趙家巍，周宏偉，薛東杰，蘇 騰，鄧慧琳，楊洪增

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083; 3.煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083; 4.冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 邢臺(tái) 054000)

礦井突水災(zāi)害一直是威脅和困擾我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的突出問題，近些年來(lái)華北地區(qū)多數(shù)煤礦正在逐步進(jìn)入深部開采，主采煤層與下部奧灰組含水層的間距不斷縮減，底板突水威脅日趨嚴(yán)重。河北省南部的邯邢礦區(qū)是國(guó)內(nèi)典型的大水礦區(qū)之一，煤層承受底板奧灰?guī)r溶水壓7.0 MPa以上，近20 a來(lái)發(fā)生大規(guī)模突水10余次，其中9次發(fā)生在回采工作面[1]，在深部強(qiáng)開采擾動(dòng)[2]和高水壓作用下回采空間承受著嚴(yán)重的突水威脅，底板發(fā)育層位低、直徑小的隱伏導(dǎo)含水陷落柱和隱伏小型斷層等構(gòu)造的存在則進(jìn)一步加劇了突水危險(xiǎn)性。

盡管目前對(duì)于礦井突水災(zāi)害安全意識(shí)和重視程度日漸提高，但底板突水事故仍時(shí)有發(fā)生，趙慶彪等在對(duì)邯邢礦區(qū)多起大型突水事故原因調(diào)查統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，指出導(dǎo)致底板突水事故難以遏制的原因在于隱伏小型構(gòu)造的隱蔽性和難以探知性，對(duì)此改變了傳統(tǒng)的采煤工作面內(nèi)礦井水防治方法，采取針對(duì)于采區(qū)的區(qū)域治理方法，根據(jù)注漿漿液的漏失量判斷隱伏構(gòu)造的位置和規(guī)模，較好地解決了隱伏構(gòu)造探查的難題[3];劉建功等采用礦井水害微震監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，通過(guò)監(jiān)測(cè)潛在導(dǎo)水裂隙形成和動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程產(chǎn)生的微震信號(hào)來(lái)描述和預(yù)測(cè)突水軌跡，由此而建立的礦井突水三級(jí)預(yù)警模型能夠?qū)崿F(xiàn)潛在突水區(qū)域的重點(diǎn)治理[4]，為深部隱伏構(gòu)造探查、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及突水預(yù)警提供了一種新的方法。

