承压水上含断层煤层开采底板突水规律研究

边 凯，李思宇，刘 博，杨 浩，孙 辉

（河北工程大学 地球科学与工程学院，河北 邯郸 056000）

煤炭在我国整体能源结构中占有很大程度上的比例。随着浅层煤炭资源日益枯竭，煤层的开采逐步向深层位转移。因此，底板所受到的矿压、水压以及开采扰动程度也随之逐渐增大[1-2]。尤其是在华北地区的石炭—二叠系煤田当中，煤层底板下伏有巨厚、极富水性的奥陶系灰岩含水层，含水层各处水头压力变化较大，且其周围地质构造环境复杂，发育有大量形态不同的断层[3]。根据相关资料显示，在煤矿开采的过程中，大约有70%的突水事故是由于断层或隐伏断裂构造所引起的[4]。而构造突水的原因有很多，不能仅仅将其概化为1 个复杂的力学问题，还与构造本身的性质、含水层的水压力值、周围地质环境特征以及开采扰动程度等诸多因素有关[5]。

近年来，国内外许多学者针对于受断层影响煤层底板突水规律进行了较为深入的研究，提出了突水系数法、“下三带”理论以及“关键层”理论等一系列的理论与假说[6-8]。其中，徐柔石等[9]利用突水系数法与断裂构造分维相融合的方法，得出了更加符合实际的突水危险性分区图；在“下三带”理论[10-11]中提到：断层附近，无论是原始导升带的高度值还是底板破坏带的深度值，都要比正常地段大许多，且在断层处最容易突水；李青锋等[12]基于“关键层”理论建立了含隔水断层的隔水关键层活化力学模型，提出了在矿压和水压共同作用下的断层采动活化突水条件及突水机理；胡洋[13]通过采用理论分析和数值模拟与现场物探相结合的方法，对承压水上工作面内采动断层活化突水过程及其影响因素进行了研究。多数学者在研究断层对底板突水规律影响的过程中，通常考虑为单一角度断层在采动影响下断层活化及导水通道的形成过程[14-15]，有关于断层形态与承压水压力对突水规律影响的研究较少。而在实际生产过程中，煤层周围的地质环境十分复杂，底板所受水压力并不一致，且可能存在有许多在采前未探测到的断层。为此，利用理论分析结合数值模拟的方法，基于基础力学原理建立力学模型，分析在煤层开采后，工作面围岩以及断层附近的应力分布情况，求解断层突水的临界水压力值；运用FLAC3D数值模拟软件分析在不同断层形态和承压水压力的条件下，当工作面推进至断层区域附近时，围岩的应力场、位移场、渗流场以及破坏区之间相互耦合关系，揭示在不同情况下的煤层底板突水规律。

1 煤层开采后围岩破坏特征力学分析

1.1 工作面及断层围岩的受力分析

基于基础力学原理和“下三带”理论，建立工作面向断层方向进行推进情况下的力学模型，沿煤层走向作垂直于底板的剖面，采煤工作面底板受力分布图如图1。

图1 采煤工作面底板受力分布图Fig.1 Stress distribution of coal face floor

在煤层回采的过程中，工作面前段底板在采前超前支撑压力的作用下发生压缩；采后由于工作面顶板未能及时垮落造成悬顶减压，使底板发生膨胀；随着顶板岩石发生垮落，底板受到岩石重力，再次发生压缩。底板在压缩-膨胀-再压缩的过程中，导致围岩及断层区域变形破坏，产生位移，形成底板采动破坏带h1。同时在采动矿压与承压水水压的共同作用下，含水层中的承压水沿隔水底板中的裂隙或断裂构造上升，形成承压水导高带h3。在采动破坏带与承压水导高带之间为未受煤层采动影响，具有隔水作用的完整岩层带h2。当工作面底板围岩中含有裂隙、断层等断裂构造时，底板岩层的完整性将受到严重破坏。断裂构造可以降低底板岩层的稳定性，将对盘含水层向上抬升，缩短煤层与含水层之间的距离，减少底板完整岩层带的有效厚度，甚至完全丧失其隔水、阻水的作用。在煤层采动所造成二次应力场的影响下，靠近工作面底部的断层及断层中的次生裂隙发生扩展，从而使断层带及其附近岩体的孔隙率大大增强，甚至成为承压水涌入矿井的导水通道，为煤层底板发生突水创造了基础条件。

