煤层底板隐伏断层突水的物理实验研究

黄 浩,王经明

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

0 引言

煤层底板突水一直是华北型煤矿区安全的重大水文地质灾害的危险源，已经造成太行山东麓、南麓多个煤矿区的下组煤基本无法开采，呆滞储量大于100亿吨。而造成底板突水的主要原因之一为断裂构造[1]。其中隐伏断层对煤矿安全生产危害更大，所以研究隐伏断层的递进发展引起的突水，对认识突水机理，预测水害的发生，实现高效的治理具有重要的实际意义。

我国专家学者一直关注着底板突水机理的研究，在不同阶段分别总结出一系列的底板突水机理和预测评价方法。这些理论方法在不同时期对指导底板突水研究发挥一定作用，但是也存在一定的局限性。例如：科总院西安勘探分院提出的突水系数法[2]。未考虑岩层断裂和富水性等问题，给突水预测带来不便。李白英，荆自刚[3-4]的“下三带”理论认为对底板突水起主要保护作用是完整岩层带，当采动过程中矿压和承压水压力共同作用使底板含水带与底板导水带导通，就会发生突水。该理论[5]没有考虑承压水对底板岩层的破坏作用，并且其主要针对浅部煤层，随着开采深度的加深限制了其进一步推广。煤科总院北京开采所王作宇、刘鸿泉[6-7]提出的原位张裂和零位破坏理论，将矿压对煤层底板水平影响范围分为三个阶段：超前压力压缩段，卸压膨胀段，采后压缩到稳定段。由于对原位张裂发生发展过程缺乏深入研究，其发育高度(厚度)难以确定，限制了其在实际中的应用。王经明[8]的递进导升理论等。该理论认为煤层底板的突水是由于承压水导升高度在采矿过程中的递进发展引起的，并提出了突水判别依据。

煤层底板突水是一个复杂的过程，对其机理的实验研究目前国内外主要采用原位测试、统计分析的方法。这些方法的确取得了许多有价值的成果。但它似也存在着不足。例如，原位测试成本高。统计分析考虑因素简化单一，与实际情况差别较大。许多边界条件不可调整，受条件限制大[9]。20世纪70年代末，前苏联学者[10]采用相似材料立体模型研究了煤层开采后底板岩层的变形过程。随着此技术发展应用，我国学者也得出一定研究成果。黎良杰，钱鸣高[11]认为在有断层构造条件下，断层突水的的实质是在承压水作用下断层两盘的关键层向上产生相对移差。关英斌[12]通过相似材料模拟实验分析了工作面生产过程中煤层底板应力分布的规律，得出应力增大区底板向下位移，应力减小区底板向上位移。王经明[13]通过模拟试验和底板预测，认为在工作面前方煤层底板一定深度下，煤层处于相对拉伸状态和裂隙内的承压水楔劈致裂作用，二者结合是导升高度递进发展的原因，在适当的条件下，可导致突水。

综上所述，我国学者采用相似模拟技术对显式断层突水进行了深入研究，但是对承压水压导致底板断层拓展的实验研究较少，特别是隐伏断层。给我们提供了研究的空间，利用相似材料模拟技术结合数值模拟对隐伏充水断层突水通道的发育规律进行研究，增加底板突水研究的准确性和全面性，对进一步作出突水预测预报有重要的研究价值。

1 实验过程与分析

为了更好地总结含隐伏断层的底板突水规律及其突水影响因素，本次建立的两组相似材料实验模型，分别从断层发育高度、断裂组合形式、上覆地层压力等方面进行对比，通过观测模型变化情况来模拟煤层开挖对底板的破坏程度。为了使本次的实验环境更加的贴近实际情况，实验平台为MT型相似材料模拟实验平台，实验框架长1.6 m，高1.2 m，宽0.14 m，模拟煤层顶、底板的比例为1∶100。

实验中模型设计地层为二十四层，煤层所在层为第十一层，上覆岩层总厚度为43.12 cm，下伏地层总厚度为58.59 cm，煤层厚度3.54 cm，模型总厚度105.25 cm。实验中模拟断层均为正断层，以水囊水压模拟断层充水水压。两条断层分别用I、J表示，为了观察和研究断层高度对实验结果的影响，试验中断层I的水囊高度总是小于断层J的水囊，即J断层初始发育高度大于I断层的初始发育高度。

