煤层底板隐伏断层承压水导升机制研究

杨 鹏

(山西怀仁中能芦子沟煤业有限责任公司,山西 朔州 038300)

随着赋存条件良好的资源开采殆尽,煤炭资源开采向深部转移。由于深部地层隐伏断层具有发育广、分布密集等特点,在水文地质环境恶劣的井田中,底板隐伏断层容易成为诱发矿井水害的重要影响因素[1-2]。

底板承压水在隐伏断层中的导升机制是揭示工作面与采空区底板突水的关键问题[3-4],作为天然的导水通道,隐伏断层对隔水层的隔水能力具有明显的劣化作用[5]。刘志军等[6]通过有限元程序建立了流固耦合模型,分析了断层要素与突水规律之间的联系。王进尚等[7]建立了断层导升力学模型与临界突水解析式。张鹏等[8]基于理论分析和数值模拟方案总结了断层活化状态下的采空区滞后突水机制。

在已有的研究成果中,学者对断层与突水之间的力学联系进行了多方位研究,然而对于断层分布形式的研究较少。为深入研究采动过程中的不同断层分布形式下承压水导升机制,运用数值模拟方法,建立正、逆断层模型,分析采动应力影响下2种断层的承压水导升机制,以期为矿井防治水工作提供指导。

1 底板隐伏断层承压水数值建模

底板隐伏断层作为诱发矿井水害的典型地质构造常常危害矿井的安全生产工作,采动过程中伴随的采动应力促使隔水层岩体裂隙快速发育,为底板承压水提供导升通道。由于底板承压水受采动应力影响下的发育规律复杂,为研究正逆断层对承压水导升机制的影响,采用数值模拟方法对底板渗流场演化规律进行分析。运用FLAC3D数值模拟软件,通过流固耦合模块与fish语言进行建模与计算分析。

建立350 m×350 m×166 m的数值模型,其中隔水层高度为60 m,断层在煤层走向170 m处,共设置两种断层类型,分别为正断层与逆断层,工作面采高为6 m,回采过程中,在采区四周边界留设100 m隔离煤柱,每次开挖步距为10 m,数值模型建模示意图如图1所示。数值模拟采用摩尔库伦本构模型模拟岩体,采用fluid fl_isotropic模拟承压水渗流过程。固定模型四周与底部边界,在上方施加20 MPa垂直地应力,承压水压力设置为7 MPa.根据芦子沟煤矿钻孔取芯岩石的力学测试结果,所模拟的3号煤层与顶底板岩性参数如表1所示。

表1 数值模拟模型参数

图1 底板隐伏断层数值模型

2 隐伏正断层涌水通道分析

为探明隐伏正断层对底板承压水演化过程的影响,对数值模型进行开挖计算,绘制工作面推进90 m、110 m、130 m、150 m的塑性区与渗流场演化云图如图2所示。

图2 正断层条件下采动过程中塑性区与渗流场演化云图

当工作面推进90 m时,在渗流场方面,底板含水层受到扰动应力呈现出明显的应力集中区,即为强渗透区,此区域位于采空区的正下方,邻近正断层的左侧,底板含水层向正断层内部汇聚,由正断层尖端向工作面推进方向发展。在塑性区方面,煤层底板受采动影响的塑性区发育深度约为20 m,并且主要以剪切破坏与拉伸破坏为主,并未贯通底板含水层,对于含水层具有隔水能力。

当工作面推进110 m时,在渗流场方面,底板含水层出现明显的剪切破坏与拉伸破坏塑性区,表明此时承压水已经具有突破隔水层的能力,在逆工作面推进方向上形成突水通道1,工作面的水头沿横向进行转移。在塑性区方面,底板塑性区深度进一步扩展,并表现出明显的“V”字形发育趋势,底板破坏深度约为30 m,即将贯通底板含水层,隔水能力已进入临界点。

当工作面推进130 m时,在渗流场方面,底板含水层已经完全贯通底板的塑性区,含水层承压水联通采空区底板的涌水通道以正断层作为基础,并且发育完全,即突水通道2。在塑性区方面,地板塑性区扩展深度在涌水通道形成后并无明显变化,其演化趋势主要沿工作面推进方向,向横向转移,由“V”字形转变为“W”形。

当工作面继续推进至150 m时,突水通道2的宽度发生宏观扩展,并且在正断层的涌水入口处出现强渗透区域,对采空区底板突水具有促进作用,进一步深化了底板“W”形塑性区发育特征。

3 隐伏逆断层涌水通道分析

为探明隐伏逆断层对底板承压水演化过程的影响,对数值模型进行开挖计算,绘制工作面推进90 m、110 m、130 m、150 m的塑性区与渗流场演化云图如图3所示。