在模型中以工作面首次开采位置为原点，导水破坏带最大深处为y 轴零点，工作面推进方向为x轴，建立二维平面直角坐标系。假设最大导水破坏带位置为地表，从完整岩层带中取任一厚度为dz的单元体进行采动过程中岩层受力分析。由于在煤层底板中发育有断层，单元体两侧受到向下的阻力分别为C+σHtanφ（C、φ 分别为完整岩层带岩石的黏聚力和内摩擦角）和CF+σHtanφF（CF、φF分别为断层岩石的黏聚力和内摩擦角），σH为水平主应力，σν为单元体上部所受的垂直应力。

1.2 底板突水的临界压力值分析

为了研究在工作面回采的过程中，煤层底板沿断层发生突水的情况。基于极限平衡理论，结合摩尔-库伦准则，求解断层突水的临界水压力值[16-17]。通过对采动条件下力学模型的受力分析可知，单元体的平衡方程为：

式中：L 为采空区采顶距离，m；∂为断层倾角，（°）；C 为完整岩层带岩石的黏聚力，MPa；φ 为完整岩层带岩石的内摩擦角，（°）；CF为断层岩石的黏聚力，MPa；φF断层岩石的内摩擦角，（°）；σH为水平主应力，MPa；σν为单元体上部所受的垂直应力，MPa；dz 为所选取单元体厚度，m；dσν为单元体自身所受的垂直应力。

据摩尔-库伦准则[18]，岩体在破坏时满足以下极限平衡条件：

考虑构造应力场的影响因素，岩层所受水平主应力σH为：

式中：ν 为岩石泊松比；ρ 为岩石平均密度，t/m3；Kt为构造应力系数；H 为埋深，m。

将式（3）代入式（1）中得：

解此微分方程得：

式中：A 为待确定积分常数。

根据采煤工作面底板受力分析图，当z=0，即完整岩层带未受到破坏时，将σν=ρgh1代入式（6）得：

当z=h2，即完整岩层带已全部破坏，底板发生突水时，σν=pW-ηh3（pW为底板承压含水层水压，MPa），将其代入式（6）中，得到在含有断层构造的情况下，底板岩层所能承受的极限水压力值为：

式中：p′为煤层底板所承受的极限水压力值；h3为承压水导高带高度，m；η 为水头损耗。

煤层在开采过程中，底板岩层所承受的实际水压力值为p。通过计算可知，当p＜p′时，此时底板岩层处于稳定状态，可以进行安全开采，不会发生突水事故；当p=p′时，此时岩层处于临界稳定状态，可能将会发生突水事故；当p＞p′时，此时开采不安全，会发生突水事故。

2 考虑水压及断层形态的底板突水数值模拟

2.1 工程地质概况

以梧桐庄矿为例，井田内落差>5 m 的断层96条，落差>50 m 的断层18 条，每平方公里内发育有1.3条断层，其中大部分为正断层。目前矿井所开采煤层为6#煤层，煤层厚度为0.74～5.74 m，平均厚度为3.18 m，其水平标高为-500 m。下伏有巨厚，极富水性的奥陶系灰岩含水层，且由于井田内部褶曲、垂向裂隙、构造比较发育，奥灰含水层大量补给煤系含水层，断层抬升含水层，减小了底板有效隔水层的厚度，为造成较大突水事故而间接危害生产创造了条件。在1995—2018 年期间，梧桐庄矿共发生有突水事故13 次，最大突水量为450 m3/h，其主要原因为在采掘过程中，临近或突然揭露导水断层而发生突水。

