深部开采底板突水灾变模式及试验应用.pdf

第 4 3卷第 1 期 2 0 1 8年 1 月 煤 炭 学 报 J 0U RNAL OF C HI NA C OAL S OC I E T Y Vo 1 ． 43 No． 1 J a n ． 2 0 1 8 郭惟嘉 ， 张士川， 孙文斌 ， 等． 深部开采底板突水灾变模式及试验应用[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 8 ， 4 3 1 2 1 9 2 2 7 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C C S ． 2 0 1 7 ． 0 7 7 4 G U O We i j i a ， Z HA N G S h i c h u a n ， S U N We n b i n ， e t a 1 ． E x p e r i me n t a l a n d a n a l y s i s r e s e a r c h o n w a t e r i n r u s h c a t a s t r o p h e mo d e f r o m c o a l s e a m fl o o r i n d e e p m i n i n g [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o al S o c i e t y ， 2 0 1 8 ， 4 3 1 2 1 9 2 2 7 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C C S ． 2 0 1 7 ． 0 7 7 4 深部开采底板 突水 灾变模式及试 验应 用 郭 惟嘉 ， 张 士 川 ， 孙文 斌 ， 陈 军 涛 ， 1 ． 山东科技大学 矿业与安全工程学院， 山东 青岛2 6 6 5 9 0 ； 2 ． 山东科技大学 矿山灾害预防控制教育部重点试验室， 山东 青岛2 6 6 5 9 0 摘要 深部采场高地应力、 高岩溶水压和强开采扰动条件使得底板突水相比浅部采场形成特定构 造、 水一 岩一 应力及采掘工程相互作用影响下的复杂岩体水 力学问题 。基于不同地质构造 受采动影 响特征及其诱发煤层底板 突水机理 ， 将深部开采底板突水灾变模式划分为完整底板裂隙扩展型、 原 生通道导通型和隐伏构造滑剪型 3种类型 ， 并分析 了对应的突水判据。研 究认为完整底板裂隙扩 展型归结于承压水影响下裂隙扩张造成彼此贯通引发承压水导升 高度大于有效隔水层厚度 ， 原生 通道导通型归结于构造活化 引发局部位移扩展与保护煤柱底板压缩 区连通裂隙发生沟通， 隐伏构 造滑剪型归结于构造上方断面岩层失稳发生剪切破坏造成承压水以最短距 离涌入采空区。利用深 部采动高水压底板突水相似模拟试验 系统探寻 了3种突水 灾变模式下突水通道的时空演变过程 ， 验证 了突水判据 的准确性 。 关键词 深部开采 ； 底板突水 ； 灾变模 式； 突水判据 中图分类号 T D 7 4 5 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 1 8 0 1 0 2 1 9 - 0 9 Ex p e r i m e nt a l a nd a n a l y s i s r e s e a r c h o n wa t e r i nr u s h c a t a s t r o ph e m o de f r o m c o a l s e a m flo o r i n de e p mi ni ng G U O We i j i a ， Z H A N G S h i c h u a n 一， S U N We n b i n ， C HE N J u n t a o ，。 