断层条件下深部开采底板破坏深度发育规律研究

吴培益,王 赟,才向军,仲 锐,高鹏程

(1. 唐山开滦林西矿业有限公司,河北 唐山 063104;2. 华北科技学院 安全工程学院,北京 东燕郊 065201)

0 引言

在华北石炭—二叠系煤田采煤过程中,时常发生煤层底板突水,严重影响矿区的安全生产。形成底板突水的水源主要原因有奥陶系岩溶裂隙含水层或与其有水力联系的石炭系薄层灰岩含水层突水[1-3]。因为奥灰含水层厚度大,岩溶裂隙发育,富水性强,所以一旦发生突水,危害极大。

为了预测煤层底板突水,国内外学者进行了大量的试验,根据不同地质情况,构建多种地质模型,对特定地质模型提出可能发生突水的微观和宏观机制[4-6]。20世纪60 年代,矿井水文地质“会战”,以峰峰、焦作、淄博、井隆四大矿区的临界突水系数经验数据为依据,借鉴保护层理论,提出了用单位厚度隔水层所承受的水压经验值来评判突水可能性的突水系数法[7,8]。20 世纪70 年代,考虑到采矿对底板破坏的影响,煤炭科学研究总院西安分院提出了有效隔水层厚度,认为隔水层厚度应不包含底板采动破坏带,对突水系数法进行了修正[8,9]。李白英等提出的“下三带”理论,认为煤层底板自上而下存在着三个带：采动破坏带(Ⅰ带)、完整岩层带(Ⅱ带)、导升高度带(Ⅲ带),并得出了底板破坏深度与采面斜长之间的线性关系,代表了底板变形理论研究的新成果[10]。20世纪80年代,在研究底板承压水导升高度的基础上,将有效隔水层厚度进一步扣除了导升带高度,对突水系数法进一步进行了修正[8]。

突水系数法及其修正方法在各大矿区得到了广泛应用,对评价和预测煤矿底板突水起到了积极作用。随着煤炭工业的快速发展,华北的许多煤矿已进入或将进入深部开采阶段。深部煤层埋藏深,煤层底板承受的水压大,存在严重的“三高一扰动”(高地应力、高地温、高岩溶水压、强烈的开采扰动)的复杂地质环境,井下防治水的问题亟待解决[11-13]。

与此同时,部分矿区深部区域底板奥灰隔水层厚度普遍较大,随着隔水层厚度增大,其抵抗深部水压的能力将显著增强,对奥灰水上安全开采也有有利的一面[14]。如果继续单一依赖突水系数计算和评价突水危险性,将不利于指导开滦矿区深部底板奥灰水突水危险性评价与防治措施工作。

为此,本文以开滦矿区林西矿深部开采为例,采用统计分析的方法,总结矿井深部构造发育规律;结合林西矿的地质构造特点,采用数值计算方法,研究构造条件下底板破坏规律,揭示深部底板突水机理。为指导矿井深部开采防治水工作提供了理论和技术支撑。

1 工作面概况

林西矿深部2023-2工作面,开采12#煤层,煤层采厚约2.3m,倾角平均19°,采深910～994m。该工作面设计走向长1388m,倾斜宽110m,采用长壁后退式综合机械化采煤法,全部垮落法管理顶板。工作面位于12#煤层水平,同煤层东侧、南侧工作面均已回采。该工作面位于杜军庄背斜构造块和黑鸭子向斜构造块内,断层发育,最大落差2.1m。

该工作面顶板含水层为砂岩裂隙含水层组,富水性均比较弱,对工作面影响比较小;底板受奥陶纪灰岩水威胁,突水系数基本上大于底板构造破坏地段突水系数临界值0.06MPa/m,但底板距离奥灰顶界面的厚度略大于160m。矿井今后深部开采面临底板奥灰突水隐患,急需掌握本矿井深部开采底板采动裂隙发育规律,及适合本矿井深部开采的防治水措施。

2 林西矿深部断层发育规律

2.1 深部断层发育特征统计分析

矿井水害是由多种因素影响造成的,其类型较多。其中,断层通常作为矿井充水的主要通道,是采煤过程中诱发底板突水的重要因素之一。据统计,80%左右的突水发生在底板有断层的情况,或者与断层有直接的关系[15,16]。

林西矿随着采深的加大,断层构造趋于增多,小断层相当发育,往往成群出现,且隐伏性强。

采用数理统计学方法,分别对林西矿开采煤层(7#、8#、9#、12#煤层)-600 m以深采掘揭露的断层进行了统计。据不完全统计,林西矿揭露538条,其中,7#煤揭露67条;8#煤揭露52条;9#煤揭露134条;11#煤揭露57条;12#煤揭露228条。