2.2 数值模拟模型

根据梧桐庄矿182102 首采工作面实际地质环境概况，建立数值模型。针对于具体的地质资料，采用摩尔-库伦屈服原则构建弹塑性本构模型，不同形态断层数值模型如图2。

图2 不同形态断层数值模拟模型Fig.2 Numerical simulation model of faults with different shapes

确定模型的尺寸为长1 250 m，宽240 m，高480 m，模型中包括20 964 个单元和25 284 个节点。取x 轴方向为煤层走向方向，y 轴方向为煤层倾向方向，z 轴方向为模型垂直向上方向。为避免在煤层采动过程中边界效应的影响，沿x 轴、y 轴方向两侧各留设100 m、60 m 的煤柱。模型中工作面的尺寸为长500 m，宽120 m，高4.5 m。采用分步开采的方式，沿煤层走向开采，一次采全高，每步的开挖距离为25 m，共计开挖20 步。根据地层综合柱状图将模型概化为19 个物理力学性质不同的工程地质岩组，模型中的煤层顶底板岩层及断层岩石力学参数见表1。

表1 煤层顶底板岩层及断层岩石力学参数Table 1 Mechanical parameters of coal seam roof and floor slate and fault rock

煤层顶板的埋藏深度为750 m，模型顶部边界所施加的应力等效为上层岩土层的自身重力，取上覆岩层的平均密度为2 500 kg/m3，则等效荷载约为11.125 MPa。

模型的力学边界条件为：模型四周边界均施加水平位移约束，底部边界施加水平和垂直位移约束，顶部边界为自由面，施加方向向下的等效荷载，荷载均匀分布。渗流边界条件为：模型底部边界采用固定水压边界来模拟奥灰含水层的水压力值，底板内部初始水压按照梯度水压变化，四周及顶部边界均为隔水边界。在自然状态下，煤层在开挖前上覆岩层所产生的荷载以及底部的承压水压力已然存在，故模型在开挖前先加载承压水压力以及等效重力荷载，进行初始化，形成原始的地应力状态。

2.3 模拟方案

为了从应力场、位移场、渗流场以及破坏区的共同耦合作用的角度，研究在开采深部煤层的过程中，在不同形态断层与承压水水压的作用下煤层底板突水规律，本次试验共设计了5 组数值模拟方案，数值模拟方案见表2。

表2 数值模拟方案Table 2 Numerical simulation schemes

通过总结前人所得出的经验与结论[19-20]，在工作面底板及断层破坏明显的区域布置监测点，当工作面推进至25、75、100、200、350、400 m 距离时，监测工作面底板及断层围岩应力场、位移场、渗流场及破坏区的变化情况，并进行共同耦合作用分析，数值模拟监测点布置分布图如图3，其中，⑨监测点监测当工作面推进至断层时，煤层底板变化规律；⑩监测点监测靠近工作面下端的断层顶部变化规律。将方案Ⅰ、方案Ⅲ和方案Ⅴ模型结果进行对比分析，得出在相同断层宽度及承压水压力的情况下，断层倾角对底板突水规律的影响；将方案Ⅱ、方案Ⅲ和方案Ⅳ模型结果进行对比分析，得出在相同断层倾角及承压水压力的情况下，断层宽度对底板突水规律的影响；将方案Ⅲ模型结果进行自身对比分析，得出在断层倾角和宽度相同的情况下，承压水压力对底板突水规律的影响。

图3 数值模拟监测点布置分布图Fig.3 Layout and distribution of numerical simulation monitoring points

2.4 结果分析

在煤层采动前，采场处于原岩应力状态。随着工作面的推进，受采动应力及承压水压力的影响，工作面围岩及断层所受应力重新分布，岩体发生破坏产生位移，含水层中承压水沿岩体破坏区向上延伸。对煤层开采造成影响。

在工作面推进初期，受煤层采动的影响，顶底板发生小范围的破坏，应力主要集中在工作面的正上、下方，岩体处于卸压状态，含水层上部发育有承压水导生带。靠近工作面底部断层所受应力小幅度增加，发育有向上的位移，位移量呈周期性波浪形变化；断层底部所受应力几乎不发生变化，发育有向下的位移，位移程度较小。断层所受孔隙水压力稳步增加。

