带压开采煤层底板断层活化突水机理试验研究.pdf

第 46 卷第 5 期中南大学学报自然科学版Vol.46No.5 2015 年 5 月Journal of Central South University Science and TechnologyMay 2015 DOI 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.031 带压开采煤层底板断层活化突水机理试验研究 李振华，翟常治，李龙飞 河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作，454010 摘要为了研究含断层的底板隔水层在采动影响下的破坏动态过程，以焦作煤田赵固二矿 11011 工作面为研究背 景，采用相似模拟试验的研究方法，对断层在整个开采过程中的活化动态进行观测，记录模型各个测点的位移变 化并进行整体分析。通过“下三带”理论，计算赵固二矿工作面底板岩层的最大破坏深度和承压水导升高度，验 证试验结果的准确性。研究结果表明在采动影响下，底板断层的活化过程可分为稳定期、初始期和活化活跃期。 初始期断层带附近衍生裂隙与工作面底板塑性破坏区形成沟通，是断层完全活化的前兆信息；活跃期断层滑落失 稳，断层面处于张开状态，此时导水通道形成造成突水事故发生。 关键词带压开采；底板断层；活化突水；相似模拟试验； “下三带”理论 中图分类号TD32文献标志码A文章编号1672−7207201505−1806−06 Experimental study on water inrush mechanism due to floor faults activation in mining above confined aquifer LI Zhenhua, ZHAI Changzhi, LI Longfei School of Energy Science the damages of fault were observed and the displacements of every measurement point were recorded and analyzed in the whole process of mining. Based on the ‘down three zones’ theory, the maximum failure depth of working face floor and the raise height of confined water in Zhaogu No.2 Mine were calculated. The results show that the activation process of fault in coal seam floor can be divided into the stable period, the initial period and the active period. The derivation fissures near the fault zone communicate with the plastic damaged area in the floor of working face in initial period and this is precursor ination that fault is activated completely. The fault slides instability in active period and the fault surface is in the open stable, and then the water passage is ed and causes water inrush. The calculated results of the maximum failure depth of working face floor and the raise height of confined water in Zhaogu No.2 Mine verify the accuracy of the test results. Key words mining above confined aquifer; the fault in coal seam floor; water inrush due to activation; similar simulation; ‘down three zones’theory 在承压水上采煤的过程中，含水层的水头压力及 富水性、相对隔水层的厚度及岩石性质、导水通道的 存在及变化形式等条件是决定矿井是否突水的几大要 素[1]。前两者是原始存在的水文地质和地质条件，而 后者受采掘因素的影响极大。