综放工作面过断层群上覆岩层导水通道形成机理研究

邹光华 张 超 田 多 师皓宇 赵启峰 姚 鑫 邓 毅

（华北科技学院安全工程学院，北京101601）

我国是世界上煤矿水害最为严重的国家之一。据统计，水害在煤矿重、特大事故中是仅次于瓦斯爆炸的重大灾害［1］，其中与断层有关的突水事故占80%左右，断层活化是导水事故产生的重要原因［2］，断层突水机理和防控技术是煤矿生产亟待解决的重点问题［3］。导水通道一般是在采动作用下导致断层活化而形成的，“力”或“应力”是改变物体运动状态或赋存状态的重要原因［4］，因此采场围岩应力分布仍是断层导水的研究重点。由于断层或地堑构造对应力场具有分化切割作用，使得采场围岩的应力环境和破断特征变得更为复杂。近年来，诸多学者开展了大量有关断层导水的研究工作［5-6］，如工作面推进方向对采场围岩应力变化特征和断层活化特性的影响［7］；断层倾角断距与断层活化之间的关系［8-9］；或开展断层底板突水机理研究［10］；或建立隔水关键层活化力学模型，给出断层活化滑移条件［11-12］，这些研究成果对煤矿安全生产起到了较好的推进作用。从以往的研究来看，理论计算、数值模拟、相似模拟等仍是主要的研究手段，其中数值模拟具有高效率、低成本的优势，可以直观显示采场围岩应力分布和断层突水通道的形成过程［13-14］，迄今为止仍是采场围岩分析中重要而有效的方法之一。但导水通道的形成是一个复杂的过程，是覆岩离层、断层活化、拉断破坏、剪切破坏等综合作用的结果。本研究结合中煤平朔井工三矿34201综放工作面实际地质情况，综合考虑断层、覆岩层理、围岩应力场等多重因素，采用FLAC3D数值计算软件，研究该工作面在通过断层群和地面水塘过程中上覆岩层塑性破坏状态和应力场分布特征，确保安全生产。

1 工作面概况

34201工作面为中煤平朔井工三矿二采区的首采工作面，南邻辅运大巷，北邻边界煤柱，西邻采区边界；东邻34202工作面。工作面地面标高1 340.3～1 390.7 m，井下标高1 064.6～1 225.8 m。34201工作面煤层及围岩属于石炭系上统太原组上部含煤岩段，总体走向为100°～126°，东坡向斜北翼倾向为190°～216°，南翼倾向为10°～36°，煤层倾角为2°～17°，平均9°。煤层厚度为4.98～14.21 m，平均8.36 m，煤层硬度f=1～3。老顶为平均厚度6.42 m的K4砂岩，粗粒砂状结构，直接底板为平均厚度3.49 m的砂质泥岩，老底为平均厚度3.54 m的中细粒砂岩。34201工作面东坡向斜核部断层裂隙较为发育，属于防治水工作的重点区域。该区域地表有一水塘，南北宽50～145 m，东西宽约260 m，水域面积1.5万m2，水量约1.5万m3，位于34201主运巷上方。34201工作面掘进过程中共揭露断层32条，其中34201主运巷揭露2条大断层Fs27和Fs28，最大落差为15 m，并形成地堑（图1、图2），工作面采用综采放顶煤回采工艺，一次采全高，机采采高为3.3 m。

2 数值计算模型建立

本研究构建的数值计算模型长和高分别为600 m和150 m，采用放顶煤开采，其中采高为3.3 m，采用摩尔-库仑屈服准则运算［15-16］。依据力学试验获得各岩层物理力学性质参数如表1所示。采深按300 m计，左右边界为水平约束，下边界垂直约束，模型顶部承载上覆岩层载荷。在各岩层之间设置层理参数，法向刚度8 GPa，切向刚度8 GPa，摩擦角为15°，计算模型设置22个测点（表2），以监测其位移变化和应力变化情况，计算模型如图3所示。

3 层状覆岩应力分布特征

采场的垂直应力云图和水平应力云图如图4（a）和图4（b）所示。当工作面推过地堑构造、采空区顶板基本稳定后，采空区上方包括Fs27和Fs28断层均处于应力降低区内，工作面前方煤壁及其上方为应力升高区，最大垂直应力为17.86 MPa。由于断层和层理的存在，采空区顶板上方的应力分布可能更为复杂。当断层面所受切向应力大于其抗剪强度时，可能受到切向破坏而发生错动，当断层面所受法向拉应力大于其黏聚力时，断层上下盘离层。图4（b）中较大拉应力大小为2.768 MPa，大于岩体的抗拉强度，表明拉应力区岩体将发生塑性破坏，上覆岩层的拉应力区大致呈“S”型或“Z”型，即当拉应力区、层理、断层相互贯通时，采空区有突水危险。

