底板渗流应力耦合破坏与递进导升协同突水演变规律研究

王进尚，王 俊，姚多喜

(1.郑州工程技术学院 土木工程学院，河南 郑州 450044； 2.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

目前我国煤炭开采逐步进入深部开采阶段，危险程度不断加大，高承压水直接影响工作面底板开采的范围越来越大，严重制约着深部煤炭资源的安全开采。据统计，底板突水事故与断层有关所占比例在80%左右。由于地质条件复杂性，大型矿井突水事故具有隐蔽性以及突发性，直接影响煤矿安全产[1-3]。

近年来，许多学者采用不同方法对隐伏断层突水机理进行研究，其中模拟实验是研究突水机制的有效方式之一。张培森等[4]采用FLAC3D的固液耦合模式对含隐伏断层煤层回采诱发底板突水影响因素进行了研究；王进尚等[5-6]研制了一种煤层底板破坏与递进导升协同突水定点动态监测系统，直观实现底板不同位置处煤层底板破坏与承压水递进导升的情况，揭示了采场底板破坏与递进导升协同突水机理及两者之间时空演化规律；武强等[7]模拟分析了断层突水的实效性。为改善我国煤矿安全状况，这些研究成果的取得发挥了重要作用。

由于隐伏断层构造突水问题本身的复杂性，煤层底板断裂构造千差万别，导致研究学者得出底板突水的机理也有所不同，对煤层底板破坏和递进导升单独研究比较多，但将煤层底板破坏和递进导升协同引起突水尚缺乏深入系统的研究。本文针对含隐伏断层底板破坏与递进导升协同突水水力学模型，采用固液耦合计算模式、FLAC3D的变参数流变模型，对底板渗流应力耦合破坏与递进导升协同突水演变规律进行分析，对预测水害的发生及矿井防治水工作具有重要的实际意义。

1 工程概况

以焦作矿区所属矿井赵固一矿16001工作面为研究背景，该工作面底板L8灰岩水为主要充水水源，平均厚8.0 m，距上二1煤平均32.5 m，水压为5.0～5.3 MPa，突水系数为0.139～0.192 MPa/m。工作面走向长901.5 m，倾向长205.5 m，二1煤层厚6.4 m，煤层倾角6°左右。煤层直接顶为厚5.3～21.7 m的砂质泥岩，基本顶厚2.1～12.3 m的中粒砂岩；直接底为厚16.4～20.5 m的粉砂岩、砂质泥岩，基本底为厚1.8～2.2 m的L9灰岩。

2 底板破坏与递进导升协同突水模型建立

以赵固一矿16001工作面F25隐伏断层建立数值模拟模型，该断层存在导水性，以其底端为中心建立模型，模型长300m，宽300m，高152m，设置310 500个块体、324 685个节点，煤厚为6 m，隐伏断层倾角为45°，宽度均为2 m，初始高度为15 m，加载水压为5 MPa，数值模型如图1所示，概化模型如图2所示。一个单位厚度定义为数值模型的宽度，当进行数值计算时，按照平面二维应变模型运算，比较接近实际情况。设定模型顶部埋藏深度为580 m，取其上覆岩层模型的容重为25 kN/m3，其埋深 496 m所产生的压强为12.4 MPa。

图1 FLAC3D数值模拟模型Fig.1 FLAC3Dnumerical simulation model

图2 概化模型Fig.2 Generalized model

根据焦作矿区赵固一矿地层取样岩体实测数据资料，由于地层岩体的物理力学参数直接影响数值模拟的准确程度，对岩层分类进行整理，设计8层为不同地层，其中第3层设计为煤层，分层建立力学模型，地层岩体物理力学参数见表1。

