張瑞彬

（陽泉煤業(yè)集團創(chuàng)日泊里煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032700）

煤礦井下工作面底板突水是煤礦開采過程中比較常見的問題之一，地下水壓、采動不當及隔水不良都有可能引起工作面突水問題[1]。井下斷層是引起突水問題的一個關(guān)鍵要素，不同的斷層對工作面底板突水的影響作用也不同[2]。因此有必要對斷層進行力學(xué)分析以及模擬不同斷層造成的突水情況，減少突水事故的發(fā)生。

1 斷層突水的機理分析

斷層能夠破壞巖層造成漏水，同時斷層也會形成空隙進行導(dǎo)流，隔水層對于防止突水影響非常大，一旦有斷層形成，隔水層的厚度就會相對降低，煤層與含水層更容易接近[3]。有的斷層滲透性非常高，在高水壓情況下就容易引起突水事故，因此要對隔水層進行設(shè)計。在工作面壓力作用下，斷層容易發(fā)生活化現(xiàn)象，即上下兩層分開，不導(dǎo)水的斷層變成導(dǎo)水斷層[4-7]。斷層的力學(xué)模型如圖1所示，圖中為傾角為α的斷層，最大應(yīng)力為σ1，最小應(yīng)力為σ2。

圖1 斷層活化力學(xué)分析

設(shè)斷面上的剪切應(yīng)力為τ1，正面應(yīng)力為σ，則有：

根據(jù)強度準則[4]，斷面最大抗剪切強度為：

當巖層剪應(yīng)力大于或等于最大抗剪切強度時，斷層就會發(fā)生活化現(xiàn)象，綜合以上公式，可得出斷面發(fā)生活化時候的應(yīng)力為：

式中：

K-斷面粘結(jié)系數(shù)，

β-巖層摩擦角（°），

φ-側(cè)壓系數(shù)。

2 數(shù)值模型

采用RFPA2D-Flow可對巖層進行滲流模擬分析，針對創(chuàng)日泊里煤礦的井下特征，建立了斷層底板突水數(shù)值模型。水平為350m，豎直為200m，共劃分70000個單元。模型推進時候設(shè)定為10m，每步開采5m，水平位移加約束，煤層模型設(shè)定重力，底部邊界模擬高壓水。

2.1 斷層傾角模擬

為了研究斷層對工作面底板突水的影響，設(shè)計不同的模擬方案，分別取不同的斷層傾角來驗證是否對突水狀況有影響。將傾角設(shè)定為80°、60°、40°和20°，含水層壓力設(shè)定為5MPa，隔水層厚度設(shè)定為50m，煤層厚度設(shè)定為6m，斷層落差為25m。

當傾角為80°且工作面與斷層距離為50m時，壓力無法使斷層脫落活化，煤層與水層無法導(dǎo)水；當工作面和斷層距離20m時斷層開始裂紋，并進行擴散開始活化，斷層開始變?yōu)閷?dǎo)水，裂紋成為煤層和水層的導(dǎo)水口，出現(xiàn)底板突水問題。

當傾角為80°時，發(fā)生突水時底板滲流情況及流量數(shù)值如圖2所示，由圖可以看出斷層活化引起的突水問題發(fā)生時高壓水快速導(dǎo)通，沿著工作面滲透，滲流過程中的流量變化范圍也非常大，受影響最大區(qū)域是發(fā)生破壞的區(qū)域，最大流量可以到達475m3/h。

圖2 傾角80°底板滲流情況及流量曲線

當傾角為60°時，且工作面和斷層距離40m時斷層開始裂紋，并進行擴散開始活化，斷層開始變?yōu)閷?dǎo)水，裂紋成為煤層和水層的導(dǎo)水口，出現(xiàn)底板突水問題。發(fā)生突水時底板滲流情況及流量數(shù)值如圖3所示，由圖可以看出斷層活化引起的突水問題發(fā)生時高壓水快速導(dǎo)通，沿著工作面滲透，滲流過程中的流量變化范圍也非常大，受影響最大區(qū)域是發(fā)生破壞的區(qū)域，最大流量可以到達447m3/h。

圖3 傾角60°底板滲流情況及流量曲線

當傾角為40°和傾角為20°時，工作面和斷層距離分別為45m和55m時斷層開始裂紋，擴散活化，斷層開始變?yōu)閷?dǎo)水，出現(xiàn)底板突水問題。發(fā)生突水時底板滲流情況流量曲線如圖4所示，由圖可以看出斷層活化引起的突水問題發(fā)生時高壓水快速導(dǎo)通，流量激增，最大流量分別可以到達501m3/h和349m3/h。

圖4 傾角40°和傾角20°底板滲流流量曲線

通過以上數(shù)值分析，可以發(fā)現(xiàn)不同傾角出現(xiàn)底板突水的過程基本類似，但是發(fā)生時機不同，傾角越小發(fā)生斷層活化時候工作面距離斷層越大，也就是較早的就出現(xiàn)了底板突水問題，因此當斷層傾角小的時候應(yīng)增加防護設(shè)施以降低突水事故發(fā)生率。同時也可以發(fā)現(xiàn)突水事故發(fā)生時，斷層傾角大小與底板突水流量并沒有直接的關(guān)系。

2.2 正、逆斷層模擬

設(shè)定傾角為60°，斷層設(shè)定為逆斷層，其他數(shù)值保持不變，對逆斷層活化突水情況進行模擬分析，結(jié)果表明工作面距離斷層為20m時開始活化裂紋并導(dǎo)水，工作面出現(xiàn)突水問題，最大流量為575m3/h。

對比正斷層和逆斷層的模擬可以看出，正斷層活化工作面距離為40m，逆斷層活化工作面距離為20m，逆斷層抵抗突水事故的能力更好。

3 結(jié)論

通過建立斷層力學(xué)模型來分析斷層活化的影響要素，利用軟件模擬分析斷層對于煤礦工作面底板突水事故的影響因素，得出了不同傾角的斷層發(fā)生活化的時間不同，傾角越小的斷層越容易發(fā)生活化突水事故，逆斷層相對于正斷層來說具有更好的抵抗活化突水事故的能力等結(jié)論，為煤礦底板突水事故的研究提供了理論依據(jù)。