對(duì)于煤層底板破壞與突水機(jī)理方面的研究，F(xiàn)RENCE最早提出“底板相對(duì)隔水層”的概念，指出煤層底板突水不僅與隔水層厚度有關(guān)，而且還與水壓力有關(guān);我國(guó)學(xué)者在FRENCE基礎(chǔ)上提出采用突水系數(shù)作為預(yù)測(cè)底板是否突水的標(biāo)準(zhǔn);SANTOS基于Hoek-Brown巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則，引入臨界能量釋放點(diǎn)的概念分析了底板的承載能力[5];劉天泉在研究底板裂隙發(fā)育規(guī)律后提出了煤層底板巖體破壞的“三帶”理論[6]，而后發(fā)展為承壓水上開采的“下三帶”理論，有效隔水帶的概念被明確提出;張金才進(jìn)而將有效隔水帶看作均質(zhì)各向同性的連續(xù)介質(zhì)，應(yīng)用薄板理論得出了底板突水的理論預(yù)測(cè)公式[7];王作宇等通過(guò)對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，提出了原位張裂理論[8]，該理論考慮了礦壓和水壓對(duì)底板巖體的聯(lián)合控制作用，對(duì)承壓水上開采實(shí)踐具有重要指導(dǎo)意義，但對(duì)于原位張裂發(fā)生發(fā)展過(guò)程缺乏深入研究，其發(fā)育高度難以確定，在實(shí)際應(yīng)用中受到較大限制[7];武強(qiáng)等通過(guò)對(duì)華北型煤田中奧陶統(tǒng)灰?guī)r頂部古風(fēng)化殼厚度、巖性特征、鉆孔巖芯采取率、沖洗液消耗量、裂隙發(fā)育情況、構(gòu)造發(fā)育等多方面綜合研究，創(chuàng)建了巖體隔水性能評(píng)價(jià)方法——隔水性指數(shù)法[9]，對(duì)預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)華北地區(qū)煤層底板巖體的隔水性能有較好的指導(dǎo)作用;許學(xué)漢等提出的“強(qiáng)滲通道”理論將底板突水通道分為巖體原生滲水通道和采動(dòng)產(chǎn)生的次生滲水通道[10]，該理論重視了節(jié)理、斷層等地質(zhì)構(gòu)造對(duì)突水的影響，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義;陳忠輝等針對(duì)導(dǎo)水?dāng)鄬雍偷装逅苄曰茍?chǎng)的空間關(guān)系，把導(dǎo)水?dāng)鄬雍偷装逅苄曰茍?chǎng)的最短距離視為斷層突水的關(guān)鍵路徑，建立了底板斷層突水的簡(jiǎn)化斷裂力學(xué)模型[11];劉偉韜等基于彈性力學(xué)應(yīng)力在半無(wú)限體中的傳播理論，將承壓水壓力作為一種附加應(yīng)力，得出底板采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律，并以此作為突水危險(xiǎn)性的判斷依據(jù)[12];魯海峰等根據(jù)底板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步利用帶拉伸破壞的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則對(duì)底板破壞深度進(jìn)行計(jì)算，并探討了水壓力和隔水底板厚度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響[13]。在數(shù)值分析方面，唐春安等在對(duì)煤層開采水資源流失機(jī)理進(jìn)行水文地質(zhì)學(xué)定性分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用二維巖石破裂漸進(jìn)過(guò)程分析系統(tǒng)(RFPA)，模擬了采場(chǎng)覆巖應(yīng)力場(chǎng)的變化與重新分布規(guī)律，再現(xiàn)了采動(dòng)區(qū)覆巖裂隙萌生、擴(kuò)展和貫通的過(guò)程[14];邊凱采用FLAC3D將斷裂破碎帶物質(zhì)視為等效連續(xù)彈塑性孔隙介質(zhì)材料來(lái)進(jìn)行流固耦合模擬，通過(guò)這一方法實(shí)現(xiàn)斷裂帶附近應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)隨煤層開采變化過(guò)程[15];陸銀龍?zhí)岢隽艘环N滲流和應(yīng)力耦合作用下巖石損傷破裂過(guò)程分析的宏細(xì)觀雙尺度數(shù)值模型，建立起了細(xì)觀微裂紋損傷演化與巖石宏觀變形、破裂以及滲流行為之間的聯(lián)系，并利用COMSOL數(shù)值軟件進(jìn)行了相應(yīng)的分析[16]。

總體上，當(dāng)前人們對(duì)底板突水機(jī)理研究的重點(diǎn)在于采動(dòng)與水壓共同作用下底板整體的損傷破壞及其隔水能力的判斷，對(duì)于含有隱伏構(gòu)造底板的始滲條件、滲流路徑、突水模式等方面的研究較少，而采動(dòng)后承壓水滲流路徑的擴(kuò)展方向?qū)τ谥攸c(diǎn)區(qū)域治理目標(biāo)范圍的確定至關(guān)重要。從本質(zhì)上來(lái)講，煤層底板突水是因開采擾動(dòng)而引起應(yīng)力場(chǎng)變化，造成底板裂隙萌生和擴(kuò)展，并在高承壓水自下而上強(qiáng)力沖擴(kuò)作用下由滲流通道逐漸演變?yōu)楦咚偻凰ǖ溃装迨欠窈须[伏構(gòu)造以及隱伏構(gòu)造類型不同時(shí)其應(yīng)力場(chǎng)分布特征、裂隙擴(kuò)展規(guī)律和滲流行為也會(huì)有所差別，筆者在前述研究基礎(chǔ)上，以邯邢礦區(qū)典型突水礦井為工程背景，對(duì)含不同隱伏構(gòu)造類型底板滲流通道的形成機(jī)理進(jìn)行深入探討和研究。

