断层影响下顶板突水机理的数值模拟研究

0引言

矿井突水作为煤矿生产中的重大灾害之一，严重威胁井下工作人员的生命安全，一直是煤矿灾害防治的重点[1]。尤其近些年来，由于煤炭开采的规模逐步扩大，突水事故频发，造成了不可估量的损失。以往底板突水一直被作为煤矿水害的防治重点[2-6]，但随着技术的进步，煤矿综合机械化的普及，顶板突水问题对煤矿生产的影响逐渐显现出来，并且其防治难度要更大。大量工程实例表明，相当一部分突水事故都与断层的存在有着一定关系[7-10]。本文将以徐州矿务局某矿为工程背景，对断层影响下的顶板突水进行研究，应用FLAC进行数值模拟，以期对断层影响的顶板突水机制有进一步认识及对煤矿安全生产有进一步提高。

1矿井水文地质条件

该井田拥有东南低西北高的地势，井区内岩层出露较好，利于降水入渗补给地下水。井田内含水层主要有中下石炭统梓门桥组岩溶承压含水层该含水层厚度60m左右，以及下石炭统测水组砂岩裂隙承压含水层，整体水位西北高、东南低，径流方向由西北向东南。隔水层主要有下部的泥灰岩，厚10~30m，其隔水性较好，此隔水层位于开采煤层之上60m左右。

根据多年的观测，直接向矿井充水的是测水组砂岩裂隙承压含水层水，尤其是4煤顶板石英砂岩，该含水层厚度5~16m，节理、裂隙很发育，渗透系数大，出露高程较高，开采过程中一经揭露便向工作面涌水，矿井涌水量虽随着开采范围的加大有所增长，但一直稳定在70m3/h以下。

其中该矿某工作面在掘进过程中，要穿过一条正断层，断层倾角大约为60°，落差10m，工作面从下盘向上盘推进。由于该矿井煤层不稳定，工作面走向长度一般不超过200m。煤层才用长臂式开采，开挖步距为10m，跨落法顶板管理。而由于断层的存在及影响，有可能将上方含水层中的裂隙水导入采场，影响煤矿生产安全。

2数值计算模型的建立

FLAC(FastLagrangianAnalysisofContinua)是由美国Itasca公司开发的，一种用于工程力学计算的二维显式有限差分程序。该软件系统的基本原理和算法与离散元相似，但它采用的是节点位移连续的条件，可以较好地模拟由土、岩石和其他的在到达屈服极限时会发生塑性流动的材料所建造的结构的特性，特别适合求解岩土力学工程中非线性的大变形问题。

为了方便得出断层对顶板上覆岩层隔水性能影响规律，作者结合FLAC中的流固耦合模块，分别建立无断层和含断层两类顶板数值分析模型，分析比较其结构力学特征和渗流特征的差异。模型围岩本构关系采用Mohr-Coulumb模型。计算模型几何尺寸为200×100m，煤层厚度为3m，模型顶部为承压含水层，上覆岩层总厚度为57m，下覆岩层厚度为40m。断层倾角为60°，断距为10m。工作面位于断层左侧，从左向右推进，开挖步距为10m。顶部上边界施加的空隙水压为2MPa，模型范围以上的岩层等效为5MPa均布载荷施加于模型的上边界。模型底部约束垂直方向位移，左右两边约束水平方向位移，除上边界外，其他边界均设置为不透水边界。其中在对断层的模拟上，把断层穿过岩体单元合并考虑，对该单元所附材料参数与断层相同。

3垂直应力分布特征

为充分了解采场距断层的距离不同对顶板上覆岩层的稳定性和渗流特性的影响，分别给出了模型无断层及含断层时的垂直方向应力分布云图。

由分析得：当无断层时，采场围岩存在两个应力集中区，位于采空区的两侧；由于断层带的存在，采场围岩存在三个应力集中区，分别位于采空区的两侧和断层带；随采场的推进，由于采动引起的应力集中区不断向断层位置靠近，并与断层带附近的应力集中区叠加，从而使得应力集中程度不断加剧。