1 ． C o l l e g e o fMi n i n g a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g ， S h a n d o n g U n i v e r s i t y of S c i e n c e s a n d T e c h n o l o g y ， Q i n g d a o 2 6 6 5 9 0， C h i n a ； 2 ． K e y L a b o r a t o r y o fMi n i s t r y of E d u c a t i o n f o r Mi n i n g Dis a s t e r P r e v e n t i o n a n d C o n t r o l ， S h a n d o n g U n iv e r s it y ofS c i e n c e s a n d T e c h n o l o g y ， Q i n g d a o 2 6 6 5 9 0 ， C h i n a Abs t r a c t De e p mi n i n g h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f h i g h g r o u n d s t r e s s， h i g h k a r s t wa t e r p r e s s u r e a n d s t r o n g d i s t u r b a n c e， c o mpa r e d t o s h a l l o w mi n i n g， flo o r wa t e r i n r u s h b e c a me a c o mp l e x r o c k ma s s wa t e r p r o b l e m u n d e r t he i n flu e n c e o f s t ru c t u r e， wa t e r - r o c k s t r e s s a n d e x c a v a t i o n e ng i n e e r i n g． Ba s e d o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f d i f f e r e n t g e o l o g i c a l s t ru c t u r e i n fl u e n c e d b y mi n i n g a n d w a t e r i n rus h me c h a n i s m i n fl o o r ， t h e w a t e r i n r u s h d i s a s t e r mo d e i n d e e p mi n i n g wa s d i v i d e d i n t o t h r e e t y pe s， flo o r f r a c t u r e s p r e a d i n g t y p e， p r i ma r y c h a n n e l c o n d u c t i o n t y p e a n d b u r i e d s t r u c t u r e s he a r t y pe， a n d t h e c o r r e s p o n d i n g wa t e r i n r u s h c r i t e r i o n wa s d e d u c e d ． T h e fi r s t c a n b e a s c r i b e d t o t h e d a n k h e i g h t o f c o n fi n e d wa t e r g r e a t e r t h a n t h e b e d t h i c k ne s s o f e f f e c t i v e c o n fin i n g c r a c k e x p a ns i o n c a us e d by c o n fin e d wa t e r ． Th e s e c o nd c a n b e a s c r i b e d t o t he c o mmu n i c a t i o n b e t we e n s e pa r a t i o n c r a n n i e s i n c o mp r e s s i o n z o n e