断层对工作面顶板涌突水影响的数值模拟研究

刘志达 吕伟魁 张贵彬

(1.枣庄科技职业学院，山东 枣庄 277599；2.山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274000；3.临沂大学，山东 临沂 276000)

1 引言

采动裂隙的发育高度是防治工作面顶板水害的重要依据，目前有关覆岩破坏特征的研究理论已经较为成熟，而针对特殊地质条件下（如工作面存在断层影响下）的采动裂隙发育规律，只有少数学者进行了研究[1-4]。文献通过对7 个数值模型计算以及现场实测得出了不同断层倾角和推进方向的影响下，裂隙带发育随工作面推进的动态变化过程，并给出了回归公式，给相似条件下开采提供了理论依据。其他学者也仅仅是从裂隙发育高度方面进行了研究，并未考虑断层“活化”可能对涌突水造成影响。

2 断层影响下的工作面顶板涌突水机理分析

工作面附近存在断层时，大量原生、次生裂隙的存在弱化了煤层顶板岩性，且断层附近存在原岩应力集中，导致采动裂隙带的发育会超出正常高度；另一方面，受采动效应影响，断层的上下盘也可能发生滑移，“活化”为涌水通道，当工作面上方有较大含水层或水体时，断层可能沟通水源引发突水。

3 数值模型的建立

3.1 模拟参考的地质背景

研究区域主采3 层煤，采高8 m，覆岩结构为中硬，近水平煤层，工作面走向推进长度667 m，倾斜宽度193 m，采深-800 m 左右，煤层覆存稳定。根据工作面上平巷掘进及探测情况，揭露FL32 断层为正断层，落差0.7 m，断层倾角25°。

3.2 模拟方案设计

构建9 个数值计算模型，断层落差设定为0 m，煤层设定为水平煤层，建立正常地质条件（方案1）作参照。方案2～5、6～9 分别研究断层倾角和工作面推进方向对裂隙带发育以及断层“活化”的动态影响，具体见表1。

表1 数值模拟方案

3.3 建立模型

根据地质资料，模型Y 方向划分15 个分层，并在断层面上布置两个测点，模型大小300×104.6，采用摩尔—库伦准则作为屈服破坏准则，开挖步距20 m。为消除计算边界影响，在X 方向两端各留50 m 煤柱并双向固定，在顶部加载来自覆岩的垂直均匀荷载（q=∑γh=2500×9.8×300=7.35 MPa）。

4 模拟结果分析

4.1 裂隙高度公式预计

研究区域覆岩结构属中硬结构，裂隙带高度根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》（以下简称《规范》）计算。

式中：Hli为裂隙带高度最大值，m；ΣM为累计采厚，m。

计算可得裂隙带高度为48.78 m（±5.6）。取上限54.38 m。输出模型开裂范围得裂隙发育高度为52.2 m，与公式预计大致吻合。

4.2 裂隙发育特征模拟结果及分析

输出模型开裂范围，得到裂高动态增长率曲线图如图1。

结果表明：工作面穿过断层时，采动过程中裂隙高度明显增大。

（1）切眼布置在上盘。断层倾角为30°、45°、60°和75°模型裂高最大增长率分别为30%、47%、51%和61%，成正相关性。工作面推进至距断层20 m 时裂高开始增大，推过断层约40 m 处达到峰值，之后逐渐降低，工作面推过断层约80～100 m 时降至正常。

图1 工作面推进动态过程中裂隙高度增长率

（2）切眼布置在下盘。裂高最大增长率较小（43%），最早出现在距断层60 m 处，在断煤交线处达到峰值，之后逐渐降低（工作面推过断层60 m后恢复正常）。裂隙发育规律为“增加早，恢复快”。

工作面布置在下盘，裂高的动态增长率较小。裂高的增加是一个动态过程，工作面推过断层一定距离之后裂高会下降至正常水平，这会导致工作面顶板涌水短期增大。过断层开采时宜将切眼布置在断层下盘，提前采取必要的安全措施，快速过断层。

4.3 断层面测点应力分析

输出测点的剪应力迹线图如图2、图3。

图2 上盘至下盘推进时测点剪应力图

结果表明：

（1）由上盘至下盘推进至断层时，上盘剪应力瞬间达到峰值，下盘瞬间降低至约0 MPa，造成上下盘测点应力差瞬间增大。这是由于老顶结构由简支梁变为悬臂梁，上盘岩层应力集中加剧，且断层破碎带的岩性较弱，老顶岩梁会更早的在端部产生断裂。

（2）由下盘至上盘推进时，测点应力在推进至断层时达到极值3.7 MPa，过断层后，测点处于采空区中央受压区且达到充分采动状态，剪应力降至约0 MPa 并保持稳定。即断层面受力特征表现为先剧烈后平缓。当工作面推过断层，覆岩的压实作用有利于抑制断层活化。

图3 下盘至上盘推进时测点剪应力图

4.4 断层面测点垂向位移分析

输出测点的垂向位移迹线图如图4、图5。

结果表明：垂向位移随工作面推进逐渐增大。刚开始推进时，上下盘测点位移量一致（断层未滑移），随着工作面推进，两测点位移差开始出现且逐渐增大，断层滑移，即“活化”。

（1）由上盘至下盘推进，随着断层倾角增大，断层更早产生滑移，且两测点最终位移差逐渐增大，呈现明显的正相关。说明断层倾角越大，断层受采动影响越剧烈。

（2）由下盘至上盘推进时，上述规律并不明显，且测点最终位移差远小于方案2～5，说明切眼布置在断层下盘时，断层受采动影响和“活化”可能性相对较小。

（3）测点相对位移由0 至最大值都是发生在一定计算时步内：工作面推进至断层附近时，断层上下盘开始滑移；随着工作面继续推进，上下盘相对位移增大，断盘滑移加剧；当工作面推过断层，上下盘岩层同步下沉（将两测点位移差恒定作为判定依据），测点相对位移达到最大，此后断层面不再出现（或出现极小范围内的）相对滑动。

工作面沿断层上盘至下盘推进，采场穿过断层前，覆岩受下盘岩体支撑，岩移不明显。工作面推过断层后，顶板岩层的受力模型由一端固支一端简支的简支梁变为一端固支的悬臂梁，断层端处粘结力较小，岩梁会更早的在端部产生断裂[5]，引起断层“活化”。

图4 上盘至下盘推进时测点垂向位移图

图5 下盘至上盘推进时测点垂向位移图

5 结论

通过对裂高发育规律、断面测点剪应力和垂向位移的分析，得到以下结论。

（1）覆岩破坏特征：存在断裂构造影响时，导水裂隙带发育高度较无断层增大，且与断层倾角成正相关；当工作面推过断层一段距离，增长的裂隙又在一定程度上压实、闭合，增长率逐渐降低。顶水采煤时，裂高增长可能导致工作面推进过程中出现涌水量增加，应尽快推过断层或采取预注浆加固等安全技术措施。

（2）断层“活化”特征：工作面沿断层上盘至下盘推进时，断层倾角越大，断面剪应力峰值出现越早，断盘之间的滑移量也越大，断层受扰动越剧烈，断层越容易“活化”；当工作面布置在断层下盘时，扰动引起的岩移效应向上传递至断层，容易引起断层“活化”，倾角越小的断层，受影响越早。

（3）开采范围内存在断层时，应将切眼布置在断层下盘，尽量使断层处于工作面中央，使断层区域处于采空区中央受压区域，这样更有利于安全开采。