1 采場(chǎng)底板滲流路徑力學(xué)計(jì)算

邯邢礦區(qū)分上、下組煤，當(dāng)前主要開采上組煤，現(xiàn)有超過(guò)800 m埋深的礦井10個(gè)，其中4個(gè)超過(guò)1 000 m，煤層底板承受奧灰水壓最高達(dá)到12 MPa，近些年來(lái)發(fā)生的大型突水事故中，突水量在160～24 000 m3/h，主要發(fā)生在回采工作面，造成3次淹井，2次淹生產(chǎn)水平。通過(guò)對(duì)邯邢礦區(qū)九龍礦、東龐礦、梧桐莊礦、邢東礦、瑞豐煤業(yè)等典型突水礦井地質(zhì)條件分析，主采上組煤2號(hào)煤時(shí)底板至奧灰層頂面之間一般賦存有以野青、山伏青、大青3組薄層灰?guī)r為底界劃分的4個(gè)地質(zhì)隔水單元[3]，隔水層總厚度為100～200 m不等(圖1)，水文地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，隱伏斷層、陷落柱等直接與奧灰層連通的導(dǎo)含水構(gòu)造較多，在很大程度上縮減了有效隔水層厚度，極易引發(fā)大型突水事故。

圖1 邯邢礦區(qū)典型突水礦井概化地質(zhì)模型Fig.1 Generalized geological model of typical water-inrush coal mine in handxing mining area

由于礦井“滲流-突水”災(zāi)害水源主要為奧灰層承壓水，野青灰?guī)r、山伏青巖、大青灰?guī)r等薄層灰?guī)r的水力作用及傳導(dǎo)關(guān)系較弱，因此可忽略薄層灰?guī)r的影響。為便于理論分析，將奧灰層頂界面至煤層底板之間的巖層簡(jiǎn)化為含隱伏構(gòu)造的均質(zhì)隔水層，對(duì)承壓水、隱伏構(gòu)造、開采擾動(dòng)之間的力學(xué)作用關(guān)系進(jìn)行重點(diǎn)研究。根據(jù)煤層底板是否含隱伏構(gòu)造及隱伏構(gòu)造的類型，將底板承壓水作為附加應(yīng)力，建立相應(yīng)的概化力學(xué)模型(完整型、陷落柱、斷層型)，陷落柱和斷層內(nèi)部承壓水的載荷分布形式和分布方向不同，對(duì)于陷落柱導(dǎo)升的承壓水，將水壓簡(jiǎn)化為沿陷落柱頂界面的垂向分布載荷和沿兩側(cè)邊界的水平分布載荷;對(duì)于斷層導(dǎo)升的承壓水，將水壓簡(jiǎn)化為沿?cái)鄬蛹鉁绶较虻募休d荷和沿兩側(cè)邊界的法向分布載荷，如圖2所示，將煤層走向推進(jìn)方向作為x軸，底板延深方向作為z軸;l0為采空區(qū)重新壓實(shí)區(qū)邊界;l1,l2,l3分別為采空區(qū)未壓實(shí)距離、煤體塑性變形區(qū)長(zhǎng)度、煤體彈性變形區(qū)長(zhǎng)度;q1,q2,q3為對(duì)應(yīng)l1,l2,l3的支承應(yīng)力增量載荷;pw為奧灰水壓;Hw為底板至奧灰層頂面的厚度;lx,ld為隱伏構(gòu)造至坐標(biāo)系原點(diǎn)的水平距離;hx,hd為隱伏構(gòu)造發(fā)育高度;l4為陷落柱頂界面的寬度。

圖2 承壓水上煤層底板附加應(yīng)力概化力學(xué)模型Fig.2 Generalized mechanical model of additional stress on the floor with confined water

承壓水上煤層開采時(shí)，滲流裂隙自下而上逐漸擴(kuò)展，最后與底板采動(dòng)破壞帶連通而形成滲流通道，該過(guò)程受開采擾動(dòng)與底板構(gòu)造共同作用影響，巖體裂隙的起裂條件和擴(kuò)展路徑是判斷和預(yù)測(cè)滲流過(guò)程的研究重點(diǎn)。