u n d e r t h e p r o t e c t i v e c o a l p i l l a r a n d t h e p a r t i a l di s pl a c e me n t o f a c t i v a t e d g e o l o g i c a l s t r u c t u r e ． Th e t hi r d c a n be a s c r i be d t o t h e r o c k i n s t a b i l i t y a b o v e t h e s t r u c t u r e o f s he a r f a i l u r e l e a d t o t h e i n flu x o f c o n fin e d wa t e r i n g o a l wi t h t h e s ho r t e s t d i s t a n c e ． S t u d y o n t h e e v o l u t i o n p r o c e s s o f t h e s p a c e t i me wa t e r i n rus h c h a n n e l o f t h r e e k i n d s o f w a t e r i n rus h mo d e b y u s e o f s i mi l a r s i mu l a t i o n t e s t s y s t e m f o r wa t e r 收稿 日期 2 0 1 7 0 6 0 6 修回 日期 2 0 1 7 0 9 1 9 责任编辑 毕永华 基金项目 山东省 自 然科学基金资助项目 Z R 2 0 1 6 E E B 0 7 ； 山东科技大学人才引进科研启动基金资助项 目 2 0 1 6 R C J J 0 2 5 ； 青岛市源头创新 计划应用基础研究资助项 目 1 7 1 1 1 1 一 j c h 作者简 介 郭惟嘉 1 9 5 7 一 ， 男 ， 山东济南人 ， 教授 ， 博士生导师。T e l 0 5 3 2 8 6 0 5 7 2 1 7 ， E - m a i l w j g u o s d u s t ． e d u ． C H 通讯作者 张士川 1 9 8 9 一 ， 男 ， 山东济宁人 ， 博士研究生。T e l 0 5 3 2 8 6 0 5 8 0 3 9 ， E m a i l 3 7 3 2 6 0 1 8 6 q q ． c o m 2 2 0 煤 炭 学 报 2 0 1 8 年 第4 3 卷 i n r us h fro m hi g h wa t e r p r e s s u r e flo o r i n d e e p mi n i n g， a n d t h e a c c u r a c y o f wa t e r i n r u s h c r i t e r i o n i s v e r i fi e 1 Ke y wo r ds de e p mi n i n g； flo o r wa t e r i n v a s i o n； c a t a s t r o p h e mo d e l ； wa t e r i n r u s h c r i t e r i o n 我国华北 、 华东地区煤矿水文地质条件复杂 ， 随 开采深度增加 ， 底板高承压水突 出威胁 日趋严重 ， 近 1 0年发生重特大突水事故 5 2起 ， 直 接经济损失 3 0 多亿元 ， 突水 已成 为煤 矿安全生 产重 大隐患 。以 神华集团安监局统计为例， 神华集 团 目前生产 的 5 3 对矿井 中， 有 2 2对矿井水文地质条件复杂或极复杂 的矿井 ， 即矿井水文地质条件复杂或极复杂占总生产 矿井的 4 2 ％。另据国家电力总公司统计资料 ， 国家 电力总公 司目前产量 6 0 0 0万 t 的 9对生产矿井 中， 有 8对矿井受到水害威胁。因此 ， 在煤矿安全生产形 势总体稳定好转的大趋势背景下 ， 随着深部资源的大 规模开发 ， 受矿井突水隐蔽致灾 因素与机理多变影响 导致水害防治形势依然十分严峻 ， 这一点应引起煤炭 行业的高度重视 。 