DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.031

带压开采煤层底板断层活化突水机理试验研究

李振华，翟常治，李龙飞

(河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作，454010)

摘要：为了研究含断层的底板隔水层在采动影响下的破坏动态过程，以焦作煤田赵固二矿11011工作面为研究背景，采用相似模拟试验的研究方法，对断层在整个开采过程中的活化动态进行观测，记录模型各个测点的位移变化并进行整体分析。通过“下三带”理论，计算赵固二矿工作面底板岩层的最大破坏深度和承压水导升高度，验证试验结果的准确性。研究结果表明：在采动影响下，底板断层的活化过程可分为稳定期、初始期和活化活跃期。初始期断层带附近衍生裂隙与工作面底板塑性破坏区形成沟通，是断层完全活化的前兆信息；活跃期断层滑落失稳，断层面处于张开状态，此时导水通道形成造成突水事故发生。

关键词：带压开采；底板断层；活化突水；相似模拟试验；“下三带”理论

中图分类号：TD32             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)05-1806-06

Experimental study on water inrush mechanism due to floor faults activation in mining above confined aquifer

LI Zhenhua, ZHAI Changzhi, LI Longfei

(School of Energy Science & Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

Abstract: In order to research the damage dynamic process of the floor aquifuge including fault under the effect of mining, the 11011 working face of Zhaogu Second Mine in coal field of Jiaozuo was taken as research background, and the research method of similar simulation experiment was used; the damages of fault were observed and the displacements of every measurement point were recorded and analyzed in the whole process of mining. Based on the ‘down three zones’ theory, the maximum failure depth of working face floor and the raise height of confined water in Zhaogu No.2 Mine were calculated. The results show that the activation process of fault in coal seam floor can be divided into the stable period, the initial period and the active period. The derivation fissures near the fault zone communicate with the plastic damaged area in the floor of working face in initial period and this is precursor information that fault is activated completely. The fault slides instability in active period and the fault surface is in the open stable, and then the water passage is formed and causes water inrush. The calculated results of the maximum failure depth of working face floor and the raise height of confined water in Zhaogu No.2 Mine verify the accuracy of the test results.

Key words: mining above confined aquifer; the fault in coal seam floor; water inrush due to activation; similar simulation; ‘down three zones’theory

在承压水上采煤的过程中，含水层的水头压力及富水性、相对隔水层的厚度及岩石性质、导水通道的存在及变化形式等条件是决定矿井是否突水的几大要素^[1]。前两者是原始存在的水文地质和地质条件，而后者受采掘因素的影响极大。断层作为地质构造的一种形式，其作为导水通道是造成煤层底板突水的主要原因之一。黎良杰等^[2-7]从力学角度对断层突水机理进行了探究；李连崇等^[8-9]运用有限元数值仿真模拟研究了含断层煤层底板导水通道形成的过程；刘志军等^[10]通过相似模拟试验研究了流-固耦合下底板断层突水机理。这些研究成果对于减少煤矿突水事故和提高资源采出率具有积极作用。在现场的采掘工作中，突水事故的发生多在揭露的一些底板正断层或这些正断层的附近。正断层多为张性断层，其断层面一般比较粗糙，断层带较宽且常充填构造角砾岩。胶结程度不高的断层易形成导水通道，称其为原生导水。对于一些胶结程度较高的断层在采动和水压的双重干扰下也易活化。前人对断层活化进行了不少研究分析^[11-14]，但对其过程和程度研究较少，因此，本文作者通过相似模拟试验观察正断层在双重干扰下活化的动态过程以及断层带附近裂隙发育情况与导水通道形成过程。

1  工程概况

选取焦作矿区赵固二矿11011首采工作面为研究对象。工作面主采二₁煤层，煤层厚度平均为6.16 m，煤层倾角为5.5°，煤层结构简单。该工作面二₁煤层位于山西组底部，上距沙锅窑砂岩(Ss) 60.18 m、大占砂岩(Sd) 4.21 m，层间距厚度平均为6.35 m，属稳定厚煤层。煤层以块煤为主，内生裂隙，局部方解石充填，局部含有夹矸及发育炭质泥岩伪顶。工作面主要充水水源为底板L₈灰岩水。底板L₈灰岩平均厚为8.3 m，局部岩溶发育，富水性较强，单位涌水量为0.5~59.0 mL/(s·m)，渗透系数为0.36~648.00 mm/d，上距二₁煤底板平均为46.5 m，含水层水位标高为-79.595 m左右，水压为7.4 MPa，计算突水系数为0.16，远大于焦作矿区的临界突水系数(0.06~0.10)，因此，在开采影响下底板突水危险很大。赵固二矿二₁煤层底板岩层岩性组合是软硬交替的形式(图1)，对阻止突水起到了一定积极作用，为带压开采提供了有利条件。

