承壓水上采煤斷層活化突水的數(shù)值模擬分析

梁輝+董永+周子龍

【摘 要】承壓水上采煤，斷層的產(chǎn)狀不同，底板突水的危險(xiǎn)性不同。通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬斷層傾角，斷層斷距，斷層落差產(chǎn)狀，觀察臨界煤柱寬度進(jìn)而分析不同因素對(duì)底板突水的影響。通過數(shù)值模擬可以對(duì)開采臨近斷層時(shí)的危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)，為煤礦的安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】承壓水；斷層活化；突水；數(shù)值模擬

隨著我國(guó)礦井開采強(qiáng)度的提高和開采深度的不斷增加，開采賦存于復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造中的煤層的難度也隨之增大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，60%的煤礦不同程度的受到承壓水的威脅，而承壓水的突出往往都受斷層的影響，而工作面80%的突水事故都與斷層有關(guān)[1]。本文通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件[2]對(duì)不同產(chǎn)狀斷層的承壓水上采煤進(jìn)行模擬，進(jìn)而闡述斷層產(chǎn)狀不同對(duì)底板突水的影響。

1 計(jì)算模型與方案

當(dāng)數(shù)值模型進(jìn)入塑性階段，就可認(rèn)為材料屈服而破壞，進(jìn)而萌生裂隙，當(dāng)?shù)装辶严稊U(kuò)展至斷層時(shí)，煤柱寬度為斷層突水的臨界煤柱寬度，此時(shí)如果斷層含承壓水，承壓水便可通過裂隙涌入工作面，而且隨著承壓水對(duì)斷層的沖刷，導(dǎo)致斷層的活化，進(jìn)而發(fā)生嚴(yán)重的突水事故。

1.1 數(shù)值計(jì)算模型

煤層底板斷層突水的數(shù)值模型如圖1所示，模型采用三維模型，把斷層做成一個(gè)弱面，用力學(xué)性質(zhì)相對(duì)于周圍巖體較低，可塑性較強(qiáng)的巖石代替。模型長(zhǎng)600m，高200m，寬300m，距離地表埋深400m。模型的邊界條件為頂部施加上覆巖層等效均布載荷，模型底部限制水平和豎直的移動(dòng)，四周限制水平方向的移動(dòng)。模型的前后左右為不透水邊界，含水層頂部為壓力水頭邊界，壓力水頭按照模擬要求設(shè)置，為了模擬符合含水層的富含水性，設(shè)置模型底部為透水邊界，固定水頭壓力6MPa。含水層的初始飽和度設(shè)為1，含水層以上的巖層初始飽和度為0，具體參數(shù)設(shè)置參照表1。

1.2 計(jì)算方案

模擬方案中，當(dāng)模擬斷層傾角時(shí)時(shí)，傾角依次取30°、45°、60°、75°；當(dāng)模擬斷層落差時(shí)，落差依次?。?m，16m，24m，36m；當(dāng)考慮斷層斷距時(shí)，斷距依次?。?m，5m，10m，25m。

2 斷層活化的主要因素分析

2.1 斷層傾角對(duì)斷層活化的影響

當(dāng)模擬斷層傾角時(shí)，傾角依次取30°、45°、60°、75°，其它條件相同。底板塑性區(qū)的分布如圖3所示，斷層傾角和臨界煤柱寬度的關(guān)系如圖4所示。

由圖2可知，隨著斷層傾角的減小，臨界煤柱寬度成正比例增加，即小傾角的斷層更容易引起斷層突水。

2.2 斷層斷距對(duì)底板突水的影響

在對(duì)斷距的模擬中，分別取斷距為2m，5m，10m，25m四種情況進(jìn)行模擬，其它條件相同，底板塑性區(qū)的分布如圖3所示，斷層傾角和臨界煤柱寬度的關(guān)系如圖4所示：

由圖4可知，斷距越大，臨界煤柱寬度越長(zhǎng)。

2.3 斷層落差對(duì)底板突水的影響

在對(duì)斷層落差的模擬中，分別取落差為4m，16m，24m，36m四種情況進(jìn)行模擬，其它條件相同，底板塑性區(qū)的分布如圖5所示，斷層落差和臨界煤柱寬度的關(guān)系如圖6所示。

由圖6可知，隨著斷層落差的增加，臨界煤柱寬度成正比例增加，即斷層落差越大，越容易引起斷層突水。

3 結(jié)論

承壓水上采煤，斷層對(duì)底板突水起到了至關(guān)重要的作用，而斷層產(chǎn)狀的不同對(duì)突水的影響程度不同，通過數(shù)值模擬可以得知：

1）有斷層的承壓水上采煤時(shí)，回采至鄰近斷層時(shí)，斷層一側(cè)底板破壞深度增加。

2）回采臨近斷層傾角越小，斷距越大，落差越大的斷層時(shí)越容易發(fā)生突水事故，所需的安全臨界煤柱寬度越大。

3）實(shí)際生產(chǎn)中，遇到斷層時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘探工作，應(yīng)根據(jù)斷層產(chǎn)狀的不同采取相應(yīng)的措施，避免發(fā)生斷層突水事故。

【參考文獻(xiàn)】

[1]白峰青，姜興閣，蔣勤明.斷層防水煤柱設(shè)計(jì)的可靠度方法[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，19（4）：356-359.

[2]徐鼎平.FLAC/FLAC3D 基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].DynoMedia Inc.， 2009.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]