礦井工作面底板突水機(jī)理的理論探析

李 晉

(晉煤集團(tuán)晉圣三溝鑫都煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

0 引言

在采動(dòng)引起的礦壓以及靜水壓綜合作用下，工作面底板隔水層內(nèi)部容易發(fā)育裂隙并且擴(kuò)展延伸，當(dāng)其所受的載荷超過(guò)其極限承載能力時(shí)，隔水層會(huì)發(fā)生沿著內(nèi)部某一弱面的斷裂，使得含水層內(nèi)部水體涌入工作面，給礦井的安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患[1]。從流體力學(xué)的角度出發(fā)，工作面底板突水為裂隙水流，突水通道和水壓力差決定了底板突水的大小，其中突水通道是突水形成的必要條件。基于此，嘗試對(duì)工作面底板的突水機(jī)理進(jìn)行理論探析。

1 突水類型劃分和下三帶

1.1 突水類型劃分

把礦井底板突水的類型進(jìn)行合理劃分對(duì)礦井的防治水工作具有重要意義。不同礦井煤層的賦存條件不同，底板的力學(xué)特性以及所處的地質(zhì)條件有所差異。針對(duì)礦井奧灰?guī)r含水層的地質(zhì)特征劃分工作面底板的突水類型，按照突水的主導(dǎo)因素進(jìn)行劃分，結(jié)果見表1。

表1 突水類型劃分結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

在表1中，當(dāng)不具導(dǎo)水性斷層的活化時(shí)形成了構(gòu)造型突水(圖1(a))，斷層自身的力學(xué)特性、圍巖應(yīng)力以及水壓等因素均會(huì)引起斷層的活化；底板隔水層巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育較為充分，未受采動(dòng)作用下裂隙未相互貫通，故不具導(dǎo)水性，在采動(dòng)作用下，滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)相互耦合形成底板突水，該類型為正常型突水(圖1(b))。

a-構(gòu)造性；b-正常型圖1 底板突水類型示意圖

1.2 下三帶及理論計(jì)算

諸多專家學(xué)者研究得到，在采場(chǎng)采動(dòng)作用下工作面底板隔水層可分為采動(dòng)破壞帶、保護(hù)帶和承壓水導(dǎo)升帶[2]，如圖2所示。

圖2 下三帶劃分示意圖

采動(dòng)破壞帶：底板內(nèi)部本身就發(fā)育天然裂隙，在采動(dòng)作用下原生裂隙擴(kuò)展，次生裂隙不斷產(chǎn)生，則在巖體內(nèi)部就形成了原生裂隙和次生裂隙群，提高了巖體的導(dǎo)水性，最終形成了具有導(dǎo)水性的特殊帶，由縱向裂隙帶和橫向裂隙帶構(gòu)成。前者是在拉剪綜合作用下形成的；后者主要在淺層發(fā)育，底板巖層在采動(dòng)作用下發(fā)生壓縮-擴(kuò)張以及壓縮的復(fù)合變形，該類型變形形式的反向位移導(dǎo)致了橫向裂隙帶的形成。整體上，采動(dòng)破壞帶的高度隨著工作面開采深度的增大而增加，當(dāng)工作面開采深度較大時(shí)，采場(chǎng)采動(dòng)引起的圍巖破壞范圍和破壞深度較大，可能使得內(nèi)部裂隙發(fā)育到含水層。計(jì)算采動(dòng)破壞帶的方法很多，根據(jù)彈性力學(xué)理論和塑性滑移線場(chǎng)理論可得破壞帶的高度，為公式(1)所示。

(1)

式中:n—采動(dòng)引起的應(yīng)力集中系數(shù)；H—工作面開采深度；φ—巖體的內(nèi)摩擦角；C—巖體的黏聚力；m—采空區(qū)降壓系數(shù)。

導(dǎo)升帶：隔水層內(nèi)部裂隙是承壓水上升的通路，而該裂隙的高度就是原始的導(dǎo)升高度。巖石具有各向異性，內(nèi)部裂隙發(fā)育不均，故在導(dǎo)升帶不同位置的原始高度不同，在局部裂隙發(fā)育較為充分的導(dǎo)升帶內(nèi)原始高度較大，除此之外，工作面底板的力學(xué)特性以及圍巖構(gòu)造的發(fā)育情況等也會(huì)影響導(dǎo)升帶高度。通過(guò)物探法或者鉆探統(tǒng)計(jì)法可以得到導(dǎo)升帶高度。在本礦井中，奧灰灰?guī)r上部分布厚度各異的巖溶充填帶，對(duì)奧灰水具有較好的阻隔性；在礦區(qū)內(nèi)部分布穩(wěn)定的巖溶充填帶可視為隔水層。