对矿井揭露的深部断层的统计分析以及参照构造纲要图,发现矿井深部断层发育存在以下特征：

(1) 断层落差的主要分布在0～4m之间(如图2所示),约占92.8%,规模较小。其中,落差在0～2m之间的小断层约占65.2%,落差在2～4m之间的小断层约占27.6%,落差大于4m的小断层约占7.2%;7#煤落差在0～4m之间小断层约占85.5%;8#煤落差在0～4m之间小断层约占92.4%;9#煤落差在0～4m之间小断层约占97.7%;11#煤落差在0～4m之间小断层约占100%;12#煤落差在0～4m之间小断层约占96.9%。

断层的规模对断层的导水性是有影响的,实践表明,一般断层落差越大,断距越大,断裂带也较宽,延展深度和长度也越长,断层更易突水。因此,本区域断层规模较小对区域突水具有有利的一面。

(2) 断层上下煤层的联系性较差,98.3%的断层未在下煤层中揭露,如图2所示。其中,7#煤中100%的断层未在下煤层中揭露;8#煤中96.7%的断层未在下煤层中揭露;9#煤中99.1%的断层未在下煤层中揭露;11#煤中93.0%的断层未在下煤层中揭露。

断层上下煤层的联系性差,表明本区域断层规模不甚发育,断层延展深度不大,对底板破坏深度影响有限。

(3) 断层以正断层为主,正逆兼有(如图3所示),正断层约占88.7%。其中,7#煤正断层约占78.7%;8#煤正断层约占84.8%;9#煤正断层约占90.5%;11#煤正断层约占100%;12#煤正断层约占96.1%。

结合本区域地质构造演化历史分析,本区域正断层一般为张应力作用下形成的张破裂,为张性断层。张性断层一般表现为导水性好,容易与含水层起到导水作用,降低底板隔水层的阻、隔水能力。但小型断层一般破碎带宽度非常小或不出现,对底板隔水层的阻、隔能力影响有限,该区域井田揭露的小型断层也显示一般不含水也不导水。

(4) 断层的倾角主要分布在30°～70°之间(如图4所示),约占79.9%,有较多的高角度断层。其中,倾角在0°～10°之间的断层约占0%,倾角在10°～20°之间的断层约占2.7%,倾角在20°～30°之间的断层约占4.5%,倾角在30°～40°之间的断层约占15.1%,倾角在40°～50°之间的断层约占27.3%,倾角在50°～60°之间的断层约占20.5%,倾角在60°～70°之间的断层约占17.0%,倾角在70°～80°之间的断层约占8.4%,倾角在80°～90°之间的断层约占4.1%。

断层的倾角对采动扰动作用下底板的破坏是有影响的,实践表明,断层倾角越大,底板破坏深度和范围却成减小趋势,越不容易发生突水。这是本区域断层发育对矿井突水另一有利因素。

图1 深部断层落差分布统计柱状图

图2 深部断层在下组煤中揭露情况统计柱状图

图3 深部断层性质统计柱状图

图4 深部断层倾角分布统计柱状图

2.2 深部断层延展深度分析

开平向斜东南翼的林西矿区域赋存煤层可采与局部可采煤层为5#、7#、8#、9#、11#、12#煤层,各煤层间距离较近,为近距离煤层群,层间距多在20m以下,尤其是7#、8#、9#、11#、12#等下组煤层。各煤层的厚度、层间距及其变化规律见表1。

由断层的发育特征统计分析可以看出,断层上下煤层的联系性较差,往往本层煤揭露的断层,向下未延展到下组煤,向上也未延展到上组煤。考虑到近距离煤层群煤层间距多在20m以下,可以认为该区域发育的小型断层在剖面上延展深度多在40m以内,如图5所示。

表1 各煤层的可采性指数和变异系数一览表

图5 断层延展深度示意图

3 小断层条件下深部突水机理

3.1 底板破坏深度数值模拟模型的设计

本文采用数值模拟软件FLAC3D,以林西矿深部开采工作面2023-2为研究背景,研究林西矿断层条件下底板采动破坏发育规律。参照工作面实际开采工况并适当简化,模拟工作面走向600m、倾向110m,倾角0°,采深1000m。底板隔水层厚160m,底板奥陶系灰岩含水层水压11MPa。参照林西矿断层统计规律,模拟断层倾向90°,倾角45°(以系统Y轴为正北方向),断层位于底板,垂向延展深度40m,上部尖灭于工作面底板走向300m处。模型工作面走向两边各延长200m(渐变网格),倾向边界各延长90m,顶板建立158m,上覆岩层采用荷重替代,单位体积上覆岩层重力取26.25kN/m3,煤层垂直深度平均值约为780m,则上覆荷重为20.475MPa。模型模拟岩层采用摩尔-库伦本构模型;模拟断层采用库伦剪切本构模型。