最大、最小应力云图如图4（c）和图4（d）所示。在采空区上方岩层的最大主应力分布为一拱形圈，拱梁下厚而上薄；而最小主应力分布为“树冠型”，根据摩尔库伦准则可知，当σ1=ζσ3+σc时，岩体发生破坏，反之，则不破坏，ζ值与摩擦角有关，σc为单轴抗压强度［17］。因此较大最大主应力和较小最小主应力的交叉区域岩体更容易发生破坏［18-19］，且其破坏形式主要为剪切破坏。采场围岩的剪应力云图如图4（e）所示，剪应力集中区主要分布在煤壁上方并向采空区方向倾斜，其最大剪应力大小为7.99 MPa，将较大的最大主应力和较小的最小主应力放在一个图形上，得到的交叉区域即为易发生剪切破坏区域，如图4（f）所示。当交叉区域与拉应力区域贯通时，可能形成导水通道。在较大的最大主应力拱形圈内岩体破坏以剪切破坏为主，拱形圈内岩体破坏则以拉伸破坏为主。就本模型而言，拉应力区域尚未贯通，最大剪应力仍未达到岩体的抗剪强度，因此地表水对采空区的威胁不大。

4 上覆岩层活动特征

测点1～24的垂直位移变化曲线如图5所示。由图5（a）可知：层理1全部发生离层，Fs27和Fs28断层之间的离层量最大为1.4 m，测点3和测点4之间的位移差从162 000步开始逐渐增大，此时工作面推过断层Fs27；测点5和测点6之间的位移差从145 000步开始逐渐增大，此时工作面推过断层Fs28；从而表明断层对层理1的离层影响较大。由图5（b）可知：层理2的部分区域发生明显离层，最大离层位置在两断层之间，离层量约0.5 m；测点9和测点10之间发生离层时间约157 000步，测点11和测点12之间发生离层时间约145 000步。由图5（c）可知：层理3仅在地堑区域发生离层，离层量约0.2 m，开始离层时间约145 000步。由图5（c）可知：层理4的3对测点均按照相同的速度下沉，表明层理4尚未离层。

5 导水通道空间分布特征

工作面推过Fs27断层170 m时的垂直位移如图6所示，塑性破坏区分布如图7所示。在Fs27断层后方的K4砂岩垂直位移量较大，最大达到4 m左右，可判断采空区顶板上方16 m左右的岩体已经垮落，而在顶板上方16～59 m之间的中砂岩也有一定的下沉量，约1 m；在Fs27断层前方100 m左右范围内的粗砂岩垂直位移量较大，采空区顶板上方6 m左右完全垮落［20］。此时采空区上方有拉伸破坏区和剪切破坏区，而离层主要发生在砂质泥岩层及以下部分（采空区顶板上方73 m以内），采场围岩的塑性破坏区、断层活化区、岩层离层区与地面水塘尚未相互导通，其上方的粗砂岩、砂质泥岩和黏土层仍可形成隔水层。

6 结论

以中煤平朔井工三矿34201综放工作面过断层群为工程背景，建立了与实际条件大致吻合的数值模型，分析了工作面推过断层群的垂直应力、水平应力和剪应力等分布特征，追踪了不同层位测点的位移过程，获得了采场顶板上方塑性区、断层面、岩层层理的活动状态，分析了导水通道形成机理。得到以下结论：

（1）在层理发育的地质条件下，上覆岩层的拉应力区大致呈“S”型或“Z”型分布；最大主应力大致呈拱形分布，拱梁下厚而上薄；最小主应力分布为“树冠型”，较大最大主应力与较小最小主应力区域存在交叉，在交叉区域内，岩体更容易发生剪切破坏，当拉伸破坏区、剪切破坏区以及离层区均与断层贯通时，上覆岩层导水通道即可形成。

（2）导水通道主要是由顶板上方离层区、断层面以及剪切破坏区等相互连通而形成，因此针对类似条件，可采取采空区充填、降低采高、离层注浆等措施，以防导水通道贯通。

（3）34201工作面过断层Fs27和Fs28断层群时，Fs27和Fs28断层均有一定范围的错动活化，采空区离层主要发生在顶板上方73 m以内；采取降低采高等措施后，有效控制了上覆岩层的塑性破坏区、断层活化区的发育范围，保证了安全生产。