采动与隐伏断层双重作用下底板破坏特征

张志巍，张玉军，2，3，张风达，2，3

（1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京100013；3.中煤科工开采研究院有限公司，北京100013）

我国约有60%的煤矿受不同程度的水害威胁，随工程地质与水文地质的变化，煤层与承压含水层间的岩体采动变形破坏范围对煤矿安全开采的影响更加深远，底板采动破坏最大深度对于研究底板岩层隔水性能和预防底板突水具有重要意义[1-3]。

煤层开采形成采空区和引发原岩应力失衡，随工作面推进煤壁后方底板压缩岩体发生膨胀剪切破坏而向采空区自由空间产生位移。张金才等[4]基于弹性力学和半无限体理论，研究了底板破坏机理和最大破坏深度；孟祥瑞等[5]分析了底板应力大小及分布规律和最大破坏深度位置的关系；彭苏萍等[6]通过建立断裂力学模型，理论计算了底板破坏深度值；孙闯等[7]针对倾斜长壁开采工作面，基于断裂力学理论和Mohr-Coulomb 屈服准则，得出底板破坏深度计算公式；张风达等[8]运用半无限体理论并结合塑性力学滑移线场理论分析岩石内摩擦角、黏聚力对底板破坏深度的影响关系；张鑫等[9]针对不同含水层水压条件下含隐伏断层煤层底板采动破坏过程进行了数值模拟研究；张培森等[10]利用FLAC3D数值模拟得出含隐伏断层煤层底板滞后突水与隐伏断层空间位置及发育程度、承压水水压影响因素的关系；杨登峰等[11]针对含隐伏断层煤层底板采动破坏区域分布特征进行数值模拟，结果表明隐伏断层采动活化更易发生底板突水；张文忠[12]基于矿山压力与岩层控制理论，得出断层水压增高规律及其计算公式，分析了底板隐伏断层突水的力学原理。

据统计大量矿井突水事故表明隐伏断层和采动裂隙是造成水害发生的显著影响因素[13]。多数水害事故都是采掘工作面揭露或者采动裂隙贯通隐伏断层造成的[14]，承压水的导升受制于岩层隔水性能，且随导升而水压递减，而且完整型底板导升高度有限，更多突水事故的发生主要由于底板采动破坏裂隙向下贯穿隔水层，煤层底板一定深度的隐伏断层无疑对底板裂隙扩展范围增加起到积极作用，从而增加底板突水几率。

底板岩体采动破坏范围受煤层埋深、开采空间、煤层倾角等主控因素影响，完整型底板塑性区的形态近似“勺形”[15]，隐伏断层存在情况下的底板岩体可看做已经具有一定破坏深度缺陷岩体，隐伏断层对于底板采动裂隙发育将起到促进作用，探究此类型的底板岩体采动破坏分布规律和破坏最大深度具有重要现实意义。为此在隐伏断层接近煤层底板条件下的底板岩层采动裂隙发育范围，采用数值计算和现场测试相结合的方法探究含隐伏断层底板岩体采动破坏特征。

1 矿井地质概况

山西某矿工作面斜长248.5 m，长度3 140 m，目前主采的9 号煤层赋存条件稳定，煤层倾角平均为5°，属于近水平煤层，煤层厚度平均11.9 m，平均埋深377 m，工作面下伏有奥灰承压含水层，局部区域属于带压开采，隔水层厚度21.60～61.42 m，平均厚度50 m，工作面内断层构造发育，但落差一般较小且多为巷道掘进揭露断层或接近煤层底板。

2 底板岩体含隐伏断层采动破坏范围数值研究

2.1 力学参数和数值模型

根据工作面周边钻孔取心资料，将相邻相近岩性的岩层概化归一以便于数值模型的简化和建立，根据岩样岩石力学参数室内实验，确定的数值模型各岩层的力学参数见表1。

表1 模型各岩层的岩石力学参数Table 1 Rock mechanics parameters of each rock stratum in the model

根据该工作面形成时揭露的断层情况以及采矿工程地质条件，采用FLAC3D数值计算软件建立的数值计算模型如图1。

该模型x 向（倾向）宽度350 m，回采宽度248 m，模型y 向（走向）长度为300 m，沿煤层走向在50 m 处开挖，开挖步距10 m，共开挖15 步（150 m），模拟工作面埋深377 m，模型高度为158 m，模型上覆岩层设为7.0 MPa 均布载荷，模拟煤层开采厚度12 m，模型倾角0°，断层落差3 m，断层位于模型112 m处，断层顶部据煤层底板6 m，断层面采用FLAC3D自带interface 结构面单元来模拟，断层面周边网格模拟断层带岩体。

图1 数值计算模型Fig.1 Numerical calculation model

2.2 模拟结果

煤层开采后形成采空区，原岩应力的平衡状态被打破，采空区底板岩体在卸荷作用下发生拉伸变形破坏形成一定范围的塑性破坏区，在工作面后方，底板采动裂隙带随着工作面推进距离增加而不断向下延伸，破坏岩体范围不断扩大，不同开挖距离的底板破坏范围如图2。

图2 不同开挖距离的底板破坏范围Fig.2 The floor failure range of different excavation distances

当采空区形成一定范围后，原始煤层上部岩层垮落重新压实采空区且底板岩体卸荷作用减弱，从而底板采动断裂带发育减缓直至停止，推进过程中发现未受隐伏断层影响的底板最大破坏深度要小于靠近隐伏断层附近的底板岩体，对比图2（c）、图2（e）可知，模型开挖20～40 m 时，距隐伏断层远处底板岩体采动裂隙发育速度较快，最大破坏深度达到最大值约18 m。当工作面推进至隐伏断层前方约60 m 时，隐伏断层两侧岩体发生变形破坏，且随着工作面继续推进，底板岩体破坏范围将沿着断层延伸方向逆工作面推进方向发展，使得采动裂隙继续向下发育，增加底板最大破坏深度，加剧底板突水危险性。模型开挖80 m 时，受隐伏断层及采动应力的双重影响，底板采动裂隙发育深度达到最值约28 m，工作面过断层后，随着模型继续开挖发现底板塑性区扩展路径将沿着隐伏断层顶部斜向下发展，与断层前方塑性区形成以隐伏断层顶部为竖轴的正“八”字对称形态。