在矿井水害类型研究方面 ， 武强等 在构建矿 井水害分类依据基础 上对矿井水害类 型进行 了系统 划分 ， 剖析了四大聚煤 区的煤矿水文地质类型特点和 面临的水灾害难题 ， 为矿井水 害分类 及防治提 供依 据 。针对煤矿底板突水 ， 尹 尚先 将底板突水 划分 为正常岩层底板突水 、 断层裂隙带突水和陷落柱突水 3种模式并对突水机理进行 了分析 ； 徐智敏 以隔水 层为研究对象将底板突水划分为完整 型突水模式和 断裂构造型突水模式 ； 董东林 等 依据郑州矿 区水 文地质条件及突水通道类型将煤矿突水划分为断层 致突型 、 褶皱致突型和采动裂 隙致突型 ， 基于突水模 式提出防治水对策。与此 同时 ， 诸多学者 一 对煤矿 底板突水机理进行了基础实验研究 。 学者们往往对构造存在形式 、 空间位置及底板隔 水层类型等方面开展研究 ， 对于突水通道形成的时空 过程研究较少 ， 同时大多数突水判据考虑变量因素相 对单一 ， 室内试验和现场监测等工作开展较少 。然而 深部底板突水问题 ， 不单是水文地质 问题 ， 也是采矿 工程中在特定的地质结构 、 地下水 、 地壳应力场及采 掘工程综合影响下所发生 的一种特殊 的岩体水力学 问题 。 本文以深部开采 大于 8 0 0 In 高承压水开采水一 岩一 应力作用条件为研究对象 ， 围绕复杂地质构造采 动影响特征及其诱发高承压突水这一核心问题 ， 将深 部开采突水灾变模式划分为完整底板裂隙扩展型 、 原 生通道导通型和隐伏构造滑剪型 3种类型并提出相 应突水判据 ， 利用 固流耦合相似模拟试验验证 3种突 水判据的准确性 。 1 深部开采突水灾变模式建立 结合深部采场高地应力 、 高岩溶水压和强开采扰 动等特点 ， 以导水通道 的形成为判据 ， 提 出 3种类 型 的突水模式 ， 即完整底板裂隙扩 展型、 原生通道导通 型和隐伏构造滑剪型 ， 如图 1所示。 网 1 深部丌采底板突水灾变模式 Fi g ．1 W a t m’ i nr u s h c a t a s t r o ph e mo de i n de e p mi n i ng 1 ． 1 完整 底板 裂 隙扩展 型突 水模式 煤层底板隔水层内存在许多天然的节理裂隙， 降 低 了底板隔水层强度及完整性降低了底板隔水层 阻 水能力 ， 缩短 了煤层与承压水导生带的距离。相对浅 部开采 ， 受高承压水影响， 裂隙在承压水的压裂扩容 作用下不断扩展。同时， 在高应力作用下裂隙周 围出 现翼状裂隙 ， 裂隙组 数逐渐增多， 形成局部化剪切裂 隙带。由于承压水的渗水软化和压裂扩容的相互作 用 、 相互促进 ， 底板岩层破坏裂隙沿最薄弱方向进一 步扩展 ， 与周围裂隙带逐步沟通 ， 形成更大范围的破 坏带 ， 并最终与底板破坏带连通 ， 形成突水通道并导 致底板突水事故发生。 完整底板裂隙扩展型突水模式可描述为深部 承 压水影响下承压水导升高度大于有效隔水层厚度 ， 裂 隙扩张造成彼此贯通 引发突水。相 比早期学者建立 的正常岩层底板突水模式 、 完整型突水模式和采动裂 隙致突 模式 J ， 完整底板裂隙扩展型突水模式将 底板原生裂隙作为 自变量 ， 囊括了3种模式的特点具 有广泛适用性 。 1 ． 2 原 生通道 导通 型 突水模式 受地质构造 断层 、 褶皱 、 岩溶 陷落柱 的影响 ， 含导水通道切穿的煤系地层 ， 在采场特殊支承压力的 作用下导致构造断裂剪切滑动， 构造及其派生节理的 扩展与含水层 体 导通。相 比于浅部开采 ， 地质构 造受采动影响易发生活化 ， 同时在深部高应力和高承 压水联合作用下构造被弱化， 其水力开度和透过率增 大 ， 因此容易造成构造和裂隙采动导通型突水。 第 1 期 郭惟嘉等 深部开采底板突水灾变模式及试验应用 2 2 1 原生通道导通型突水模 式可描述为在采动影 响 下构造发生活化引发局部裂隙扩展 ， 使得保护煤柱底 板压缩区连通裂隙发生沟通引发突水。对 比断层致 突型模式 ] ， 该模式将断层扩张裂 隙作为主要研究 对象 ， 探讨煤柱 、 采动破坏底板空间位置分布特征 ， 针 对性相对较强 。 1 ． 3 隐伏构造滑剪型突水模式 该类型适用于构造平面分布不大 ， 垂直距离有限 的小型地质构造 ， 如 隐伏断层 、 隐伏陷落柱等 。