随着工作面的推进，采空区卸压区域不断扩大，顶板出现悬顶采空区，底板出现减压膨胀区，且顶板破坏区域大于底板破坏区域。工作面两端始终处于应力集中状态，煤层顶板岩层发生下沉且位移量逐渐增加，并在采空区中间位置达到最大值，以采空区中部为对称线岩层位移量逐渐减小，靠近采空区的底板岩层受煤层减压影响，向上位移产生底鼓。顶板岩层以剪切破坏为主，靠近采空区上方附近存在拉张破坏，底板受超前压缩影响，主要受到拉张破坏。含水层上方承压水导生带再次向上发育。断层所受应力呈先增大后趋于平稳的阶梯式变化，当底板超前压缩区刚接触断层时，断层所受应力达到最大值，随煤层继续回采，所受应力呈周期性断崖式下降。靠近工作面底部断层发育有位移量变化程度较大的向下位移；断层底部发育向上的位移，位移量较大。断层所受孔隙水压力出现先增大后减小的周期性变化，整体上呈现为增大的趋势。

当工作面推进至断层区域附近时，工作面前端应力集中区域向断层上端转移，且所受应力小于后端应力。含水层上方承压水导升带的高度几乎不发生变化。断层所受应力处于最小值状态，整体发生大幅度的向上位移，位移量呈现为阶梯式变化。断层周围所受渗流压力出现变化程度较大的锯齿状波动，但最大压力几乎不发生变化。同时，渗流场开始由断层向工作面前端方向发生漫延。在煤层回采的整体过程中，断层始终受到拉张破坏。

底板突水主要包括突水水源与突水通道2 个因素。由分析可知，在工作面回采完成时，工作面前端已存在有承压水压力。因此，底板破坏区是否与断层破坏区相连是底板发生突水的直接影响因素。在试验中，可通过⑨监测点、⑩监测点所监测的煤层底板和相邻断层在工作面推进至断层区域附近时，所受应力场、位移场、渗流场以及破坏区共同作用情况，得出断层形态及承压水压力对底板突水的影响规律。

2.4.1 断层倾角对底板突水的影响

在断层倾角不同的情况下，当工作面推进至断层区域附近时，不同倾角模型推进至断层时塑性破坏图如图4。结合⑨监测点和⑩监测点处煤层底板以及断层受应力场、位移场、渗流场以及破坏区共同作用情况，得出的⑨监测点和⑩监测点处的垂直应力、垂向位移及渗流压力与断层倾角关系图如图5。

图4 不同倾角模型推进至断层时塑性破坏图Fig.4 Plastic failure diagrams of models with different dip angles advancing to the fault

图5 ⑨监测点和⑩监测点处的垂直应力垂向位移及渗流压力与断层倾角关系图Fig.5 Relationship between vertical stress, vertical displacement, seepage pressure and fault dip at monitoring points ⑨and ⑩

对方案Ⅰ、方案Ⅲ和方案Ⅴ结果进行对比。在工作面回采完成时，随着煤层倾角的增大，煤层底板处所受垂直应力呈现为整体减小的趋势（负号代表其应力方向向下），平均变化率为-29%，垂向位移由向上的位移变为向下的位移，所受承压水压力变化幅度较小，平均变化率仅为-0.15%；靠近工作面底部断层所受垂直应力呈现先增大后减小的变化趋势，垂向位移变化量和变化规律与煤层底板处基本一致，所受承压水压力几乎未发生变化，断层处所受垂直应力随倾角增大逐渐大于煤层底板处应力。工作面底部破坏区均未与断层破坏区相连，但底板超前压缩区随倾角增大而增大。这说明承压水压力几乎不随断层倾角的变化而变化，断层倾角越大，工作面下部围岩所受应力越小，但破坏区的范围越大，越容易发生突水。

2.4.2 断层宽度对底板突水的影响

在断层宽度（断层上、下盘之间的水平距离）不同的情况下，当工作面推进至断层时，不同断层宽度模型推进至断层时塑性破坏图如图6，⑨监测点和⑩监测点处的垂直应力、垂向位移及渗流压力与断层宽度关系图如图7。

图6 不同断层宽度模型推进至断层时塑性破坏图Fig.6 Plastic failure diagrams of models with different fault widths advancing to the fault

图7 ⑨监测点和⑩监测点处的垂直应力、垂向位移及渗流压力与断层宽度关系图Fig.7 Shows the relationship between vertical stress, vertical displacement, seepage pressure and fault width at ⑨and ⑩monitoring points