对于含断层的情况，当采场位置距断层较远时，采动引起的应力集中对断层内岩体的应力影响较小，但当采场位置距断层较近时，则采动引起的应力集中对断层内岩体的应力影响较大。当采场由距断层80m推进至60m时，断层内垂直应力由1.5MPa增至1.9MPa，增幅为25%；当采场由距断层50m推进至30m时，断层内铅垂方向应力由2.3MPa增至4MPa，增幅达48%，增幅扩大近2倍。可见，一方面断层受采动影响，自身稳定性将随采场与断层间距离的减小而将受到更严重的影响，一旦断层被活化，导水性增强，导致顶板发生突水事故的概率增加；另一方面，断层除了作为导水通道外，还可能破坏采场围岩承载结构，引发上覆岩层失稳，隔水性能降低，从而发生突水事故。

4塑性区及孔隙水压分布特征

分别给出了含断层时工作面围岩随采场推进的塑性区分布云图和孔隙水压分布云图；给出了有无断层的情况下，顶板破坏深度h的变化曲线。经过对比分析，可知：

(1)当采场推进至70m时，顶板破坏深度大约为31m，在含断层的情况下，采场同样推进至70m时，顶板破坏深度大约为35m，增幅为13%；而当采场推进至90m时，无断层的顶板破坏深度约为39m，而含断层的顶板破坏深度约为49m，增幅为26%。可见在含断层的情况下，顶板破坏深度明显大于无断层的情况，并且随采场推进，工作面与断层间的距离逐渐缩小，断层对采场围岩的稳定性的影响会逐渐明显；

(2)采场推进初期，顶板的塑性破坏区范围较小，暂时无法沟通采场与上方含水层，水只能缓慢的渗入上覆岩层，难于形成导水通道，因而此时断层对顶板上覆岩层隔水性能影响较小；

(3)随着采场的推进，受断层影响，采场顶板的破坏深度不断向上部延伸，从而会使采场顶板上覆岩层的隔水性能不断降低，中当采场推进至距断层30米时，采空区上方已有少数导水裂隙发育至含水层，若进一步开采，顶板塑性区会迅速向上发育至承压含水层，则由此形成突水通道，极引发突水事故，这恰恰与2007年该矿2723工作面发生顶板突水的这一实际情况相吻合。当开采到离断层煤柱边界尚有3m的距离时，出现剧烈矿压显现，几小时后，工作面大量涌水，涌水量由20m3/h急剧增加到450m3/h，而本次突水事故直接造成矿井停产15天，损失严重；

(4)在含断层情况下，随着工作面向前推进，工作面围岩塑性破坏区离断层带越来越靠近，断层带附近出现部分小裂隙，破坏围岩的稳定性，降低了岩层的隔水性能。当采场推进至90m，也就是距断层带距离约为30m时，采动引起的塑性破坏区与断层带附近的塑性区相连，断层也因受采动影响，被活化变得导水，而形成导水通道，易发生突水事故，因而，断层附近防水煤柱的留设是关系到能否防治突水事故的重要因素；

(5)当采场推进至距断层80m时，断层带中水头高度为37m；而推进至距断层30m时断层带中水头高度增加到55m，增增幅达到了47%。可见，随工作面推进，顶板发生拉伸和塑性变化，从而影响断层原有稳定性，导致断层渗透性提高，孔压增大；随顶板破坏深度的增加，裂隙波及含水层，导致含水层水位下降，顶板上方水压不断增大，而孔压的变化必将导致应力、应变的关系。

5结论

(1)本文以徐州矿务局某矿为工程背景，分别建立无断层和含断层两类顶板数值分析模型，对比分析了断层对顶板突水的作用影响，及断层影响下的顶板突水机理及其规律。借助于计算软件FLAC进行模拟分析，对顶板不同的破坏情况进行模拟。模拟方案结果都凸显出断层对于顶板上覆岩层的稳定性及隔水性能方面的作用影响。

(2)由于断层带的存在，当采场位置距离断层越来越近，采场附近应力集中区与断层带应力集中区叠加，采动引起的应力集中也越加明显。因此一旦断层受采动影响而失稳，导水性增强，那么发生顶板突水的事故将大大增加。

(3)受断层影响，顶板破坏深度及塑性区范围随开采不断增加，上覆岩层隔水性能随之不断降低。当采场推进至距断层30m时，导水裂隙发育至含水层，这与2007年2723工作面发生顶板突水的实际情况相吻合。

参考文献(References)

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