断层作为地质构造的一 种形式，其作为导水通道是造成煤层底板突水的主要 收稿日期2014−05−10；修回日期2014−08−26 基金项目Foundation item国家自然科学基金资助项目51374093，51104058；教育部高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助项目 20114116120005 Projects51374093, 51104058 supported by the National Natural Science Foundation of China; Project20114116120005 supported by the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education New Teacher, MOE 通信作者李振华，博士，副教授，从事资源开发新技术和矿山水害防治方面的教学与研究工作；E-mail jzlizhenh 第 5 期李振华，等带压开采煤层底板断层活化突水机理试验研究1807 原因之一。 黎良杰等[2−7]从力学角度对断层突水机理进 行了探究； 李连崇等[8−9]运用有限元数值仿真模拟研究 了含断层煤层底板导水通道形成的过程；刘志军等[10] 通过相似模拟试验研究了流−固耦合下底板断层突水 机理。这些研究成果对于减少煤矿突水事故和提高资 源采出率具有积极作用。在现场的采掘工作中，突水 事故的发生多在揭露的一些底板正断层或这些正断层 的附近。正断层多为张性断层，其断层面一般比较粗 糙，断层带较宽且常充填构造角砾岩。胶结程度不高 的断层易形成导水通道，称其为原生导水。对于一些 胶结程度较高的断层在采动和水压的双重干扰下也易 活化。前人对断层活化进行了不少研究分析[11−14]，但 对其过程和程度研究较少，因此，本文作者通过相似 模拟试验观察正断层在双重干扰下活化的动态过程以 及断层带附近裂隙发育情况与导水通道形成过程。 1工程概况 选取焦作矿区赵固二矿 11011 首采工作面为研究 对象。工作面主采二1煤层，煤层厚度平均为 6.16 m， 煤层倾角为 5.5，煤层结构简单。该工作面二1煤层 位于山西组底部，上距沙锅窑砂岩Ss 60.18 m、大占 砂岩Sd 4.21 m，层间距厚度平均为 6.35 m，属稳定 厚煤层。煤层以块煤为主，内生裂隙，局部方解石充 填，局部含有夹矸及发育炭质泥岩伪顶。工作面主要 充水水源为底板 L8灰岩水。底板 L8灰岩平均厚为 8.3 m， 局部岩溶发育， 富水性较强， 单位涌水量为 0.559.0 mL/sm，渗透系数为 0.36648.00 mm/d，上距二1 煤底板平均为 46.5 m，含水层水位标高为−79.595 m 左右，水压为 7.4 MPa，计算突水系数为 0.16，远大 于焦作矿区的临界突水系数0.060.10，因此，在开 采影响下底板突水危险很大。赵固二矿二1煤层底板 岩层岩性组合是软硬交替的形式图 1， 对阻止突水起 到了一定积极作用，为带压开采提供了有利条件。 选取工作面揭露的 F109 断层为模拟断层，该断 层为正断层，落差为 04.5 m，走向 SEE，倾向 SSW， 倾角为 45，控制长度为 90 m。 2相似模拟试验设计 2.1模型设计 本试验采用平面应力模型架。模型架规格长 2.5 m、宽 0.2 m、高 1.4 m。通过模型架上方的液压千斤 图 1底板岩层柱状 Fig. 1Columnar sertion of floor strata 顶来实现垂直应力补偿未模拟到的上覆岩层。在模拟 承压水方面[15]，设计一套弹簧承压装置用于产生下部 承压水压力。 为保证整个试验过程的稳定性和可靠性， 选定模型尺寸比例为 1100。 2.2相似理论基础[15] 1 模型几何相似系数几何比为 100/1/ pml lla 式中lm为模型尺寸；lp为原型尺寸。 2时间相似系数为 10/1100/1/ lpmt atta 式中tm为模型过程时间；tp为原型过程时间。 3容重相似系数为 6 . 0/ pm   a 式中 m 为模型容重，取1.5104N/m3； p 为原型 容重，取2.5104N/m3。 4弹模比006. 0 lrE aaa。 5初始条件相似。 近似认为是均质重力场， 所以， 初始应力场是相似的。 中南大学学报自然科学版第 46 卷1808 2.3相似材料配比及模型建立 模型参照地层柱状图，以砂子作为骨料，石膏、 碳酸钙为胶结材料，以硼砂作为缓凝剂，分层铺设。 为了尽量消除模型与岩层在力学性质上的差异，模型 的强度综合考虑了地层的层理、节理等弱结构面的影 响，模型与原型的抗压强度见表1。针对断层带，模 型落差为3 cm，试验使用云母片对其进行充填以达到 原型中弱结构面的要求。 