采动应力下底板隐伏断层渗流场演化规律研究

杨 鹏

（山西怀仁中能芦子沟煤业有限责任公司，山西 朔州 038300）

煤矿开采受地质构造与水害影响严重，随着地下开采工作逐渐向深部延伸，地下构造与地下水的赋存状态越发复杂[1-2]。其中我国煤矿主要受奥陶系石灰岩水的影响，并且大量矿井地层中存在隐伏断层，对煤矿的开采造成极大威胁[3-4]。

底板隐伏断层为底板突水提供了涌水通道，在采动应力的作用下，隐伏断层易发生活化，使承压水导升，威胁工作面生产。刘志军等[5]建立了流固耦合模型，并通过将模型嵌入数值模拟软件中分析了断层突水因素与突水规律的作用关系。王进尚等[6-7]根据断层力学模型，推导了承压水导升模型，并建立了临界突水表达式，解释了底板突水过程的时空演化规律。张鹏等[8]采用理论分析方法与数值模拟方法表明了采动影响下底板突水的滞后性因素。李连崇等[9]针对断层活化的动态过程，采用数值模拟方法分析了突水通道的时空演化特征。刘伟韬等[10]运用数值模拟方法，探究不同角度断层的承压特性，表明小角度断层受张拉应力作用与剪应力作用的程度大于大角度断层。杨登峰等[11]以底板动态突水过程为例，分析了采空区底板的塑性区发育特征。

以上研究为底板承压水在隐伏断层中导升与突水机制进行了系统研究。但对于采动影响下的承压水导升运移联动规律仍需做进一步研究。因此，以芦子沟煤矿为例，运用数值模拟方法对采动应力影响下的底板隐伏断层渗流场演化规律进行研究。

1 工程地质概况

煤矿开采过程中，底板隐伏断层易诱发底板水害[12-13]。芦子沟井田位于大同煤田中东部，属大同向斜的东翼，基本为一走向北东、倾向北西的单斜构造，并伴有宽缓的褶曲。井田内地层产状比较平缓，倾角3°～12°，一般5°～10°，东南部边缘较陡，局部达30°。井田内地层倾角平缓，基本为一单斜构造，同时发育一些宽缓的次一级波状起伏，对煤层开采影响不大，未发现陷落柱。矿区内岩溶地下水的主要补给源为东部灰岩裸露区大气降水入渗补给。东部边山碳酸盐岩裸露区断裂构造纵横切割，寒武-奥陶系灰岩、白云岩表面多见垂直裂隙与层面裂隙，局部宽大溶隙和溶洞非常发育，为大气降水入渗提供了良好的通道和赋存空间。西部白垩系地层超覆于寒武－奥陶系地层之上，白垩系地下水侧向补给寒武－奥陶系，远途径流补给岩溶地下水。另据地表出露和井下巷道揭露，井田内及边界邻近发育有20 条规模大小不等的断层，均为正断层，其中落差≥10 m 的断层14 条，落差<10 m 的断层6 条。20 条断层中，绝大部分沿北西向展布。同时还发现有燕山期岩浆岩侵入体，共分布8 条辉绿岩和煌斑岩岩墙。断层的密集发育，严重影响了芦子沟矿井的安全生产，为加强矿井防治水工作，采用数值模拟方法分析底板隐伏断层发育角度对承压水渗流场的影响，以期为矿井防治水工作提供指导。

2 底板隐伏断层承压水采动模型

底板隐伏断层在工作面回采过程中受到采动应力与含水层承压水的耦合影响[14-15]，其内部的软弱结构面与断裂带的水化物质将会发生劣化[16]。隐伏断层发生活化，致使隔水层岩体裂隙快速发育，为底板承压水提供导升通道。由于底板承压水受采动应力影响下的发育规律复杂，因此，采用数值模拟方法对底板渗流场演化规律进行分析，运用FLAC3D数值模拟软件，通过流固耦合模块与fish语言进行建模与计算分析。

建立350 m×350 m×166 m 的数值模型，其中隔水层高度为60 m，断层在煤层走向170 m 处，工作面采高为6 m，回采过程中在采区四周边界留设100 m 隔离煤柱，每次开挖步距为10 m。数值模型建模示意图如图1。数值模拟采用摩尔-库伦本构模型模拟岩体，采用fluid fl_isotropic 模拟承压水渗流过程。固定模型四周与底部边界，在上方施加20 MPa 垂直地应力，承压水压力设置为7 MPa。选取的数值模拟岩性参数见表1。

表1 数值模拟模型参数表

图1 数值模拟模型示意图

3 底板隐伏断层采动条件下渗流场分析

为分析煤层底板隐伏断层发育角度对承压水导升过程的影响，设置35°、55°、75°的三种断层布置角度，绘制工作面推进10 m、30 m、50 m 和70 m 过程中底板隔水层的渗流矢量图并进行相关分析，如图2、图3、图4。