实测 资料表明 该类构造底板导水裂隙带高度是无构造层 的2倍左右 ， 深部复杂应力环境条件更为明显。在深 部高地应力 和含水层 作用下 ， 构造容 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 。 隐伏构造滑剪型突水模 式可描述为构造上方断 面岩层失稳发生剪切破坏造成承压水 以最短距离涌 入采空 区。相 比陷落柱 突水 型 和褶 皱致 突型模 式 j ， 该模式认为构造剪切破坏成 为导水 的关键 因 素 ， 将单一或多种构造作为整体进行研究 ， 因此适用 性更为广泛。 2 深部 开采突水 灾变模式 机理研究 2 ． 1 完整底板裂隙扩展型突水判据 由承压水挤入岩体模型可知 加 ， 挤入岩体的水 压力随着进入裂隙的深度及裂隙的粗糙度的增大而 衰减 ， 可得承压水挤入底板隔水层裂隙深度 h 图 2 l n P _ P 2 0 1 其中， B为裂隙原始宽度； k 为裂隙壁面的粗糙系数； P 。 为深部承压水起始时静水压力。当承压水压力 P 减小到 1个 大 气 压 时 ， 认 为裂 隙不 发 生 扩 展 ， 则 式 1 可写为 h 旱 2 ． 2 9 1 n 尸 0 2 图2 完整底板裂隙扩展型突水模式 F i g ． 2 Wa t e r i n r u s h mo d e o f fl o o r f r a c t u r e s p r e a d i n g t y p e 底板隔水层的散面裂隙集 中产生 ， 受到垂直应力 和水平应力作用 ， 裂隙在扩展区域内受到屈服应力作 用 图 3 ， 使得裂隙两端 M， Ⅳ两点的强度 因子受裂 纹倾角 影响。由弹性断裂力学可知 ， 裂隙尖端 的应力强度因子 K K K 2 。其 中 为均匀水压及 围岩应力引起的应力强度 因子， 为裂 隙尖端扩展 延伸宽度上受 引起的应力强度因子 K 1[ Py H s i n A c o s O t ] ／ 叮 r nb 一 2 √ o-tarc c o s a 3 √ 订 ＼ 6 7 、 式中， 为上覆岩层容重 ； H为埋深 ； O t 为裂隙与垂 向 倾角； A为测压系数； a为原始裂隙的平衡长度； b 为 裂隙尖端扩展延伸长度。 图 3 水压作用 下裂隙受力模 型 F i g ． 3 S t r e s s mo d e o f f r a c t u r e u n d e r wa t e r p r e s s u r e 假设 散 面 裂 隙 之 间尖 端 之 间有 效 间距 为 ￡ ， 当 L 2 b时 ， 散面裂隙之间相互贯通 ， 引起 承压水 的 导升 ， 散面裂隙导升高度 h 为 n 3 ∑ 口 b c o s 4 式中， a 为区域内第 i 条裂 隙原始平衡长度 ； b 为 区 域内第 条裂隙尖端扩展延伸长度 ； O l 为区域 内第 条裂隙与垂向倾角 。 因此由式 3 可知裂隙的扩 展程 度随裂 隙长 度 的增加而线性增加 ， 随承压水压力 的增大而增大。当 承压水导升高度 h 与散面裂 隙导水高度 h 之和大 于隔水层厚度 h 时 ， 承压水进入底板破坏范围 h ， 因此有发生突水的危险。即 h2 s in o { 2 [ a n 一 】 r d n 0 h c r h Q 3 深部开采突水灾变模式试验研究 3 ． 1 试验台选取及材料选择 针对 3种突水模式的室内模拟试验研究 ， 试验 台 第 1 期 郭惟嘉等 深部开采底板突水灾变模式及试验应用 须能模拟深部开采高地应力 、 高水压环境 ， 同时保证 试验过程的直观性和密封性 。因此选用深部采动高 水压底板突水相似模拟试验台作 为突水灾变演化试 验系统 1 4 ] 图 6 ， 该系统主要 由试验台系统 、 伺服加 载系统 、 水压控制系统和智能监测系统组成。试验高 压水 由柱塞泵经高压软管注入试验台水箱 ， 高压水通 过水箱上部出水孔注入模型底部 ； 出水孑 L 安置 9 6个 光纤传感器 ， 监测水压力和流量 的变化 ， 根据采集数 据上部模型岩体破裂位置和渗流场变化趋势。 图 6试验 系统 Fi g ． 