发育并不是特别的充分，并且因为D5-4监测管(距煤层垂直距离为10 cm)未有水流流出，说明此时工作面是安全的，这也间接的论证了该次试验所留设的煤柱宽度尺寸是合理的。

图11 断层带承压水导升高度变化图

在工作面推过设计停采线后，开挖步距减小为2 cm并一直开挖到试验停采线所在的位置。由图10可知，在工作面推过设计停采线2 cm后，D5-4和D5-5的出水量仍为0 mL/min外，其余4根监测管的流量都显著增加。在工作面推过设计停采线6 cm后，先前未有水流流出的D5-5(位于煤层上方2 cm处)流量值也变为1 mL/min，说明此时承压水已基本导升到工作面所在高度。当开挖到试验停采线时工作面与断层带之间保护煤柱的宽度仅剩10 cm，此时断层D5-6测点(位于煤层上方14 cm处)的出水量也达到了1 mL/min，这说明此时工作面顶板也将受到承压水的威胁(图11).

3.3 断层带附近裂隙发育规律研究

保护煤柱宽度不同时，断层顶板附近裂隙发育图见图12. 由图12可知，工作面推进到距断层带35 cm处时，断层下盘区域才有轻微的剪切裂隙产生，该裂隙的发育高度为10 cm，角度约为60°，宽度为1 mm. 在工作面推进到设计停采线时(此时保护煤柱宽度20 cm)，该裂隙的长度仅增加了2 cm，并且整个保护煤柱上方区域都未发现其他的裂隙。当工作面开挖到试验停采线时(此时保护煤柱宽度10 cm)裂隙的发育高度已为18.5 cm，与此同时D5-5监测管路也出现了有水流流出的迹象，这说明此时断层带内部已有导水通道形成。

图12 保护煤柱宽度不同时断层顶板附近裂隙发育图

4 结 论

1) 承压水导升系统不仅使得含水层对底板岩层的力学效用得以体现，而且实现了煤层开采过程中断层带内水流量及水流导升高度的动态观测。

2) 保护煤柱底板区域内以压应力为主，回采结束后含水层邻近岩层在水压力的作用下已由压缩状态过渡到膨胀状态。

3) 合理的防水煤柱尺寸可以有效抑制断层活化，当防水煤柱尺寸小于20 cm后断层带内水流导升高度迅速递增，工作面面临突水风险。