1.1 试验一

此次试验模型按照要求建立，断层位置及编号(如图1所示)，两断层倾角70°，由于均为正断层，断层的组合形式可以认为是地垒组合，断层底部间距40 cm，充水水压0.1 MPa。为了避免煤层在开采是由于边界效应而产生的影响，在距离模型边界20 cm出开切眼，切眼宽度为6 cm，观察40 min后进行开挖，每次开挖进尺5 cm，40 min后再次进刀5 cm，在40 min间隔时间内每个10 min拍照一次，对期间出现的特殊情况要进行重点的照片采集，并进行相应的记录，全站仪在出现来压或者断层裂隙明显导升情况下进行点的扫描，实验过程中不定期的检查水囊的压力值，使其一直保持在规定的范围内。

在实验过程中，随着开采进度的增加，矿山压力的增大，出现了初次来压以及周期来压的现象，伴随着每次的来压现象断层裂隙的大小以及高度都出现了不同程度的变化，此次实验共发生6次来压现象。工作面推进30 m(由于相似比为1∶100，即实际模型中切眼后开挖30 cm，后文叙述均相同)后发生初次来压。实验结果分析如图2至5所示。

图2 I断层主裂隙两侧监测点横向距离增量趋势图

图2为实验中I断层主裂隙两侧监测点的每次来压之后的横向位移增量图，反应裂隙宽度的变化。当增量为正值时说明断层受拉账破坏，负值则表明断层受到挤压。从图2可以分析得到，断层的裂隙总体上呈现受到挤压破坏，且断层中部受到的挤压较强烈，对应图中I18-39、I17-40间的增量变化幅度较大。结合实验过程，断层两侧监测点扩张呈X分布，即中间点受到挤压，两端扩张。实验观察得到第二次来压之后，工作面推进到55 m处时，裂隙顶端不断收缩、闭合，如图3示。这是因为在工作面的前方，断层I在其内水压和底板采动应力的的共同作用下，断层下部呈现一种张力状态，首先发生扩展。工作面推过后，煤层的底板先因矿压发生破坏，后因卸载又发生破坏，造成了断层I的裂隙和底板破坏带对接。工作面过后，工作面压实，底板原来的状态恢复，致使在断层顶端附近的裂隙又出现了闭合的现象。这就很好地解释了工作面突水水量在工作面推进较远处后发生的减少甚至断流的现象。

图3 第五次来压时断层渐渐闭合

图4 J断层主裂隙两侧监测点横向距离增量趋势图

如图所示，J断层在实验过程中总体上呈拉张状态，且越往深部断层发育越强烈。实验显示，在工作面的推进过程中，断层J在前4次顶板来压时，没有明显的扩展，第五次来压推进90 m后才快速的扩展至煤层。如图4所示，第五次来压后监测点对应的横向距离增量突然增大，且保持在高位上变化。推进至100 m以后裂隙宏观导通如图5发生了突水，此时采煤工作面已经经过了J断层，是滞后的突水事故。

图5 裂隙贯穿底板

图6 J断层递进导升实验结果图

两断层实验结果不同，I断层在整个过程中底板破坏带未与下部断层导通，即断层没有发生扩展。而J断层是在工作面经过13 m左右是发生的突水，图6为J断层实验前后对照，图中明显可以看出J断层的递进导升扩展现象。I断层的初始发育高度小于J断层，因此在相同地层和水压条件下，在采煤过程中，较大的断层的较为容易活化，递进导升也更高，发生突水威胁也更大。

1.2 试验二

本实验的断层组合形式为地堑，如图7。其它条件以及要求与第一次试验相同。此次试验共计来压五次，推进40 m处发生初次来压，周期来压。J断层则在第三次来压，推进80 cm后发生超前突水。I断层未发生突水。

如图8所示，I断层两侧监测点横向位移增量显示，断层总体上在初次来压和第五次来压呈扩张趋势。其余几次来压基本受挤压作用，即位移增量为负值且变化幅度不大。说明在实验过程中，断层裂隙扩展变化的幅度和剧烈程度不明显，但总体呈现出先扩张——闭合——扩张的规律。在整个试验过程中，I断层的底板破坏带没有沟通断层裂隙带，没有发生突水。