表 1相似模拟材料与原岩的抗压强度 Table 1Similar materials and compressive strength of prototype rocks 岩石名称 原岩单轴 抗压强度/MPa 1/100 模拟材料单轴 抗压强度/kPa 砂质泥岩20.0120.0 石灰岩51.6309.6 中粒砂岩33.3199.8 细粒砂岩30.7184.2 煤16.096.0 2.4模型测点布置及开挖方式 试验的隔水层相对较厚，由多种不同性质的岩层 复合而成。不同岩石具有不同的力学性质和抗水压能 力， 在采动影响和水压的作用下它们的变形并不一致。 针对这种情况，在断层上盘上、中、下布置3条测线， 共39个测点，用全站仪记录这些测点的位移变化， 分 析其相对位移相对试验架旁设定好的不动点，测点 位置如图2所示。 图 2开采顺序与测点布置 Fig. 2Mining sequence and layout of measuring points 断层附近上下盘的相对位移预示着断层的活化程 度，对于断层带附近上部特征点a10和a11、中部特 征点b9和b10、下部特征点c8和c9进行重点观察 及其观察数据重点分析。模型两侧预留20 cm煤柱作 为边界预留煤柱，由断层上盘向下盘推进，每次开采 5 cm，相邻2次开采时间间隔为20 min，在进行下一 次开采之前用全站仪记录所有测点的位置并对模型的 变形进行拍照。 3试验观测和结果分析 3.1测线位移分析 工作面自开切眼推进20 m，顶板出现初次来压。 记录状态稳定后的位移，其相对位移如图3所示。由 图3可知，在工作面推进距离较近的情况下，底板整 体相对位移小，3条测线上总体的位移趋势是一致的， 都在开采之后弹簧卸压向上鼓起，但是作为相对应位 置的测点，其相对位移不同。其分布特点是下部测 线上的点相对位移最大，中部和上部次之。其原因可 以解释为一方面，模拟的水压直接作用在隔水层的 底部，隔水层是由多种不同性质的岩层组合而成，存 在有层理和原生裂隙，在水压作用下被压紧密实，水 压沿着隔水层逐渐向上传递递减致使上部相对位移减 小；另一方面，隔水层中存在数层泥岩，其良好的延 展性缓冲了一部分压力。 1测线 a；2测线 b；3测线 c 图 3推进 20 m 时测点位移 Fig. 3Measuring points displacements at extraction distance 20 m 测点相对位移较大的是每条测线上的2和3位置， 这些点处于采空区的正下部应力降低区，与其邻近的 点处于应力增加区； 随着相对位移差值的进一步加大， 剪切作用造成的裂隙将会进一步呈现出来。初次来压 时由于距离断层的位置还比较远，从模型的变形和相 对位移可以看出断层还未受影响。随着开采的推进， 影响的范围继续扩大。 第 5 期李振华，等带压开采煤层底板断层活化突水机理试验研究1809 根据模型随开采推进的动态变化可知当工作面 推进到30 m距断煤交线65 m处，模型工作面前下方 出现一条长5 cm的裂隙在实际工作面中为5 m的裂 隙，即底板在集中应力作用下的塑性破坏。但断层附 近没有出现裂隙，表明断层没有活化，难以形成导水 通道。 工作面继续推进到45 m距断煤交线50 m处，底 板的塑性破坏深度达到12.3 m，裂隙增加到3条，且 在断层的底端出现裂隙，即认为断层开始活化。断层 带底部附近出现的裂隙未与工作前下方的裂隙连通， 导水通道没形成，所以难以发生突水事故。 推进45 m时测点位移见图4。由图4可知3条 测线上的所有位移测点都有不同程度的抬升，但相对 位移较大的集中在采空区，断层两盘差值不大，说明 断层两盘还在作为一个整体移动。 1测线 a；2测线 b；3测线 c 图 4推进 45 m 时测点位移 Fig. 4Measuring points displacements at extraction distance 45 m 自工作面45 m处向前推进， 隔水层底部断层附近 衍生裂隙不断向上延伸，而工作面前下方应力集中造 成的塑性破坏区裂隙不断向下发展， 在推进到60 m距 断煤交线35 m处，上下破坏区域裂隙完成沟通预示 着导水通道的形成，高压水沿裂隙通道渗流突变，可 能发生突水事故。 推进60 m时的测点位移见图5。由图5可知 推 进60 m时， 各个测点的位移进一步加大， 但断层两盘 的测点的移动仍保持一致，说明断层依然处于闭合状 态。这就解释了一种情况，即在工作面推进到离断层 一段距离时就会发生小规模突水。其发生的实质是 断层带在采动和水压作用下由下向上衍生裂隙，与应 力集中塑性破坏区裂隙沟通形成导水通道。对于这种 1测线 a；2测线 b；3测线 c 图 5推进 60 m 时测点位移 Fig. 5Measuring points displacements at extraction distance 60 m 突水强度不大的情况，实施一些防水措施可以制止， 但是要引起高度重视，这也是断层张开发生滑落失稳 形成强导水通道的前兆信息。 当工作面推进到85 m距 断煤交线10 m处时，断层面由闭合状态张开，形成 了一个宽12 m的裂隙贯穿整个底板隔水层。断层两 盘发生滑落失稳，预示着断层达到活化的最大程度。 