表1 岩石力学参数Tab.1 Rock mechanics parameters

根据现场实际定义所建数值模型力学边界条件，在模型块体前后和左右边界处施加水平约束，在顶部边界为位移自由面，底边界约束模型水平移动和垂直移动。数值模拟过程如下，首先对模型荷载进行加载，然后以步距为10 m分步开挖煤层，设计煤层开挖实际距离为200 m，开挖20次。为了减少模边界效应影响，留设宽50 m的煤柱在开采边界与模型边界之间，在基岩面顶部施加12.4 MPa压力，数值模拟分别采用Mohr-Coulomb塑性本构模型、Mohr-Coulomb屈服准则。

3 模拟结果分析

本次试验主要研究煤层底板裂隙扩展、隐伏断层递进导升演化动态变化，尤其两者协同突水演变规律。对断层处和煤层底进行网格加密，用5 MPa的充水水压对断层进行施压，断层自然导升高度为15 m。设置conFig.fluid渗流模式进行开挖试验，试验模型满足岩石力学和流体力学。煤层开挖后，导致围岩应力重新分布，改变了岩石原有的应力平衡状态。随着工作面的开挖，在开挖影响的范围内出现应力集中。随着工作面不同步距长度开挖，分析底板岩层破裂与递进导升协作用下导升、扩展和突水过程规律。由于在数值模拟过程中，每开挖一步产生塑性区分布图，图量比较大，本次分析模拟其中的关键变化节点。

3.1 底板的损伤演化与渗流场耦合过程分析

随着煤层开采，岩层原有内部应力重新得到分布，当煤层底板岩层集中应力的强度大于其自身临界值时，岩石发生塑性破坏，裂隙发育扩展，围岩发生塑性破坏，开挖煤层附近的围岩产生了塑性区。工作面开挖10、100、140 m时，底板塑性破坏分布区域如图3、图4和图5所示。开采尺寸直接影响工作面围岩的塑性破坏范围，煤层开挖越大，煤层底板破坏区的范围和深度都有所增大。

图3 工作面推进10 m底板塑性破坏分布Fig.3 Plastic failure distribution of floor in the working face advancing 10 m

图4 工作面推进100 m底板塑性破坏分布Fig.4 Plastic failure distribution of floor in the working face advancing 100 m

图5 工作面推进140 m底板塑性破坏分布Fig.5 Plastic failure distribution of floor in the working face advancing 140 m

当煤层开挖到10 m处，断层底部裂隙向下扩展发生剪切破坏，最大塑性破坏深度约2 m。把煤层底板隔水厚度划分为煤层底板破坏塑性区厚度、有效隔水厚度、递进导升高度塑性区厚度和自然导升高度。

当煤层开挖到100 m处，破坏深度大大增加，由于采空区应力释放，在煤壁两侧应力集中，在采空区中塑性区的范围渐渐增大，底板破坏形态呈马鞍形状，最大塑性破坏深度约20 m。断层尖端处塑性区处向上发生裂隙扩展高度约为6 m。断层活化性质加深，此时断层内部水压在5 MPa左右(图6)。

图6 工作面推进100 m孔隙压力云图Fig.6 Pore pressure cloud map of working face advancing 100 m

当煤层开挖到140 m处，底板破坏导水带增大，递进导升高度继续上升，断层本身完全破坏，不具备阻水性能，底板的有效隔水层厚度由原来28 m降低为0 m，最大塑性破坏深度约20 m，递进导升高度为8 m，孔隙水压力在某个临界面变为0视为渗流场的临时边界，并由隐伏断层向四周扩散不断减小。递进导升高度塑性区渗入底板破坏塑性区域相互连通，最后形成底板突水通道，承压水沿突水通道裂隙进入采空区(图5)，工作面已经过断层20 m，煤层底板滞后突水事故的发生，围岩破坏场与隐伏断层周边渗流场从原始的相对无联系状态，渐渐发展为相互联系，围岩塑性破坏场与渗流场渐渐耦合，塑性破坏区渗透系数急剧变化，渗流场边缘为不连续状态，塑性破坏区对其产生导向作用。工作面前方的塑性破坏场和断层附近渗流场两者逐渐对接进而贯通，渐渐形成突水通道。工作面推进140 m孔隙压力云图如图7所示。