未受開采擾動(dòng)時(shí)，底板巖體在高水壓作用下形成一定高度的導(dǎo)升裂隙[17]，開采后巖體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，一旦達(dá)到了強(qiáng)度條件裂隙就會(huì)擴(kuò)展，假設(shè)初始導(dǎo)升裂隙為幣狀裂紋，裂紋內(nèi)含有承壓水，在單向拉應(yīng)力作用下初始導(dǎo)升裂隙的擴(kuò)展由其應(yīng)力強(qiáng)度因子決定，有

(1)

式中，KI為裂隙應(yīng)力強(qiáng)度因子;a為裂紋擴(kuò)展半徑;σn為開采擾動(dòng)引起的裂紋法向壓應(yīng)力。

當(dāng)水壓pw小于裂紋法向壓應(yīng)力σn時(shí)，裂隙處于受壓狀態(tài)保持穩(wěn)定，若水壓較大或開采擾動(dòng)較強(qiáng)，巖體初始導(dǎo)升裂隙滿足pw>σn且應(yīng)力強(qiáng)度因子KI達(dá)到斷裂韌度KIC時(shí)，初始導(dǎo)升裂隙在高水壓作用下開始擴(kuò)展形成始滲裂隙。為表征始滲裂隙的抗?jié)B透強(qiáng)度，引入Batdorf定義[18]，具體表述為使裂紋擴(kuò)展施加于裂紋法向上的臨界拉應(yīng)力，則此定義下的裂隙抗?jié)B透強(qiáng)度為

(2)

底板巖體未受開采擾動(dòng)時(shí)隨機(jī)分布不同方向的初始導(dǎo)升裂隙，在孔隙水壓與采動(dòng)壓力共同作用下，符合裂隙擴(kuò)展判據(jù)的裂隙將首先擴(kuò)展、貫通，最后形成滲流通道。導(dǎo)升裂隙的抗?jié)B透強(qiáng)度最先滿足σs=σ3，因此沿最小主應(yīng)力法向方向的裂紋最易起裂、擴(kuò)展。實(shí)際上巖體一般處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，巖體滲流裂隙的擴(kuò)展可看作最小主應(yīng)力方向產(chǎn)生張應(yīng)變引起的，當(dāng)殘余裂隙水壓小于最小主應(yīng)力時(shí)，滲流裂隙停止擴(kuò)展[19]，根據(jù)最小主應(yīng)力方向產(chǎn)生張應(yīng)變的條件σ3<ν(σ1+σ2)，推導(dǎo)得出底板滲流裂隙的擴(kuò)展判據(jù)[20]:

(3)

式中，ν為泊松比。

則底板巖層裂隙擴(kuò)展半徑的臨界尺寸為

(4)

對(duì)于式(3)，(4)中主應(yīng)力的計(jì)算，首先需掌握底板內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)彈性力學(xué)半無(wú)限板集中荷載和均布條形荷載傳播的求解方法，容易解出完整型底板中任一點(diǎn)M(x,y)的應(yīng)力，如式(5)所示[12-13]，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)含隱伏斷層和陷落柱等構(gòu)造的底板應(yīng)力進(jìn)行推導(dǎo)，過(guò)程不再贅述，式(6),(7)分別給出了采動(dòng)與水壓共同作用下隱伏陷落柱型、隱伏斷層型底板內(nèi)M點(diǎn)(圖2)處垂直應(yīng)力σzf、水平應(yīng)力σxf和剪切應(yīng)力τzxf的表達(dá)式。

(5)

(6)

(7)

3個(gè)主應(yīng)力可以在已知應(yīng)力分量基礎(chǔ)上通過(guò)求解3次應(yīng)力狀態(tài)方程得到，文獻(xiàn)[21-22]結(jié)合算例給出了主應(yīng)力的數(shù)值解，文獻(xiàn)[23]基于應(yīng)力偏張量主值三角函數(shù)解得出了主應(yīng)力解析表達(dá)式，但計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，若通過(guò)應(yīng)力張量的不變量直接求解應(yīng)力狀態(tài)方程，則可得出更為簡(jiǎn)潔的主應(yīng)力表達(dá)式[24]:

(8)

式中，I1,I2分別為應(yīng)力張量的第1、第2不變量。

以邯邢礦區(qū)典型突水礦區(qū)為例進(jìn)行算例分析，相關(guān)參數(shù)取值為:埋深H=1 200 m，工作面推進(jìn)方向壓實(shí)區(qū)內(nèi)取l0=35 m作為邊界;壓實(shí)區(qū)右邊界至煤壁長(zhǎng)度l1=25 m;煤體塑性區(qū)長(zhǎng)度l2=15 m;煤體彈性區(qū)長(zhǎng)度l3=20 m;卸壓系數(shù)n=0.5;應(yīng)力集中系數(shù)K=3.5;陷落柱頂面寬度l4=30 m;底板水壓pw=12 MPa;煤層底板至奧灰頂界面間隔水層厚度Hw=180 m;隱伏構(gòu)造距壓實(shí)區(qū)左邊界距離lx=50 m;隱伏構(gòu)造發(fā)育高度hx=130 m；斷層賦存角度θ=30°;底板巖層斷裂韌度取平均值2.8 MPa·mm1/2，泊松比ν取0.25，則聯(lián)立式(1)～(8)，通過(guò)Matlab編制計(jì)算程序，得出如圖3所示的滲流裂隙擴(kuò)展路徑。

圖3 承壓水上煤層底板滲流裂隙擴(kuò)展規(guī)律Fig.3 Seepage crack extension law of floor with confined water

計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于完整型底板，當(dāng)隔水層厚度大于60 m時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生滲流裂隙;隔水層厚度小于60 m時(shí)，滲流裂隙由奧灰承壓水層頂界面至采空區(qū)(35～60 m)兩側(cè)邊界呈“正八字”形向采空區(qū)擴(kuò)展;對(duì)于隱伏陷落柱型底板，滲流裂隙沿陷落柱頂界面呈“倒八字”形發(fā)散式擴(kuò)展，至底板28 m深度時(shí)與采動(dòng)裂隙貫通而停止擴(kuò)展，其延線分別指向采空區(qū)兩側(cè)邊界;對(duì)于隱伏斷層型底板，滲流裂隙沿?cái)鄬由线吔绱笾孪驍鄬淤x存方向的反向擴(kuò)展，至底板30 m深度時(shí)與采動(dòng)裂隙貫通而停止擴(kuò)展，其延線指向采空區(qū)壓實(shí)段。盡管圖3所示的隱伏構(gòu)造作用下底板滲流裂隙未擴(kuò)展至采空區(qū)，但其范圍實(shí)際上已經(jīng)進(jìn)入煤層底板采動(dòng)破壞帶，從而貫通形成滲流通道。

根據(jù)滲流裂隙的擴(kuò)展規(guī)律，可得出承壓水上煤層底板滲流擴(kuò)展路徑，當(dāng)?shù)装逅貪B流裂隙涌至底板破壞帶時(shí)，滲流介質(zhì)由斷裂裂隙變?yōu)槠扑閹r體，進(jìn)而導(dǎo)致滲流行為的改變，如圖4所示，經(jīng)過(guò)底板破碎帶后滲流出水點(diǎn)的精確位置難以確定，但仍可根據(jù)隱伏構(gòu)造類型及其賦存狀態(tài)，對(duì)底板破碎帶及破碎帶以下潛在滲流通道范圍內(nèi)進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域治理。

圖4 承壓水上煤層底板滲流路徑示意Fig.4 Schematic diagram of seepage crack extension path of floor with confined water

由于奧灰含水層水壓大、水量多，當(dāng)滲流通道形成后，大量的高壓水繼續(xù)沖擴(kuò)滲流通道而形成高速流體，滲流通道逐漸擴(kuò)展為突水通道，高速流體在裂隙巖體中的流速與壓力關(guān)系不再滿足線性Darcy方程，其滲流行為開始表現(xiàn)出明顯的非線性特征[25]，地下水由滲流行為演變?yōu)橥凰袨楹笮纬捎蓱T性力占主導(dǎo)的高速非線性流。