在现场采掘出现这种情况时，高水压与强导水通道的 结合将造成后果非常严重的突水事故，要避免这种情 况的发生。 推进85 m时测点位移见图6。由图6可知断层 上盘出现位移量较大的整体抬升，在断层上盘和下盘 分别邻近的2个点处位移突变， 预示着大裂隙的产生， 而断层下盘基本保持稳定。 1测线 a；2测线 b；3测线 c 图 6推进 85 m 时测点位移图 Fig. 6Measuring points displacements at extraction distance 85 m 中南大学学报自然科学版第 46 卷1810 3.2特征点位移分析 针对模型出现不同破坏程度时的位移分析，不能 准确地反映出在整个开采过程中的动态变化，因此， 本文对于上部特征点a10和a11进行随开采推进的动 态分析。特征点位移见图7。 1上盘特征点 a10；2下盘特征点 a11 图 7特征点位移 Fig. 7Displacements of feature points 由图7可知断层的活化过程可分为3个时期 工作面自开切眼推进到45 m时为稳定期， 特征点没有 明显的位移， 断层基本没有活化迹象； 从45 m处推进 到65 m处为初始活化期， 这段时期断层带附近出现一 些裂隙，但上下盘特征点相对位移保持一致，说明断 层一直处于闭合状态，隔水层不会因为断层滑落失稳 形成导水通道；65 m以后到揭露断层为活化活跃期， 上盘特征点的位移急剧增大且两盘特征点的相对位移 也逐渐拉大，断层滑落失稳，形成强导水通道。 4导水通道理论分析 “下三带”理论[16]认为，工作面底板至下覆含水 层有采动底板破坏带、完整岩层带及承压式导升带。 由于底板断层的存在，承压式导升带受薄弱构造和衍 生裂隙的影响，其高度为完整底板高度的12倍。 含断层煤层底板的承压水导升带高度计算式[17−18] 如下 xx21 D 1 ln32. 2 RC J K B x2 9 567. 0 RC 1671.85DJ3                      L h D 2 tancos12lg 4lg 1 4 式中x 为完整底板承压水导升带高度；B 为工作面 宽度；K 为裂缝面粗糙系数；JRC为承压水开始时的静 水压力粗糙度系数；D 为分形维数，D12；h 和 L 分别为结构面的平均起伏差和平均基线长度。 采用板模型理论[19]计算采动底板破坏带最大深 度，计算公式为 2 c 22 4 42. 0   x m LH L5   cot cot ln tan2 11m m a CK CHn K m x  6 0 0 tan 24 π 0 0 1 e 24 π cos2 cos                    a x h7 式中Lm为最大破坏深度距工作面的距离，m；Lx为 工作面的开采长度，m；为岩体容重，N/m3；H 为 开采深度，m；m 为开采厚度，m；xa为煤体边缘塑性 区宽度，m；内摩擦角，；Cm为黏聚力，N；n 为最大应力集中系数；h1为塑性破坏区最大深度，m； 0 为底板岩体权重平均内摩擦角，。 把赵固二矿11011工作面的工程实际参数代入式 17，计算得在二1煤正常开采期间，承压水导升 带高度约为46.8 m， 底板破坏带的最大深度为18.4 m。 两者之和大于底板隔水层厚度导致导水通道形成，且 两者破坏高度模拟试验结果与计算结果一致。 5结论 1底板断层随开采推进的活化过程可分为稳定 期、初始期、活跃期3个时期。 2在采动影响下闭合正断层的上盘发生整体性 抬升，工作面在距断煤交线一定距离时，上盘相对于 下盘的上升位移达到最大，此时断层由闭合状态转变 为张开状态，达到最大活化程度，将造成严重的底板 突水事故。 3在断层未发生滑落失稳之前， 矿压和水压的影 响下断层带附近衍生出的许多小裂隙与集中应力造成 工作面塑性破坏区相沟通，可能会发生小规模突水事 故，这也是断层完全活化前的前兆信息，现场作业时 要引起足够重视。 4试验中， 集中应力破坏区域和水压在断层带的 破坏区域与基于工程实际参数的理论计算区域相吻 合，验证了试验得出的突水前兆信息的准确性。 第 5 期李振华，等带压开采煤层底板断层活化突水机理试验研究1811 参考文献 [1]王作宇, 刘鸿泉. 承压水上采煤[M]. 北京 煤炭工业出版社, 1993 46−60. WANG Zuoyu, LIU Hongquan. Coal mining above confined aquifer[M]. Beijing Coal Industry Press, 1993 46−60. [2]黎良杰, 钱鸣高, 李树刚. 断层突水机理分析[J]. 煤炭学报, 1996, 212 119−123. LI Liangjie, QIAN Minggao, LI Shugang. Mechanism of water inrush through fault[J]. Journal of China Coal Society, 1996, 212 119−123. [3]黎良杰, 钱鸣高, 殷有泉. 