选取工作面揭露的F109断层为模拟断层，该断层为正断层，落差为0~4.5 m，走向SEE，倾向SSW，倾角为45°，控制长度为90 m。

2  相似模拟试验设计

2.1  模型设计

本试验采用平面应力模型架。模型架规格长2.5 m、宽0.2 m、高1.4 m。通过模型架上方的液压千斤顶来实现垂直应力补偿未模拟到的上覆岩层。在模拟承压水方面^[15]，设计一套弹簧承压装置用于产生下部承压水压力。为保证整个试验过程的稳定性和可靠性，选定模型尺寸比例为1:100。

图1  底板岩层柱状

Fig. 1  Columnar sertion of floor strata

2.2  相似理论基础^[15]

1) 模型几何相似系数(几何比)为

式中：l_m为模型尺寸；l_p为原型尺寸。

2) 时间相似系数为

式中：t_m为模型过程时间；t_p为原型过程时间。

3) 容重相似系数为

式中：为模型容重，取1.5×10⁴ N/m³；为原型容重，取2.5×10⁴ N/m³。

4) 弹模比：。

5) 初始条件相似。近似认为是均质重力场，所以，初始应力场是相似的。

2.3  相似材料配比及模型建立

模型参照地层柱状图，以砂子作为骨料，石膏、碳酸钙为胶结材料，以硼砂作为缓凝剂，分层铺设。为了尽量消除模型与岩层在力学性质上的差异，模型的强度综合考虑了地层的层理、节理等弱结构面的影响，模型与原型的抗压强度见表1。针对断层带，模型落差为3 cm，试验使用云母片对其进行充填以达到原型中弱结构面的要求。

表1  相似模拟材料与原岩的抗压强度

Table 1  Similar materials and compressive strength of prototype rocks

2.4  模型测点布置及开挖方式

试验的隔水层相对较厚，由多种不同性质的岩层复合而成。不同岩石具有不同的力学性质和抗水压能力，在采动影响和水压的作用下它们的变形并不一致。针对这种情况，在断层上盘上、中、下布置3条测线，共39个测点，用全站仪记录这些测点的位移变化，分析其相对位移(相对试验架旁设定好的不动点)，测点位置如图2所示。

图2  开采顺序与测点布置

Fig. 2  Mining sequence and layout of measuring points

断层附近上下盘的相对位移预示着断层的活化程度，对于断层带附近上部特征点(a10和a11)、中部特征点(b9和b10)、下部特征点(c8和c9)进行重点观察及其观察数据重点分析。模型两侧预留20 cm煤柱作为边界预留煤柱，由断层上盘向下盘推进，每次开采5 cm，相邻2次开采时间间隔为20 min，在进行下一次开采之前用全站仪记录所有测点的位置并对模型的变形进行拍照。

3  试验观测和结果分析

3.1  测线位移分析

工作面自开切眼推进20 m，顶板出现初次来压。记录状态稳定后的位移，其相对位移如图3所示。由图3可知，在工作面推进距离较近的情况下，底板整体相对位移小，3条测线上总体的位移趋势是一致的，都在开采之后弹簧卸压向上鼓起，但是作为相对应位置的测点，其相对位移不同。其分布特点是：下部测线上的点相对位移最大，中部和上部次之。其原因可以解释为：一方面，模拟的水压直接作用在隔水层的底部，隔水层是由多种不同性质的岩层组合而成，存在有层理和原生裂隙，在水压作用下被压紧密实，水压沿着隔水层逐渐向上传递递减致使上部相对位移减小；另一方面，隔水层中存在数层泥岩，其良好的延展性缓冲了一部分压力。

图3  推进20 m时测点位移

Fig. 3  Measuring points displacements at extraction distance 20 m

测点相对位移较大的是每条测线上的2和3位置，这些点处于采空区的正下部应力降低区，与其邻近的点处于应力增加区；随着相对位移差值的进一步加大，剪切作用造成的裂隙将会进一步呈现出来。初次来压时由于距离断层的位置还比较远，从模型的变形和相对位移可以看出断层还未受影响。随着开采的推进，影响的范围继续扩大。

根据模型随开采推进的动态变化可知：当工作面推进到30 m(距断煤交线65 m)处，模型工作面前下方出现一条长5 cm的裂隙(在实际工作面中为5 m的裂隙)，即底板在集中应力作用下的塑性破坏。但断层附近没有出现裂隙，表明断层没有活化，难以形成导水通道。

工作面继续推进到45 m(距断煤交线50 m)处，底板的塑性破坏深度达到12.3 m，裂隙增加到3条，且在断层的底端出现裂隙，即认为断层开始活化。断层带底部附近出现的裂隙未与工作前下方的裂隙连通，导水通道没形成，所以难以发生突水事故。

推进45 m时测点位移见图4。由图4可知：3条测线上的所有位移测点都有不同程度的抬升，但相对位移较大的集中在采空区，断层两盘差值不大，说明断层两盘还在作为一个整体移动。

图4  推进45 m时测点位移

Fig. 4  Measuring points displacements at extraction distance 45 m

自工作面45 m处向前推进，隔水层底部断层附近衍生裂隙不断向上延伸，而工作面前下方应力集中造成的塑性破坏区裂隙不断向下发展，在推进到60 m(距断煤交线35 m)处，上下破坏区域裂隙完成沟通预示着导水通道的形成，高压水沿裂隙通道渗流突变，可能发生突水事故。

