斷層影響下頂板突水機理的數值模擬研究
0 引言
礦井突水作為煤礦生產中的重大災害之一，嚴重威脅井下工作人員的生命安全，一直是煤礦災害防治的重點[1]。尤其近些年來，由于煤炭開采的規模逐步擴大，突水事故頻發，造成了不可估量的損失。以往底板突水一直被作為煤礦水害的防治重點[2-6]，但隨著技術的進步，煤礦綜合機械化的普及，頂板突水問題對煤礦生產的影響逐漸顯現出來，并且其防治難度要更大。大量工程實例表明，相當一部分突水事故都與斷層的存在有著一定關系[7-10]。本文將以徐州礦務局某礦為工程背景，對斷層影響下的頂板突水進行研究，應用flac 進行數值模擬，以期對斷層影響的頂板突水機制有進一步認識及對煤礦安全生產有進一步提高。
1 礦井水文地質條件
該井田擁有東南低西北高的地勢，井區內巖層出露較好，利于降水入滲補給地下水。井田內含水層主要有中下石炭統梓門橋組巖溶承壓含水層,該含水層厚度60m 左右，以及下石炭統測水組砂巖裂隙承壓含水層，整體水位西北高、東南低，徑流方向由西北向東南。隔水層主要有下部的泥灰巖，厚10~30m，其隔水性較好，此隔水層位于開采煤層之上60m 左右。
根據多年的觀測，直接向礦井充水的是測水組砂巖裂隙承壓含水層水，尤其是4 煤頂板石英砂巖，該含水層厚度5~16m，節理、裂隙很發育，滲透系數大，出露高程較高，開采過程中一經揭露便向工作面涌水，礦井涌水量雖隨著開采范圍的加大有所增長，但一直穩定在70m3/h 以下。
其中該礦某工作面在掘進過程中，要穿過一條正斷層，斷層傾角大約為60°，落差10m，工作面從下盤向上盤推進。由于該礦井煤層不穩定，工作面走向長度一般不超過200m。煤層才用長臂式開采，開挖步距為10m，跨落法頂板管理。而由于斷層的存在及影響，有可能將上方含水層中的裂隙水導入采場，影響煤礦生產安全。
2 數值計算模型的建立
flac(fast lagrangian analysis of continua)是由美國itasca 公司開發的，一種用于工程力學計算的二維顯式有限差分程序。該軟件系統的基本原理和算法與離散元相似，但它采用的是節點位移連續的條件，可以較好地模擬由土、巖石和其他的在到達屈服極限時會發生塑性流動的材料所建造的結構的特性，特別適合求解巖土力學工程中非線性的大變形問題。
為了方便得出斷層對頂板上覆巖層隔水性能影響規律，作者結合flac 中的流固耦合模塊，分別建立無斷層和含斷層兩類頂板數值分析模型，分析比較其結構力學特征和滲流特征的差異。模型圍巖本構關系采用mohr-coulumb 模型。計算模型幾何尺寸為200100m，煤層厚度為3m，模型頂部為承壓含水層，上覆巖層總厚度為57m，下覆巖層厚度為40m。斷層傾角為60°，斷距為10m。工作面位于斷層左側，從左向右推進，開挖步距為10m。頂部上邊界施加的空隙水壓為2mpa，模型范圍以上的巖層等效為5mpa 均布載荷施加于模型的上邊界。模型底部約束垂直方向位移，左右兩邊約束水平方向位移，除上邊界外，其他邊界均設置為不透水邊界。其中在對斷層的模擬上，把斷層穿過巖體單元合并考慮，對該單元所附材料參數與斷層相同。
3 垂直應力分布特征
為充分了解采場距斷層的距離不同對頂板上覆巖層的穩定性和滲流特性的影響，分別給出了模型無斷層及含斷層時的垂直方向應力分布云圖。
由分析得：當無斷層時，采場圍巖存在兩個應力集中區，位于采空區的兩側；由于斷層帶的存在，采場圍巖存在三個應力集中區，分別位于采空區的兩側和斷層帶；隨采場的推進，由于采動引起的應力集中區不斷向斷層位置靠近，并與斷層帶附近的應力集中區疊加，從而使得應力集中程度不斷加劇。