采场底板突水相似材料模拟研究 [J]. 煤田地质与勘探, 1995, 251 33−36. LI Liangjie, QIAN Minggao, YIN Youquan. Research on the tests of water inrush from floor simulated by similar materials[J]. Coal Geology Exploration, 1995, 251 33−36. [4]李常文, 柳峥, 郭好新, 等. 基于采动和承压水作用下断层突 水关键路径的力学分析[J]. 煤炭工程, 1996, 51 70−73. LI Changwen, LIU Zheng, GUO Haoxin, et al. Mechanics analysis on key route of water inrush from fault base on mining dynamics and under pressurized water role[J]. Coal Engineering, 1996, 51 70−73. [5]李凯, 茅献彪, 陈龙, 等. 采动对承压底板断层活化及突水危 险性的影响分析[J]. 力学季刊, 2011, 322 261−268. LI Kai, MAO Xianbiao, CHEN Long, et al. Research on fault activation and risk analysis of water inrush in mining floor above confined aquifer[J]. Chinese Quarterly of Mechanics, 2011, 322 261−268. [6]黄存捍, 冯涛. 断层影响下底板隔水层的破坏机理研究[J]. 采矿安全与工程学报, 2010, 272 219−222. HUANGCunhan,FENGTao.Researchonthefailure mechanism of water resisting floor affected by fault[J]. Journal of Mining Safety Engineering, 2010, 272 219−222. [7]卜万奎, 茅献彪. 断层倾角对断层活化及底板突水的影响研 究[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 282 386−394. BU Wankui, MAO Xianbiao. Research on effect of fault dip on fault activation and water inrush of coal floor[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 282 386−394 [8]李连崇, 唐春安, 梁正召, 等. 含断层煤层底板突水通道形成 过程的仿真模拟分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 282 290−296. LI Lianchong, TANG Chunan, LIANG Zhengzhao, et al. Numerical analysis of pathway ation of groundwater inrush from faults in coal seam floor[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 282 290−296. [9]李连崇, 唐春安, 李根, 等. 含隐伏断层煤层底板损伤演化及 滞 后 突 水 机 理 分 析 [J]. 岩 体 工 程 学 报 , 2009, 3112 1838−1844. LI Lianchong, TANG Chunan, LI Gen, et al. Damage evolution and delayed groundwater inrush from micro faults in coal seam floor[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31 12 1838−1844. [10]刘志军, 胡耀青. 承压水上采煤断层突水的固流耦合研究[J]. 煤炭学报, 2007, 3210 1046−1050. LIU Zhijun, HU Yaoqing. Solid-liquid coupling study on water inrush through faults in coal mining above confined aquifer[J]. Journal of China Coal Society, 2007, 3210 1046−1050. [11]王壹, 杨伟峰, 李明, 等. 