推进60 m时的测点位移见图5。由图5可知：推进60 m时，各个测点的位移进一步加大，但断层两盘的测点的移动仍保持一致，说明断层依然处于闭合状态。这就解释了一种情况，即在工作面推进到离断层一段距离时就会发生小规模突水。其发生的实质是：断层带在采动和水压作用下由下向上衍生裂隙，与应力集中塑性破坏区裂隙沟通形成导水通道。对于这种突水强度不大的情况，实施一些防水措施可以制止，但是要引起高度重视，这也是断层张开发生滑落失稳形成强导水通道的前兆信息。当工作面推进到85 m(距断煤交线10 m)处时，断层面由闭合状态张开，形成了一个宽1~2 m的裂隙贯穿整个底板隔水层。断层两盘发生滑落失稳，预示着断层达到活化的最大程度。在现场采掘出现这种情况时，高水压与强导水通道的结合将造成后果非常严重的突水事故，要避免这种情况的发生。

图5  推进60 m时测点位移

Fig. 5  Measuring points displacements at extraction distance 60 m

推进85 m时测点位移见图6。由图6可知：断层上盘出现位移量较大的整体抬升，在断层上盘和下盘分别邻近的2个点处位移突变，预示着大裂隙的产生，而断层下盘基本保持稳定。

图6  推进85 m时测点位移图

Fig. 6  Measuring points displacements at extraction distance 85 m

3.2  特征点位移分析

针对模型出现不同破坏程度时的位移分析，不能准确地反映出在整个开采过程中的动态变化，因此，本文对于上部特征点(a10和a11)进行随开采推进的动态分析。特征点位移见图7。

图7  特征点位移

Fig. 7  Displacements of feature points

由图7可知：断层的活化过程可分为3个时期：工作面自开切眼推进到45 m时为稳定期，特征点没有明显的位移，断层基本没有活化迹象；从45 m处推进到65 m处为初始活化期，这段时期断层带附近出现一些裂隙，但上下盘特征点相对位移保持一致，说明断层一直处于闭合状态，隔水层不会因为断层滑落失稳形成导水通道；65 m以后到揭露断层为活化活跃期，上盘特征点的位移急剧增大且两盘特征点的相对位移也逐渐拉大，断层滑落失稳，形成强导水通道。

4  导水通道理论分析

“下三带”理论^[16]认为，工作面底板至下覆含水层有采动底板破坏带、完整岩层带及承压式导升带。由于底板断层的存在，承压式导升带受薄弱构造和衍生裂隙的影响，其高度为完整底板高度的1~2倍。

含断层煤层底板的承压水导升带高度计算式^[17-18]如下：

                  (1)

              (2)

           (3)

        (4)

式中：x为完整底板承压水导升带高度；B为工作面宽度；K为裂缝面粗糙系数；J_RC为承压水开始时的静水压力粗糙度系数；D为分形维数，D=1~2；h和L分别为结构面的平均起伏差和平均基线长度。

采用板模型理论^[19]计算采动底板破坏带最大深度，计算公式为：

              (5)

        (6)

        (7)

式中：L_m为最大破坏深度距工作面的距离，m；L_x为工作面的开采长度，m；为岩体容重，N/m³；H为开采深度，m；m为开采厚度，m；x_a为煤体边缘塑性区宽度，m；内摩擦角，(°)；C_m为黏聚力，N；n为最大应力集中系数；h₁为塑性破坏区最大深度，m；为底板岩体权重平均内摩擦角，(°)。

把赵固二矿11011工作面的工程实际参数代入式(1)~(7)，计算得在二₁煤正常开采期间，承压水导升带高度约为46.8 m，底板破坏带的最大深度为18.4 m。两者之和大于底板隔水层厚度导致导水通道形成，且两者破坏高度模拟试验结果与计算结果一致。

5  结论

1) 底板断层随开采推进的活化过程可分为稳定期、初始期、活跃期3个时期。

2) 在采动影响下闭合正断层的上盘发生整体性抬升，工作面在距断煤交线一定距离时，上盘相对于下盘的上升位移达到最大，此时断层由闭合状态转变为张开状态，达到最大活化程度，将造成严重的底板突水事故。

3) 在断层未发生滑落失稳之前，矿压和水压的影响下断层带附近衍生出的许多小裂隙与集中应力造成工作面塑性破坏区相沟通，可能会发生小规模突水事故，这也是断层完全活化前的前兆信息，现场作业时要引起足够重视。

4) 试验中，集中应力破坏区域和水压在断层带的破坏区域与基于工程实际参数的理论计算区域相吻合，验证了试验得出的突水前兆信息的准确性。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2014-05-10；修回日期：2014-08-26

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51374093，51104058)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助项目(20114116120005) (Projects(51374093, 51104058) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(20114116120005) supported by the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (New Teacher), MOE)

通信作者：李振华，博士，副教授，从事资源开发新技术和矿山水害防治方面的教学与研究工作；E-mail: jzlizhenh@163.com