综上分析，该工作面底板岩体最大采动破坏深度约为28 m，虽距平均隔水层厚度50 m 还有一定厚度的安全保护层，但局部块断隔水层厚度变薄，面对强富水性、高水压奥灰含水层仍具有突水危险性，应时刻加强矿井水文监测预警工作，考虑隐伏断层存在条件下的底板破坏深度最值来制定底板防治水措施。

3 现场测试

3.1 钻孔探测设备

本次井下底板采动裂隙发育深度及程度观测采用钻孔彩色电视系统，主要包括高清摄像头、专用信号传输电缆、主机系统、深度计数器、三脚架、探头导向轮等，钻孔电视探测系统如图3。

图3 钻孔电视探测系统Fig.3 Drilling television detection system

通过自带光源摄像探头能够全方位显现孔内岩层岩性、构造、裂隙等地质情况，通过孔内图像裂隙分布深度及发育程度分析采动应力作用下底板最大破坏深度。

3.2 钻孔探测方案

底板岩层的受力和变形以及分带性特征是钻孔实测的理论基础，依据底板破坏的理论特征，设计底板采动破坏带的实测钻孔。设计钻场位于该工作面的辅运巷内某一断层附近，观测钻孔的孔位、终孔深度、钻孔倾角、钻孔结构是保障钻孔电视系统安全、准确、直观呈现孔内岩体裂隙发育情况的关键因素。观测钻孔实际设计参数见表2。

表2 观测钻孔实际设计参数Table 2 Actual design parameters of observation borehole

3.3 探测结果

工作面推过观测钻孔50 m 时，截取不同孔深的孔壁岩体变形破坏清晰图像如图4。

图4 不同孔深的钻孔电视图像Fig.4 Television images of drilling holes of different depths

受历史地质作用影响，目前存在条件下的煤层底板岩体内部普遍发育有角度紊乱、宽窄不一的裂隙结构面，采矿活动引发原始应力失衡-再平衡过程，采动压剪应力造成煤层底板裂隙的扩展与贯通，沿最低能量应力路径突破形成更大面积的连续弱面，且在底板空间不同深度表现出不同的矿压破坏现象。图4（a）为孔深21.42 m 位置，对应垂深14.88 m，出现了大角度倾斜“环形”的层叠状破坏圈，破裂面上下岩体完整型较好，分析地质成因是此处存在弱胶结型结构面且对矿压传递有阻抗作用。图4（b）为孔深31.28 m 位置，对应垂深21.73 m，明显看出原岩应力发生巨大变化导致的破碎性贯通裂缝，裂缝形态表现出以横向为主、纵向交叉贯通的特点，总体上仍呈现出裂纹贯通型“环形”破坏圈的特征，但环形圈的角度较小裂纹宽度较小；图4（c）与图4（b）距离较近，周围孔壁岩体破环特征总体相似但破坏程度强于图4（b），呈现出裂缝贯通型“环形”破坏圈的特征，裂缝宽度较大；受钻孔倾角影响，孔壁岩体“环形”破坏圈在表现出宽窄范围的差异。图4（d）位于孔深35.64 m，对应垂深24.76 m，横向裂缝的“环形”破坏圈的轮廓仍很明显，但裂缝连接性减弱，出现离散的多角度交叉裂缝和高角度纵向裂缝，岩体破坏程度明显减弱。图4（e）位于孔深40.48 m，对应垂深28.12 m，可以看出裂缝数量急剧减小，但出现了长度与宽度均较大的单一裂缝，裂缝出现向上扩展的趋势，分析裂缝成因是底板岩体采后卸荷作用，孔壁周边岩体完整性较好。受限于冲孔水压，观测钻孔孔底仍存有少量岩粉，探测仪器未完全放入空底，但通过图4（f）可看出在孔深41.99 m 处，对应底板垂深29.12 m，孔壁岩体完整，未观测到明显裂纹，表明底板岩体矿压传递破坏能力到此已经十分微弱，此处以深岩体能够抵抗底板采动卸荷作用而保持自身结构的稳定性。综上分析得出，该工作面底板采动裂隙发育最大深度在29 m 左右。

利用钻孔彩色电视系统实测得出的煤层底板采动最大破坏深度与实际采矿地质条件下采用数值模拟研究方法得出的计算结果误差为3.4%左右，说明了数值模拟结果的合理性。

4 结 论

1）随工作面推进底板岩体经历压缩-膨胀-重新压实的循环过程，采动应力变化导致底板塑性区范围不断扩大，底板破坏深度渐进增加，距底板隐伏断层远处的完整型底板岩体最大破坏深度约为18 m；靠近隐伏断层的底板岩体引起应力集中，更利于底板破坏，最大破坏深度约为28 m。隐伏断层是促进底板破坏深度增加的积极因子。

2）受隐伏断层存在的影响，底板岩体采动破坏范围呈现出以过隐伏断层定点竖轴为对称轴的正“八”字型破坏形态。

3）底板在矿压作用下出现多角度交叉裂隙，在孔深31 m 左右处（垂深21.5 m）破碎最为严重，采动破坏深度最值约为29 m，与数值模拟结果相差3.4%左右。