2 采場(chǎng)底板滲流路徑數(shù)值驗(yàn)證

開采擾動(dòng)、隱伏構(gòu)造和承壓水共同作用引起底板裂隙擴(kuò)展進(jìn)而形成滲流通道是一個(gè)較為復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程，為進(jìn)一步揭示底板滲流-突水災(zāi)變過(guò)程，并對(duì)前述理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析，選用可模擬巖體破裂聲發(fā)射且裂隙可視化效果較好的RFPA數(shù)值計(jì)算軟件分析底板滲流路徑演化過(guò)程。

根據(jù)邯邢礦區(qū)典型突水礦井開采工程地質(zhì)條件，建立如圖5所示的沿工作面走向平面應(yīng)變數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為150 m×100 m，將模型自上而下概化為上覆巖層、煤層、隔水層、承壓水層，基本參數(shù)見表1，模型內(nèi)預(yù)先設(shè)置隱伏斷層和陷落柱，斷層線性挖空并加載水壓，陷落柱先挖空加載水壓后再用原材料填充，實(shí)際上陷落柱由松散介質(zhì)填充，但陷落柱自身的變形不是本文的研究重點(diǎn)，這里只考慮陷落柱內(nèi)的導(dǎo)升水壓力對(duì)底板隔水層的影響。

從整體、宏觀的角度來(lái)看，底板斷裂擴(kuò)展過(guò)程可以通過(guò)底板巖體破裂的聲發(fā)射規(guī)律來(lái)表征，圖6給出的聲發(fā)射結(jié)果較好地描述了不同類型構(gòu)造作用下底板裂隙擴(kuò)展過(guò)程，圖7則分別展現(xiàn)了底板承壓水滲流路徑擴(kuò)展的最終結(jié)果。

圖5 煤層底板滲流演化過(guò)程的數(shù)值模型Fig.5 Numerical model of seepage evolution of coal floor

表1 數(shù)值計(jì)算模型的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the numerical calculation model

圖6 不同類型構(gòu)造作用下底板裂隙擴(kuò)展聲發(fā)射演化過(guò)程Fig.6 Seepage crack extension and its evolution process of different concealed structural types

圖7 不同類型構(gòu)造作用下底板滲流路徑擴(kuò)展計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculation results of seepage path expansion of different concealed structural types

可見，對(duì)于完整型底板，采動(dòng)產(chǎn)生的巖體破裂聲發(fā)射信號(hào)與水壓劈裂巖體產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)幾乎同時(shí)發(fā)生，并且聲發(fā)射能量和事件數(shù)目相當(dāng)，采動(dòng)破裂信號(hào)向下漸進(jìn)發(fā)展，水壓劈裂信號(hào)向上漸進(jìn)發(fā)展，最后匯集于中部并產(chǎn)生更為密集的聲發(fā)射事件數(shù)目，說(shuō)明此時(shí)采動(dòng)裂隙與滲流裂隙完全溝通而形成如圖7(a)所示的滲流通道;對(duì)于隱伏陷落柱型底板和隱伏斷層型底板，采動(dòng)破裂聲發(fā)射信號(hào)先于且強(qiáng)于隱伏構(gòu)造導(dǎo)升水劈裂巖體產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，采動(dòng)巖體裂隙向下快速發(fā)展，水壓劈裂裂隙向上緩慢漸進(jìn)發(fā)展，最后連通形成7(b),(c)所示的滲流通道。另外，從滲流路徑的形成過(guò)程來(lái)看，RFPA模擬得出的滲流路徑擴(kuò)展方向與理論計(jì)算得出的結(jié)果大體一致，即對(duì)于完整型底板，滲流裂隙由奧灰承壓水層頂界面至采空區(qū)兩側(cè)邊界呈“正八字”形向采空區(qū)擴(kuò)展;對(duì)于隱伏陷落柱型底板，滲流裂隙沿陷落柱頂界面呈“倒八字”形向上發(fā)散式擴(kuò)展;而對(duì)于隱伏斷層型底板，滲流裂隙則沿?cái)鄬友泳€的反向擴(kuò)展。