6 T e s t s y s t e m d i a g r a m 研制能够模拟深井岩石力学性质 的相似材料是 深部模拟试验的基础和前提 ， 经过大量的室内试验证 明， 选用有机凝结材料作为胶结剂进行制模满足模拟 耦合状态下岩石变形破坏特 征 图 7 。本文采用前 期制作的固流耦合相似模 拟材料 ， 通过改变胶结 剂和骨料的含量， 掌握了该材料各组分在不同配比条 件下材料力学性能变化规律 。实验中将各 向同性相 似材料按岩层位置均匀铺设试验台中 ， 采用材料充填 的方式制作断层 、 陷落柱等构造 ， 完整底板不设计初 始裂隙 ， 试验过程模型底板产生的裂隙均在水压矿压 作用下 自发形成。 闺 7相似材料破裂形式 Fi g ． 7 Ru pt u r e f o r m o f s i mi l a r ma | e l ’ i a l 3 ． 2完整底板裂隙扩展型突水模拟 3 ． 2 ． 1 实验设计 试验以华北某深井开采矿井为原型， 结合完整底 板裂隙扩展型突水机理分析含有均匀散面裂隙的单 一 岩性底板破坏型突水情况 ， 进而探寻采场底板突水 通道 的形成和演化规律。 结 合矿 井实 际地 质 条件 ， 设计 采 深 1 2 0 0 I l l ， 直接顶 2 0 m， 基本顶 4 0 m， 煤层 厚度 8 m， 底 板岩 层厚度 6 0 m， 正 常模拟 水 压 1 0 MP a ， 走 向长 臂开 采 。设 计 试 验 模 型 尺 寸 为 9 0 0 n 1 11 1 8 0 0 m i l l 5 0 0 mr n 长 高 深 ， 试 验 模 型 几 何 相 似 比为 2 0 0， 容重相 似 比 1 ． 5 ， 渗透系数相似 比 1 4 ． 1 ， 垂直 方 向施 加 水 载荷 0 ． 0 3 MP a ， 水 平 方 向施 加 载 荷 0 ． 1 MP a ， 模拟施加水压 0 ． 1 MP a 。模拟底板 岩性 参数及材 料配 比见 表 1 。 表 1 物理模拟岩性参 数及 材料 配比 Ta bl e 1 Li t ho l o g y pa r ame t e r s a nd mat e r i a l r a t i o 注 S C C V 砂 千 、 碳 酸 钙 、 f 】 蜡 、 儿___f 林 。 3 ． 2 ． 2实验结果与分析 图 8为开切眼下方水压变化拟合曲线 ， 当工作面 向前推进 2 0 m时 ， 底板与承压水接触面产生 明显的 裂隙 A1 图 9 a ， 承压水导升高度升高 ， 此时开切 眼下方孔隙水压达到 2 7 k P a ； 工作面推进 3 2 m时 ， 顶 板初次来压， 开切眼底板首次出现先下延伸的纵向裂 隙 B 1 ， 裂隙水压升高至 3 1 k P a ； 当推进至 4 9 m时， 裂 隙水压激增 ， 同时裂隙 A 2与水平呈 6 0 。 夹角 向上延 伸 ； 工作面推进 7 0～8 0 m之间， B l 扩展变宽， 导水通 道 A 3逐渐贯通 B 1并形成局部 富水空间 ， 开切眼位 首次出现突水点 ； 随着突水 的进行 ， 富水空间沿底板 破坏带产生裂隙 A 4并连同采空区中部 ， 涌水量增大 突水灾害形成 图 9 b 。 深部采动影响加剧 了采场底板裂隙的扩展 、 错动 及贯通 ， 承压水作用下裂隙相互贯通导致突水连通裂 隙 A 2 ， A 3的形成 ， 成为裂 隙突水的主要原 因。由于 该类地质构造 的数量 、 范围容易受采动影响 ， 使得突 水通道 的形 成具有 突发性 、 复 杂性 ， 这也是 A 2 “ 反 折” 演化为 A 3的原因。 结合导水通道演化过程 图 9 a 可知 ， 完整底 2 2 4 煤 炭 学 报 2 0 1 8 年第4 3 卷 板裂隙扩展型突水模式 图 2 及裂隙扩展导通判据 具有可信度 ， 即高承压水作用下裂隙扩张至底板破坏 区引发底板滞后性突水。 图8 开切眼下方水压变化拟合曲线 F i g ． 8 F i t t i n g c u r v e o f wa t e r p r e s s u r e u n d e r o p e n c u t t i n g a 导水通道演化过程 3 ． 3 原生通道导通型突水模拟 3 ． 3 ． 