由于初始裂隙发育强烈，在实验过程中总体变化不是特别明显。如图9所示，在第二次来压后，断层底部两侧点的横向位移差逐渐减小为零，第三次来压突水后又逐渐增大，即断层突水前后裂隙出现了由闭合到扩大的现象。J断层由于初始发育高度较大，实验过程中裂隙发育的变化幅度较小。在工作面推进到80 m时，距离采煤工作面25 m时发生了断层裂隙带导通底板现象，发生超前突水，如图10所示。

图7 实验模型及监测点位置图

图8 I断层主裂隙两侧监测点横向距离增量趋势图

图9 J断层主裂隙两侧监测点横向距离增量趋势图

本次实验中，I断层依然没有发生底板裂隙沟通断层而突水的现象，J断层距离工作面25 m发生超前突水。因此我们认为在相同条件下，发育高度较大的J断层更易发生突水。

图10 J断层实验结果图

从图2、4、8、9中，断层发生拉张破坏，即横向距离为正，总是先从断层底部监测点开始。这意味着距离底板的位置越深，断层受采矿扰动的影响越早，扰动是由下而上逐渐发展的。这就表示断层带内的水头也是由下而上渐进入侵的，即为递进导升。

2 结语

本次试验共计进行了二次，二次试验的结果不尽相同。在初始条件的影响下，突水点几乎都是沿着断层裂隙面向上递进导升。通过实验，证实了底板隐伏充水断层递进导升的存在。而且两次实验J断层的递进导升高度均大于I断层，即发育高度较大的断层递进导升越厉害，更容易发生突水。

第一次实验中J断层是在工作面推过断层13 m左右发生滞后突水；第二次实验中J断层距离工作面25 m发生超前突水。而两次试验中I断层均未发生突水。因此，我们认为地堑、地垒断层组合形式对断层活化，裂隙扩展发育影响不大。

第二次实验过程中J断层在采煤工作面经过后出现了与第一次试验I断层相同的现象，即裂隙间断出现闭合的趋势，那么如果前期的改造如果在两条裂隙接触部位进行，就会小成本来完成底板的改造。

由于此次只做了两组实验，还没考虑断层水压等因素对实验的影响以及如何确定承压水递进到升高度的具体数值，这将是以后实验研究的重点。

[1] 张金才,张玉卓,刘天泉.岩体渗流与煤层底板突水[M].北京:地质出版社，1997.

[2] 乔伟,李文平.煤矿底板突水评价突水系数—单位涌水量法[J].岩石力学与工程学报,2009,28(12),2466-2474.

[3] 李白英.预防矿井底板突水的“下三带”理论及其发展与应用[J].山东矿业学院学报(自然科学版),1999,18(4):11-18.

[4] 荆自刚,李白英.煤层底板突水机理的初步探讨[J].煤田地质与勘探,1980(2):27-29.

[5] 施龙青,韩进.底板突水机理及预测预报[M].徐州:中国矿业大学出版社,2004.

[6] 王作宇,刘鸿泉.承压水上近距离煤层重复采动的底板岩移规律[J].煤炭科学技术,1995(2):18-20.

[7] 张金才,刘天泉.论煤层底板采动裂隙带的深度及分布特征[J].煤炭学报,1990(2):35-38.

[8] 王经明.承压水沿煤层底板递进导升突水机理的模拟与观测[J]. 岩土工程学报,1999, 21(5):546-549.

[9] 杨映涛,李抗抗.用物理相似模拟技术研究煤层底板突水机理[J].煤田地质与勘探,1997,(25):33-35.

[10] Becica．I．Jana Harris．H．G．evaluation of technigues in the direct modeling of concrete masongry structures[J]. structural models laboratory report department of civil engineering. Drexel University, Philadelphia, June,1997.

[11] 黎良杰,钱鸣高.采场底板突水相似材料模拟研究[J]. 煤田地质与勘探,1995,1(25):33-36.

[12] 关英斌,金瞰昆. 煤层底板采动破坏特征的研究[J]. 煤矿安全，2003,3(42):29-32.

[13] 王经明.承压水沿煤层底板递进导升突水机理的物理法研究[J]. 煤田地质与勘探,1999,6(27):40-43.