图2 断层倾角35°时工作面推进过程渗流矢量演化图

图3 断层倾角55°时工作面推进过程渗流矢量演化图

图4 断层倾角75°时工作面推进过程渗流矢量演化图

当断层角度为35°时，工作面在推进10～30 m的条件下，采动应力导致底板岩层的渗透特性发生变化，承压水因为渗透特性的改变而出现运移。在工作面推进50 m 的条件下，承压水在应力影响下向断层裂隙方向积聚，并为后续的承压水运移提供动力。随着工作面逐渐推进到70 m 距离时，承压水的渗流矢量移动过程并不明显，渗流场逐渐发生扩展，承压水的高度出现导升，但高度不足以诱发水害灾害影响。

当隐伏断层的角度为55°时，工作面在推进10 m 后，承压水产生明显的积聚现象。工作面推进30 m 后，断层顶部发生水压渗透现象，表明此时水压已经具备破坏隔水层的能力，并使断层尖端的岩体发生塑性破坏。工作面推进50 m 后，承压水的高应力积聚范围大于采空区范围，为突破隔水层提供了动力支撑。工作面推进70 m 后，承压水的高应力积聚宽度发生收缩，相应的承压水高度发生明显导升。随着工作面的推进，承压水渗流矢量方向也随之推进。

当隐伏断层角度为75°时，工作面推进10 m时，隐伏断层的导升现象极为明显，承压水向断层内部大量汇聚。当工作面推进30 m 时，含水层高应力承压水出现积聚，断层在水力压裂的作用下开始扩展，衍生裂隙促使水源向外涌散。当工作面推进50 m 时，底部隔水层被破坏，承压水向断层内部大量涌入。当工作面推进70 m 时，含水层的应力集中分布极为明显，承压水发生明显的局部性导升，断层涌水进一步拓展。相比于35°与55°断层，倾角为75°断层对承压水的汇聚、导生高度的提升、底板隔水层渗流强度的提高具有明显的促进作用。

综上所述，隐伏断层在采动应力和底板承压水的影响下成为导水裂隙通道，在断层角度逐渐增加时（35°、55°、75°），承压水活化程度与导升能力随之提升。根据数值模拟结果，采动应力下，承压水突破隔水层的水头位置滞后于采空区，此种现象合理地解释了底板突水的滞后特性。

4 采动条件下底板应力场—渗流场演化规律

为深入分析底板隐伏断层在采动过程中的渗流场变化特性，对35°、55°、75°的断层倾角模型随推进过程中的断层内部垂直应力与孔隙水压力进行监测。根据断层长度，将断层进行3 等分，在等分点上布置测点。最终绘制垂直应力与孔隙水压力随工作面推进过程中的演化曲线如图5。

图5 不同倾角下采动应力与孔隙压力演化

根据图5（a）分析可知，在工作面推进过程中，断层内部孔隙水压力受采动应力的活化作用逐渐上升。然而，当工作面推进80 m 后，工作面的开采扰动作用对断层的影响随着距离的增加而削减，影响范围发生改变，承压水的导升能力也逐渐降低。此外，垂直应力的演化趋势表现出“勺型”，在靠近断层的位置，应力变化幅度越明显，表征了采动应力随着与断层距离的增加而逐渐减弱的趋势。

图5（b）与图5（c）表示的55°断层模型与75°断层模型具有相同的应力场—渗流场演化规律，但应力数值上表现出差异性。在孔隙水压力方面，隐伏断层角度的增加（35°、55°、75°），孔隙水压力的峰值逐渐降低，降幅约为1 MPa。原因在于，断层角度越大对于承压水的引流与导升效果越好，同时突破隔水层的能力越强，更有利于承压水压力的释放，相应的，矿井工作面底板也更容易发生涌水甚至于突水事故。在垂直应力方面，三组不同的模型垂直应力在数值上并未有明显变化，也即表明隐伏断层的变化角度对于应力场的改变并未起明显作用。

综上所述，在时空分布角度上，工作面推进越靠近断层附近位置，采动应力在底板内会产生更强的应力集中区，越容易致使断层活化，使承压水突破隔水层诱发矿井突水。在形态分布角度上，断层倾角越大，断层采动应力的跃升速度越快，对承压水的导升能力更强，表明断层倾角的增大对底板突水有激化作用。

5 结语

1）以芦子沟煤矿工程断层发育的地质特征为基础，运用FLAC3D软件建立35°、55°、75°底板隐伏断层模型，通过流固耦合模块与fish 语言进行建模与计算分析。

2）隐伏断层在采动应力和底板承压水的影响下成为导水裂隙通道，在断层角度逐渐增加时，承压水活化程度与导升能力随之提升。根据数值模拟演化结果，采动应力下，承压水突破隔水层的水头位置一般滞后于采空区，此种现象合理地解释了底板突水的滞后特性。

3）在时空分布角度上，工作面推进越靠近断层附近位置，越容易致使断层活化。在形态分布角度上，断层倾角越大，断层采动应力的跃升速度越快，对承压水的导升能力更强，表明断层倾角的增大对底板突水有激化作用。