对方案Ⅱ、方案Ⅲ和方案Ⅳ结果进行对比分析，随断层宽度的增大，煤层底板所受垂直应力呈现先减小后增大的变化，垂向位移由向上变为向下位移，所受承压水压力稳步增大，平均变化率为6.1%；靠近工作面底部断层受垂直应力呈现先增大后减小的变化，且变化幅度较大，并在宽度为60 m 左右时达到极值，垂向位移变化规律与底板处基本一致，所受承压水压力变化幅度较小。在断层宽度为40 m 时，底板发生突水，随断层宽度的增大，靠近工作面前端断层区域破坏程度变小，突水危险性降低。

2.4.3 承压水压力对底板突水的影响

在含水层承压水压力不同的情况下，当工作面推进至断层时，不同承压水水压模型推进至断层时塑性破坏图如图8，⑨监测点和⑩监测点处的垂直应力、垂向位移及渗流压力与承压水水压关系图如图9。

图8 不同承压水水压模型推进至断层时塑性破坏图Fig.8 Plastic failure diagrams of different confined water pressure models advancing to the fault

图9 ⑨监测点和⑩监测点处的垂直应力、垂向位移及渗流压力与承压水水压关系图Fig.9 Relationship between vertical stress, vertical displacement, seepage pressure and confined water pressure at ⑨and ⑩monitoring points

通过对Ⅲ组模型自身结果进行对比分析，煤层底板与靠近工作面底部断层所受垂直应力与承压水压力均随着含水层承压水压力的增大而增大，其中所受承压水压力的平均变化率分别为22%和24%，且位移变化规律均呈现为先向下后向上发生位移。断层处所受到的垂直应力大于煤层底板处所受到的垂直应力，但随着含水层中承压水压力的增大，断层处所受到垂直应力的平均变化率仅为9.9%，而煤层底板处所受到垂直应力的平均变化率为19.7%，说明含水层中承压水压力对煤层底板处的垂直应力存在有较大的影响。同时工作面前端围岩破坏范围随含水层承压水压力的增大而增大，并在含水层承压水压力为9 MPa 时发生突水。这说明含水层承压水压力对工作面底部围岩所受应力的影响较大，且随着含水层中承压水压力的增大，工作面底板岩层受到的垂直应力也随之快速增大，岩层发生向上的位移，当工作面底板岩层破坏区与断层破坏区相连时，底板发生突水。因此，随着含水层中承压水压力的增大，断层及工作面底板破坏范围随之增大，突水危险性增大。

3 结 语

1）基于基础力学原理和“下三带”理论，建立工作面向断层方向进行推进情况下的力学模型，分析得出在工作面推进过程中，煤层底板及断层的受力分布情况，并计算出底板突水的临界压力值。

2）随工作面的推进至煤层回采完成的过程中，采空区卸压区域不断扩大，工作面两端存在应力集中区；在采空区中部位移量达到最大值，两侧位移量减小，断层整体发生大幅度的向上位移，位移量呈现为阶梯式变化；承压水沿断层上升，并由断层向工作面前端方向发生漫延；工作面围岩呈现为“马鞍形”的破坏形态，断层整体受到拉张破坏。

3）在煤层回采过程中，不同断层倾角对工作面底板围岩所受垂直应力的影响较大，对垂向位移及承压水压力影响较小，且随倾角的增大，底板及靠近工作面底端断层处所受的垂直应力增大，底板超前压缩区和工作面前端断层破坏区范围增大，底板突水危险性增加；不同断层宽度对工作面底板围岩及断层所受垂直应力的影响较大，并在宽度60 m 左右时达到极值，对垂向位移的影响较小，且随断层宽度的增大工作面底板围岩所受的承压水压力增大，但靠近工作面前端断层破坏程度降低，底板突水危险性降低；不同含水层承压水压力对工作面底板围岩及断层所受承压水压力的影响较大，随含水层承压水压力的增加，其所受垂直应力和承压水压力均呈增大的趋势，且靠近工作面底端断层破坏区增大，底板突水危险性增加。