图7 工作面推进140 m孔隙压力云图Fig.7 Pore pressure cloud map of working face advancing 140 m

随着工作面开挖尺寸增大，煤层底板隔水厚度被划分为煤层底板破坏塑性区厚度、有效隔水厚度、递进导升高度塑性区厚度和自然导升高度发生转化过程的厚度。在采动与水压两者作用下，底板采动裂隙自上而下协同扩展，水压作用在断层内部，导致断层相对剪切而发生，导致底板破坏导水带增大，递进导升高度继续上升，隐伏断层递进导升自下而上形成底板突水通道，煤层底板破坏塑性区厚度和递进导升高度塑性区厚度增加，最后减小。当有效隔水厚度为0时，承压水沿突水通道裂隙进入采空区，煤层底板发生突水事故，如图8所示。底板岩层破裂与递进导升协同突水过程可以总结为原位张裂的萌生形成自然导升带→与承压含水层沟通→递进导升带的发育→递进导升带与底板导水破坏带连通，即煤层底板在受矿压和水压共同作用下，流固耦合条件下，工作面回采后底板岩层破裂与递进导升协同突水机理。

图8 随工作面推进煤层底板下隔水厚度转化关系Fig.8 Transformation relationship of the thickness of the water-resistance under the coal seam floor as the working face advances

3.2 底板突水路径的应力场演化过程分析

为了研究底板岩层破坏与递进导升协同突水动态变化规律，分别各布置2个应力观测点在隐伏断层的上、下2部分，研究分析采动条件下断层活化时应力的变化情况。随着工作面开挖尺寸增大，在采空区形成卸压区，导致煤壁四周产生支承压力，工作面两端出现应力增高区(图9)。

图9 工作面推进60、130、140 m竖向应力云图Fig.9 Vertical stress cloud diagram of 60，130，140 m working face advancing

由于断层本身具有充水特性，断层主要受水压影响，导致围岩应力比断层内部的应力要低。在断层水压力和围岩应力场两者共同耦合作用下，随着工作面开挖尺寸增大，采动应力场与断层周边应力场两者逐渐相互靠近，形成围岩发生塑性破坏、水压致裂和渗流等不同形式的耦合破坏。当工作面开挖到140 m处，原岩应力得到重新分布，断层周围被底板卸压区域包裹，岩层渗透性大大提高，在隐伏断层内相互贯通裂隙水不停运动，岩层裂隙内由原来的静水势能变成动能，导致对裂隙壁面产生冲刷和扩张作用。当底板破坏裂隙与断层尖端裂隙发生贯通突水，此时已过断层正上方30 m，说明隐伏断层发生突水有一定滞后性。

4 结论

(1)在隐伏断层流固耦合条件下，建立了隐伏断层底板破坏与递进导升协同突水的数值计算模型，揭示了隐伏断层底板原位张裂隙产生→与承压含水层导通→原位导升带发育→采动破坏带与递进导升带沟通→底板岩层破裂与递进导升协同突水的过程。

(2)煤层底板隔水层厚度划分为煤层底板破坏塑性区厚度、有效隔水厚度、递进导升高度塑性区厚度和自然导升高度，在采动与水压两者作用下，煤层底板破坏塑性区厚度和递进导升高度塑性区厚度增加，最后减小。当有效隔水层厚度为0时，承压水沿突水通道裂隙进入采空区，煤层底板发生突水事故。

(3)当工作面开挖到140 m处，原岩应力得到重新分布，断层周围被底板卸压区域包裹，岩层渗透性大大提高，在隐伏断层内相互贯通裂隙水不停运动，岩层裂隙内由原来的静水势能变成动能，导致对裂隙壁面产生冲刷和扩张作用。当底板破坏裂隙与断层尖端裂隙发生贯通突水，此时已过断层正上方30 m，说明隐伏断层发生突水有一定滞后性。