采动断层活化引发突水机理研究[J]. 煤炭工程, 20112 90−92. WANG Yi, YANG Weifeng, LI Ming, et al. Study on mechanism of water inrush occurred by mining fault activation[J]. Coal Engineering, 20112 90−92. [12]李青峰, 王卫军, 朱川曲, 等. 基于隔水关键层原理的断层突 水机理分析[J]. 采矿与安全工程学报, 2009, 261 87−89. LI Qingfeng, WANG Weijun, ZHU Chuanqu, et al. Analysis of fault water inrush mechanism based on the principle of water resistant key strata[J]. Journal of Mining Safety Engineering, 2009, 261 87−89. [13]李志华, 窦林名, 陆振裕, 等. 采动诱发断层滑移失稳的研究 [J]. 采矿与安全工程学报, 2010, 274 499−504. LI Zhihua, DOU Linming, LU Zhenyu, et al. Study of the fault slide destabilization induced by coal mining[J]. Journal of Mining Safety Engineering, 2010, 274 499−504. [14]吴基文, 童宏树, 童世杰, 等. 断层带岩体采动效应的相似材 料 模 拟 研 究 [J]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 2007, 2612 4170−4175. WU Jiwen, TONG Hongshu, TONG Shijie, et al. Study on similar material for simulation of mining effect of rock mass at faultzone[J].ChineseJournalofRockMechanicsand Engineering, 2007, 2612 4170−4175. [15]姜耀东, 吕玉凯, 赵毅鑫, 等. 承压水上开采工作面底板破坏 规律相似模拟试验[J]. 岩石力学与工程学报, 2011, 308 1572−1578. JIANG Yaodong, L Yukai, ZHAO Yixin, et al. Similar simulation test for breakage law of working face floor in coal mining above aquifer[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 308 1572−1578. [16]李白英. 预防矿井底板突水的“下三带”理论及其发展与应用 [J]. 山东矿业学院学报自然科学版, 1999, 184 11−18. LI Baiying. “Down three zones” in the prediction of the water-inrush from coal bed floor aquifer theory, development and application[J]. Journal of Shandong mining Institute Natural Science, 1999, 184 11−18. [17]施龙青, 韩进. 底板突水机制及预测预报[M]. 徐州 中国矿 业大学出版社, 2004 85−91. SHI Longqing, HAN Jin. Floor water inrush mechanism and prediction[M].XuzhouChinaUniversityofMiningand Technology Press, 2004 85−91. [18]刘佑荣, 唐辉明. 岩体力学[M]. 武汉 中国地质大学出版社, 1999 81−82. LIU Yourong, TANG Huiming. Rock mechanics[M]. Wuhan China University of Geosciences Press, 1999 81−82. [19]彭苏萍, 王金安. 承压水上安全采煤[M]. 北京 煤炭工业出 版社, 2001 91−111. PENG Suping, WANG Jinan. Safety coal mining above the confined aquifer[M]. Beijing China Coal Industry Publishing House, 2001 91−111. 编辑赵俊