對于含斷層的情況，當采場位置距斷層較遠時，采動引起的應力集中對斷層內巖體的應力影響較小，但當采場位置距斷層較近時，則采動引起的應力集中對斷層內巖體的應力影響較大。當采場由距斷層80m 推進至60m 時，斷層內垂直應力由1.5mpa 增至1.9mpa，增幅為25%；當采場由距斷層50m 推進至30m 時，斷層內鉛垂方向應力由2.3mpa 增至4mpa，增幅達48%，增幅擴大近2 倍�？梢�，一方面斷層受采動影響，自身穩定性將隨采場與斷層間距離的減小而將受到更嚴重的影響，一旦斷層被活化，導水性增強，導致頂板發生突水事故的概率增加；另一方面，斷層除了作為導水通道外，還可能破壞采場圍巖承載結構，引發上覆巖層失穩，隔水性能降低，從而發生突水事故。
4 塑性區及孔隙水壓分布特征
分別給出了含斷層時工作面圍巖隨采場推進的塑性區分布云圖和孔隙水壓分布云圖；給出了有無斷層的情況下，頂板破壞深度h 的變化曲線。經過對比分析，可知：
(1) 當采場推進至70m 時，頂板破壞深度大約為31m，在含斷層的情況下，采場同樣推進至70m 時，頂板破壞深度大約為35m，增幅為13%；而當采場推進至90m 時，無斷層的頂板破壞深度約為39m，而含斷層的頂板破壞深度約為49m，增幅為26%�？梢娫诤瑪鄬拥那闆r下，頂板破壞深度明顯大于無斷層的情況，并且隨采場推進，工作面與斷層間的距離逐漸縮小，斷層對采場圍巖的穩定性的影響會逐漸明顯；
(2) 采場推進初期，頂板的塑性破壞區范圍較小，暫時無法溝通采場與上方含水層，水只能緩慢的滲入上覆巖層，難于形成導水通道，因而此時斷層對頂板上覆巖層隔水性能影響較�。�
(3) 隨著采場的推進，受斷層影響，采場頂板的破壞深度不斷向上部延伸，從而會使采場頂板上覆巖層的隔水性能不斷降低，中當采場推進至距斷層30 米時，采空區上方已有少數導水裂隙發育至含水層，若進一步開采，頂板塑性區會迅速向上發育至承壓含水層，則由此形成突水通道，極引發突水事故，這恰恰與 年該礦2723 工作面發生頂板突水的這一實際情況相吻合。當開采到離斷層煤柱邊界尚有3m 的距離時，出現劇烈礦壓顯現，幾小時后，工作面大量涌水，涌水量由20m3/h 急劇增加到450m3/h，而本次突水事故直接造成礦井停產15 天，損失嚴重；
(4) 在含斷層情況下，隨著工作面向前推進，工作面圍巖塑性破壞區離斷層帶越來越靠近，斷層帶附近出現部分小裂隙，破壞圍巖的穩定性，降低了巖層的隔水性能。當采場推進至90m，也就是距斷層帶距離約為30m 時，采動引起的塑性破壞區與斷層帶附近的塑性區相連，斷層也因受采動影響，被活化變得導水，而形成導水通道，易發生突水事故，因而，斷層附近防水煤柱的留設是關系到能否防治突水事故的重要因素；
(5) 當采場推進至距斷層80m 時，斷層帶中水頭高度為37m；而推進至距斷層30m 時斷層帶中水頭高度增加到55m，增增幅達到了47%�？梢姡S工作面推進，頂板發生拉伸和塑性變化，從而影響斷層原有穩定性，導致斷層滲透性提高，孔壓增大；隨頂板破壞深度的增加，裂隙波及含水層，導致含水層水位下降，頂板上方水壓不斷增大，而孔壓的變化必將導致應力、應變的關系。
5 結論
(1) 本文以徐州礦務局某礦為工程背景，分別建立無斷層和含斷層兩類頂板數值分析模型，對比分析了斷層對頂板突水的作用影響，及斷層影響下的頂板突水機理及其規律。借助于計算軟件flac 進行模擬分析，對頂板不同的破壞情況進行模擬。模擬方案結果都凸顯出斷層對于頂板上覆巖層的穩定性及隔水性能方面的作用影響。
(2) 由于斷層帶的存在，當采場位置距離斷層越來越近，采場附近應力集中區與斷層帶應力集中區疊加，采動引起的應力集中也越加明顯。因此一旦斷層受采動影響而失穩，導水性增強，那么發生頂板突水的事故將大大增加。
(3) 受斷層影響，頂板破壞深度及塑性區范圍隨開采不斷增加，上覆巖層隔水性能隨之不斷降低。當采場推進至距斷層30m 時，導水裂隙發育至含水層，這與 年2723 工作面發生頂板突水的實際情況相吻合。
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