图3 正断层条件下采动过程中塑性区与渗流场演化云图

当工作面推进90 m时,在渗流场方面,由于采动应力集中与断层的分布影响,含水层出现强渗透区,同时由于逆断层导水压力的方向与工作面推进方向相反,承压水在逆断层附近出现水头转移现象。在塑性区方面,工作面底板塑性区发育深度相较于正断层情况下较浅,约为16 m,原因是当采空区开外后产生的扰动应力在断层处的应力分量分布形式不同,正断层所受应力分量沿断层走向向下时对于断层具有剪切作用力,而逆断层所受应力分量沿断层走向向下时对于断层的剪切作用力较小。

当工作面推进110 m时,在渗流场方面,在逆工作面推进方向上出现渗流通道,含水层轻微发育塑性区,其发育范围低于正断层模型。在塑性区方面,底板塑性区主要以剪切破坏与拉伸破坏为主,塑性区扩展范围与工作面推进距离的关系并不明显。

当工作面推进130 m时,在渗流场方面,在断层附近的含水层塑性区快速发育,受断层的应力集中作用,在逆断层的尖端出现原位张裂区,此区域的产生受承压水的影响较小,主要为采动应力造成的塑性破坏。在塑性区方面,工作面底板塑性区深度约为19 m,随工作面的推进逐渐延长。

当工作面继续推进至150 m时,在逆断层两侧,塑性区大量发育,承压水应力集中现象更加明显,在隔水层中间位置出现对称原位张裂区。底板塑性区的发育深度基本固定在20 m左右,不具备贯通隔水层裂隙带的能力。

4 采动影响下底板隐伏断层突水机理

回采工作面与采空区中的底板突水受到采动应力与含水层压力的耦合作用。根据上述数值模拟结果分析可知,随着工作面的持续推进,当工作面推进到130 m后,底板由采动应力引发的底板塑性破坏区深度基本不变,表明采动作用造成底板破坏的能力具有极限性。因此,当隔水层厚度足够大时,可以在根本上避免导水裂隙的联通。然而由于隐伏断层的存在,将弱化隔水层的隔水能力,同时受制于正、逆断层的分布形式,底板含水层的导升机制也存在差异性。

根据数值模拟结果表明:①正、逆断层类型对采动塑性区的发育形式具有主导作用,当底板为正断层时,采动过程中的底板破坏形式为“V”形向“W”形的演变,当底板为逆断层时,底板将会在隔水层中间位置出现对称原位张裂区;②正、逆断层均率先在后方产生突水通道1,而后在断层正方产生突水通道2,此现象与工程实际中采空区突水的滞后现象相吻合;③采动应力对正断层的活化作用高于逆断层,原因是当采空区开外后产生的扰动应力在断层处的应力分量分布形式不同,正断层所受应力分量沿断层走向向下时的剪切作用力大于逆断层。

综上分析,隐伏断层具有良好的导水、储水性能,是煤层底板发生突水事故的充分条件,其诱发突水的关键在于受到采动影响时,断层塑性区与底板塑性区是否可以形成贯通连接。为此,可将底板隐伏断层模型划分为隐伏断层采动活化区、阻隔水区、采动影响区。如图4与图5所示。

图4 采动影响下底板正断层突水机理示意

图5 采动影响下底板逆断层突水机理示意

正断层中的采动影响区具有“W”形的发育特征,与断层采动活化区的导通能力更强,逆断层中的采动活化区主要向工作面推进的反向发展,与采动影响区的导通能力较弱,不易诱发底板突水灾害。断层采动化区两侧为承压水导升带,在采动应力集中的影响下,将作为断层采动活化区的充水水源导通煤层底板。

5 结 语

1) 正、逆断层类型对采动塑性区的发育形式具有主导作用,当底板为正断层时,采动过程中的底板破坏形式为“V”形向“W”形的演变,当底板为逆断层时,底板将会在隔水层中间位置出现对称原位张裂区。

2) 采动作用造成底板破坏深度不会随推进距离的增加而继续扩展。底板突水通道从断层后发育时间快于断层前方。当采空区开外后产生的扰动应力在断层处的应力分量分布形式不同,正断层所受应力分量沿断层走向向下时的剪切作用力大于逆断层。采动应力对正断层的活化作用高于逆断层。

3) 将底板隐伏断层模型划分为隐伏断层采动活化区、阻隔水区、采动影响区。断层采动化区两侧为承压水导升带,在采动应力集中的影响下,将作为断层采动活化区的充水水源导通煤层底板。在此基础上,进一步揭示了断层对于承压水的导升机制。