为进一步揭示底板岩层构造赋存条件对采动破坏发育深度的影响机制,作为对比,数值模型还设计有断层和无断层条件下的深部开采工况。数值模型设计如图6所示。数值模型岩层参数见表2。

表2 工作面顶底板主要岩层力学参数

图6 工作面三维模型剖面图

3.2 采动破坏规律分析

模拟的计算过程如下：对工作面进行开挖时,按照每30m为开挖的步距循环开挖,沿煤层的走向(从左向右)进行一次性开采。图7是工作面部分推进阶段(走向推进30m、90m、150m、300m、480m、510m、600m)围岩塑性区发育剖面图。数值模拟的围岩塑性区反映了岩层过去或现在经历了剪切或张拉破坏。由图7可以看出,底板有、无断层条件下,底板破坏发育演化规律分别表现为：

(1) 无断层条件下工作面推进过程中,推进至30m时,底板破坏深度6m,呈“勺型”,为拉张破坏;推进至90m时,底板破坏深度14m,中部为拉张破坏,工作面两帮为剪切破坏;推进150～480m之间,底板破坏深度稳定在18m,底板破坏只发生横向扩展,且破坏最先到达18m的位置位于采空区中后部,破坏的横向扩展从采空区中后部向推进方向扩展;推进至510m时,底板破坏深度再次向下发育至20m,同样破坏最先到达20m的位置位于采空区中后部,随着之后工作面的推进,破坏横向扩展,不再纵向发育。从破坏性质的角度分析,在工作面顶底部及两帮位置是破坏为剪切破坏,在采空区的临空处,破坏为拉张破坏,符合梁支撑结构的破坏形态。

(2) 有断层条件下工作面推进过程中,推进至120m前,底板破坏发育情况基本同无断层条件下推进过程相同,破坏深度为16m;推进150～270m时,底板破坏深度稳定在18m左右,底板破坏横向发育;推进至300m时,工作面与断层上部尖灭点汇合,该处底板破坏带与断层破坏连通,破坏深度大幅增加,达到42m;推进330～540m时,底板破坏深度保持在42m不变,只在横向上有所扩展;推进570～600m时,底板破坏主要在横向上发育,在纵向上,局部向下发育至44m。从破坏性质的角度分析,在工作面与断层的尖灭位置为剪切和拉张共同破坏,在工作面其余位置为拉张破坏。

综合底板破坏深度的变化规律来看,工作面刚开始推进时,底板破坏深度随工作面的推进距离快速增加,当工作面推进一定距离后,无断层条件下底板破坏深度将不再增加而一直稳定在某一固定值;而断层条件下底板破坏深度也稳定在某一数值,但当工作面推进至断层处时,底板破坏带将与断层破坏区连通,导致底板破坏深度突增,随后其值将不再随工作面的推进增加而保持基本稳定。数值模拟结果显示,无断层条件下底板破坏最大深度为20m,断层条件下底板破坏最大深度为44m,断层发育将加深底板的采动破坏深度。

从数值模拟得出的底板破坏规律可以看出,有断层和无断层条件下,底板破坏深度差异较大。结合实际开采经验,我们分析认为：工作面在推进过程中,由于工作面开采导致围岩原始应力条件失去平衡,采矿对底板岩层产生一系列复杂的应力集中和卸荷影响,导致对底板破坏及底板内断层的活化,致使底板采动裂隙与活化断层联通,底板破坏深度加大,而导致采场底板更易发生突水危险。尤其是深部开采,在高地应力和高水压作用下,构造更容易发生剪切破坏,活化形成导水通道与采动裂隙贯通时诱发工作面突水。这种突水模式称为断层-采动裂隙联通型模式[17-18]。

对于厚、巨厚隔水层,从理论上讲,厚板整体破断方式不可能发生,在无直通式构造通道的前提下,规模不大、落差有限的小型地质构造(如小断层、小陷落柱等),断层突水模式更可能是断层-采动裂隙联通型模式。

4 结论

(1) 统计了林西矿深部(-600m以内)断层发育情况,发现林西矿以小断层发育为主,具有落差小、延展深度小、正断层占比高、高角度发育等特征,小断层发育特征对控制矿井突水相对有利。并结合矿井主采煤层为近距离煤层群且层间距多在20m以下的特点,可推断该区域发育的小型断层在剖面上延展深度多在40m内,为研究该区域断层影响下底板破坏深度提供了实测数据。

(2) 采用数值模拟,研究得出无断层条件下底板破坏深度为20m,有断层条件下底板破坏深度为44m。底板断层在采动影响下容易发生活化,并与底板破坏带联通,将加深底板的采动破坏深度。

(3) 借鉴构造—采动裂隙联通型突水模式,解释了林西矿小断层发育条件下深部开采的底板突水机理。

图7 工作面推进不同距离时走向塑性区剖面图

图7 工作面推进不同距离时走向塑性区剖面图(续)