1 实验设计 试验以济北矿区某矿工作面底板涌水为背景 ， 结 合原生通道导通型突水机理分析贯穿煤层断层导通 承压水过程 中断层裂隙 、 煤柱和底板破坏区相互影响 作用下 ， 底板突水通道的形成和演化规律。 试验模拟现场煤层采深为 8 0 0 m， 厚度为 2 m， 底 板厚度为 2 2 m， 含水层水压为3 ． 2 8 M P a ， 工作面有一 条倾 角为 7 0 。 ， 落差为 2 m的小断层 ， 走 向长臂开采 。 试验模型尺寸与 3 ． 2节相同， 如图 1 0所示 ， 几何相似 比为 1 0 0 ， 容重相似 比 1 ． 5 ， 渗透系数相似 比 1 0， 垂直 方 向施 加 水 载 荷 0 ． 1 3 MP a ， 水 平 方 向施 加 载 荷 0 ． 1 3 MP a ， 模拟施加水压 0 ． 0 3 MP a 。模拟底板岩性 参数及材料配比见表 2 。 b 突水灾害形成 图 9 突水灾害演化过程 F i g ． 9 Ev ol u t i o n p r o c e s s o f wa t e r i nr us h d i s a s t er 表 2 物理模拟岩性参数及材料配比 Tab l e 2 Li t hol o gy par ame t e r s a nd ma t e r i al r a t i o 岩层 弹性模量／ G P a 泊松比 内摩擦 角／ 。 渗透系数／ 1 0 m 配 比 厚度／ t m 煤层 粉砂岩 泥岩 粉砂岩 粉砂岩 泥岩 粉砂岩 泥岩 0 ． 2 5 O ． 3 5 0 ． 3 O 0 ． 3 5 0 ． 3 5 O ． 3 0 0 ． 3 5 0 ． 3 0 砂 水泥 石膏 8 6 4 S C C V 1 8 1 1 ． 21 ． 9 1 2 1 ． 81 ． 2 0 ． 6 1 8 11 ． 2 1 ． 9 1 8 l1 ． 2 1 ． 9 1 21 ． 81 ． 2 0． 6 1 8 11 ． 21 ． 9 1 21 ． 8I ． 2 0． 6 2 ． 0l 1 ． 3 7 2 ． 1 2 2 ． 51 I _ 0 5 3 ． 2 6 2 ． 1 4 3 ． 2 0 图 l 0 原生导水通道突水模 型 F i g ．1 O W a t e r i n r u s h mo d e o f p r i ma r y c h a n n e l t y p e 3 ． 3 ． 2 实验结果与分析 图 1 1为距煤层底面不同深度处断层上下盘岩体 在开采过程中产生的应力差 ， 可以看出当工作面开采 2 2 c m时， 受超前支承压力影 响断层围岩体产生应力 差 ， 为断 层 裂 隙扩 展 提供 条件。距 煤 层 底 板深 度 1 ． 3 7 a m处岩体最 大应力差为 0 ． 0 7 MP a ， 距底 6 c m 和 l O ． 3 c m处岩体受到的最大应力差均为 0 ． 0 4 MP a 和 0 ． 0 5 MP a ， 因此距煤层底板越近 ， 断层上下盘岩体 承受应力差值越大， 断层发生活化 的可能性较高。 7 5 7 7 5 7 5 4 3 4 4 3 4 3 加 ￡ 弘 第 1 期 郭惟嘉等 深部开采底板突水灾变模式及试验应用 蒯 ， 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 3 2 3 4 3 6 3 8 4 0 4 2 开采距离／ m 图 1 1 不同深度断层上下盘岩体应力差 F i g ． 1 1 S t r e s s d i f f e r e n c e i n f a u l t h a n g i n g w a l l a n d f o o t wa l l a t di f f e r e nt de p h s i 图 1 2为煤层开采结束后断层裂隙的扩展状态， 从图中可以清晰的看 出， 断层上盘岩体在高应力一 高 水压状态下 已处于破损状态， 与底板破坏带之间形成 两条明显的裂 隙 A l ， A 2 。其 中 A 1形成于初 次来 压 之前 ， 受开切眼及承压水高水压影 响断层产出活化 ， 局部 出现裂隙扩张 ； 当开采结 束一段时 间后 ， 在 A l 的基础上产生裂隙 A 2并连同采空区底板 ， 开切眼附 近 出现渗水 ， 断层附近裂隙与周边的细微小裂隙进一 步相互贯通 ， 逐步形成承压水上涌的突水通道。