3 微震監(jiān)測(cè)實(shí)例分析

為監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)底板水的動(dòng)態(tài)變化和突水隱患，結(jié)合前期物探異常區(qū)大致位置，在瑞豐煤業(yè)井下1712工作面巷道底板內(nèi)布置三軸檢波器3個(gè)、單軸檢波器9個(gè)，檢波器間距80 m，所有檢波器底端要求朝向底板監(jiān)測(cè)區(qū)域埋設(shè)，施工專門鉆孔，采用水泥漿固定，通過(guò)專業(yè)電纜和光纖將檢波器與數(shù)據(jù)采集中心連接，確保井下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、連續(xù)地傳輸至監(jiān)控中心，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)起止時(shí)間為2015-02-12—05-31，累計(jì)108 d，在工作面推進(jìn)過(guò)程中工作面涌水量逐漸增大，最大時(shí)為4.2 m3/min，微震監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 采煤工作面底板微震事件分布Fig.8 Incident distribution of micro-seismic in the floor

微震監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，除了由采動(dòng)引起的頂?shù)装鍘r體破裂產(chǎn)生的微震事件外，在采場(chǎng)底板深部還存在一條傾斜狀微震事件密集帶，該密集帶嚴(yán)格呈線性分布，結(jié)合采動(dòng)期間臨近已探明東暗井?dāng)鄬游⒄鹗录貣|暗井?dāng)鄬用鎳?yán)格呈線狀分布的特點(diǎn)，分析推測(cè)該位置存在一條隱伏導(dǎo)水?dāng)鄬樱⒄鹗录M(jìn)一步的發(fā)展方向大致符合前述斷層滲流擴(kuò)展路徑的理論與數(shù)值分析結(jié)果。該隱伏導(dǎo)水?dāng)鄬邮窃斐晒ぷ髅嬗克恐饾u增大的主要原因，為避免其進(jìn)一步活化形成強(qiáng)滲通道，在確定的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)及時(shí)進(jìn)行注漿加固，注漿壓力3.2 MPa，注漿后底板深部的微震事件逐漸消失，且涌水量由開始的4.2 m3/min降低至0.9 m3/min，取得了較好的治理效果。

4 結(jié) 論

(1)基于邯邢礦區(qū)典型突水礦井地質(zhì)條件及突水原因分析，建立了含隱伏導(dǎo)含水構(gòu)造的概化力學(xué)模型，采用斷裂力學(xué)理論分析得出含不同構(gòu)造類型底板裂隙的擴(kuò)展規(guī)律，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果分析，隱伏構(gòu)造的局部應(yīng)力擾動(dòng)作用影響了滲流路徑的擴(kuò)展方向，使3種類型底板分別呈現(xiàn)出不同的滲流路徑。

(2)RFPA聲發(fā)射模擬結(jié)果表明，在采動(dòng)與水壓共同作用下，煤層底板巖體采動(dòng)裂隙向下漸進(jìn)發(fā)展，水壓劈裂裂隙向上漸進(jìn)發(fā)展，最后連通形成承壓水初期出水的滲流通道，3種類型底板的裂隙擴(kuò)展過(guò)程和擴(kuò)展方向不盡相同，通過(guò)分析聲發(fā)射事件的能量和數(shù)量分布規(guī)律可知，完整型底板的裂隙擴(kuò)展強(qiáng)度和速度比含隱伏構(gòu)造的底板更強(qiáng)和更快，說(shuō)明在有效隔水層厚度相同的條件下，完整型底板突水的災(zāi)害性更大，但比起含隱伏構(gòu)造的底板，完整型底板地質(zhì)條件更易為人們所準(zhǔn)確獲取，為提前采取防治措施提供了必要條件，因此實(shí)際上，完整型底板突水事故遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于隱伏構(gòu)造導(dǎo)致的突水事故。

綜上所述，基于理論計(jì)算和數(shù)值模擬得出的底板承壓水滲流路徑擴(kuò)展規(guī)律，在實(shí)際工程中可結(jié)合微震監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)捕捉煤層底板隱伏導(dǎo)含水構(gòu)造活化的前兆信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)底板突水路徑的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和快速重點(diǎn)區(qū)域治理。