结合 原生通道型突水模式 图4 可知 ， 断层受采动影 响其 扩张部位最大位移 S 与底板连通裂隙发生沟通 ， 进 一 步验证了该突水模式建立的合理性 。 图 1 2突水通道演化过程 Fi g ．1 2 Ewflu t i o n p lce s s o f wa t e r i n r us h di s a s t e l ‘ 3 ． 4 隐伏构造滑剪型突水模拟 3 ． 4 ． 1 实验设计 隐伏构造 滑剪 型突水 可描述 为构 造 岩层失 稳 发生剪切破坏造成 承压水 涌入采空区 ， 因此 借助试 验手段可 以清楚 观察通 水通道 形成过 程。试验 模 拟矿 井 实 际地 质 条 件 与 3 ． 3节 相 同 ， 煤 层 埋 深 8 5 0 m， 采厚 2 m， 工作面井实际探测 ， 距工作 面开切 眼2 1 0 m位置处存在隐伏构造。几何相似比选取 1 0 0 ， 试验机垂直方 向加载载荷 0 ． 1 9 6 MP a ， 承压水 模拟水压 0 ． 0 3 MP a 。模 拟底板 岩性 及材料 配 比与 3 ． 3节相 同 。 3 ． 4 ． 2 实验结果与分析 由文献 [ I 3 ] 隐伏 断层 应力 变化 曲线 可知 ， 在 2 0～ 3 5 m开采 阶段 内， 断层上下盘应力监测数据存 在相反的变化趋势 ， 随着开采距离的加大， 上盘监测 应力增量逐渐增大 ， 下盘监测应力均减小且具有相同 变化趋势 。监测数据表明， 受开采扰动及承压水共同 作用影响， 隐伏构造围岩产生应力差较为明显， 隐伏 构造失稳活化可能性增大。 试验过程中工作面开采到 3 0 c m时 ， 隐伏构造上 方底板存在较为明显的裂 隙贯通 区和相对 明显的横 竖向裂隙， 并有少量承压水渗出 ， 随着开采的继续 ， 少 量煤粉和顶板材料出现溃落涌出的现象 ， 如图 1 3 a 所示 。当工作面推进至 4 0 o m时， 隐伏构造上方出现 突水点 ， 承压水不断涌出， 部分底板相似材料流出， 随 着突水通道的不断扩大 、 演化 ， 突水点的不断增加 ， 采 场突水量进一步加大 ， 将顶板垮落岩石 冲出 ， 最终演 化成突水灾害 图 1 3 b 。试验发现在采空区中部 产生于隐伏构造断面垂直贯通 的通水通道成为底板 突水的关键因素。 b歼采 6 5 c m 图 1 3 隐伏构造突水模型 Fig． 1 3 W a t e l ‘ i n r u s h mo d e o f b ur i e d s t ruc t u t ‘P t y p e 通过上述研究可知 ， 采掘活动打破了采场的稳定 状态 ， 形成通道导通底板高承压含水层或导水构造裂 隙， 进而引发突水。但 由于地质条件的差异和采掘活 动的程度不 同使得通道产生的原因和导通程度也不 尽相同， 这也使得底板突水发生形式 和机制存在差 异 。 本文仅单一依据某种地质构造或底板隔水层类 型实现对 3种深部突水模式 的划分 ， 然而大多数情况 下底板突水是 由“ 混合机制” 共 同作用下引发 的， 如 2 2 6 煤 炭 学 报 2 0 1 8 年第4 3 卷 邯邢矿区以组合 型隐伏构造 为通道 的底板 突水， 以 隐 、 显性微小型断裂构造组及裂隙带组合型为通道 的 底板突水⋯J 。针对这种“ 混合机制” ， 后期研究应偏 向于多地质因素主导采掘活动诱发下混合突水机制 ， 依据断层 、 陷落柱等构造对底板突水影响程度进行危 险性量化权衡 ， 建立深部复杂环境下底板突水系数化 判据 。 4 结 论 1 以深部高承压水开采水一 岩一 应力作用条件 为研究对象 ， 针对复杂地质构造采动影响特征及其诱 发高承压突水 问题 ， 将深部开采突水灾变模式划分为 完整底板裂隙扩展型 、 原生通道导通型和隐伏构造滑 剪型 3种类型， 将底板 突水归结为水 一 岩 一 应力相互 作用影响下构造活化 ， 破坏底板岩层完整性引发裂隙 导通 型突水。 2 提 出了 3种突水灾变模式的突水判据 ， 完整 底板裂隙扩展型突水判据归结于承压水影响下裂 隙 扩张造成彼此贯通引发承压水导升 高度大于有效 隔 水层厚度 ， 原生通道导通型突水判据归结为采动影响 下构造活