保護(hù)帶：處于承壓水導(dǎo)升帶和采動(dòng)破壞帶之間。保護(hù)帶受采場(chǎng)采動(dòng)的影響較小，在工作面開采過(guò)程中該范圍巖層的導(dǎo)水性變化較小，具有較好的隔水性；但水對(duì)巖石具有侵蝕和水化作用，而且采動(dòng)引起的礦壓會(huì)持續(xù)作用于該范圍巖層，故長(zhǎng)此以往保護(hù)帶內(nèi)裂隙可能擴(kuò)展貫通引起滯后突水。

在得到導(dǎo)升帶和采動(dòng)破壞帶的厚度后可得到保護(hù)帶厚度，如公式(2)所示，式中各變量含義如圖2所示。

h2=h-h1-h3

(2)

2 突水機(jī)理研究

2.1 正常型突水機(jī)理

在長(zhǎng)期的地質(zhì)作用下，工作面底板隔水層內(nèi)部發(fā)育有尺度不一的節(jié)理結(jié)構(gòu)[3]。將突水可視為壓裂液，則在一定壓力下巖體中的弱面會(huì)垂直于最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展，由此可見巖體內(nèi)部裂隙擴(kuò)展的程度決定了承壓水導(dǎo)升的高度，也就是正常型突水的嚴(yán)重程度，而節(jié)理面的力學(xué)特性以及上位巖層的性質(zhì)會(huì)影響裂隙的擴(kuò)展。

在采場(chǎng)采動(dòng)引起的應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的綜合作用下，含水層上覆巖體內(nèi)部的裂隙擴(kuò)展貫通，加大了巖體內(nèi)部的破裂程度，在工作面推進(jìn)過(guò)程中采動(dòng)引起的縱向應(yīng)力是不斷演變的，從而加大了原有導(dǎo)升帶中的裂隙尖端應(yīng)力集中系數(shù)，當(dāng)該系數(shù)達(dá)到裂隙的起裂強(qiáng)度時(shí)，裂隙開裂。

山西晉煤集團(tuán)三溝鑫都煤礦井田區(qū)內(nèi)斷距大于10 m的有1條逆斷層和5條正斷層，其它在開采中揭露的小斷層斷距一般都小于5 m，這些斷裂構(gòu)造在礦山壓力的作用下，很有可能成為采空區(qū)積水的補(bǔ)給通道，在導(dǎo)升帶內(nèi)裂隙向上擴(kuò)展的過(guò)程中，承壓水也會(huì)不斷向上涌流，當(dāng)含水層上覆巖體裂隙帶與隔水層頂部裂隙帶貫通時(shí)承壓水便會(huì)滲透到采空區(qū)，如圖3所示。承壓水會(huì)對(duì)滲流通路不斷侵蝕和沖刷，進(jìn)而加大了貫通裂隙的開度，使得采空區(qū)積水量加大，總體上，正常型突水過(guò)程的本質(zhì)就是應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)相互耦合作用不斷加強(qiáng)的過(guò)程。

圖3 正常型突水滲流通路示意圖

2.2 構(gòu)造型突水機(jī)理

在采場(chǎng)采動(dòng)作用下斷層的活化引起了本礦井的構(gòu)造性突水，斷層上下盤巖體受到的摩擦力較大，內(nèi)部節(jié)理以張拉節(jié)理和剪切節(jié)理為主，而且距離破裂面越近，節(jié)理發(fā)育越嚴(yán)重。節(jié)理與主斷層的夾角隨著力學(xué)性質(zhì)的改變而改變，張拉裂隙與主斷層的夾角一般為45°；而剪切裂隙一般有兩組，其中，一組節(jié)理與主斷層夾角較小，另外一組與主斷面表層垂直，具體特點(diǎn)如圖4所示。

圖4 節(jié)理發(fā)育特征示意圖

在采場(chǎng)采動(dòng)過(guò)程中工作面底板的穩(wěn)定性逐步降低，在底板巖層內(nèi)部的裂隙以及斷層的伴生裂隙會(huì)逐步擴(kuò)展，一旦與采動(dòng)破壞帶貫通就形成了突水通道。本次研究礦井構(gòu)造為NE走向和NW傾向的單斜構(gòu)造，地質(zhì)勘探過(guò)程中得到有6個(gè)斷距在18 m以下的斷點(diǎn)，總體構(gòu)造簡(jiǎn)單，故小斷層的突水與構(gòu)造性突水相關(guān)?；诠ぷ髅婧蛿鄬拥目臻g特征，可將斷層分為埋藏型和切穿煤層型兩種，分別如圖5(a)和(b)所示。

a-埋藏型；b-切穿煤層型圖5 礦井?dāng)鄬邮疽鈭D

埋藏型斷層突水：埋藏型斷層的突水機(jī)理和正常型底板一樣，該斷層作用與正常型底板內(nèi)部的裂隙作用相當(dāng)，作為潛在的導(dǎo)水通路。在圖5(a)中，h0為工作面底板距斷層上部的距離，假設(shè)該距離要大于采動(dòng)破壞帶厚度，當(dāng)埋藏型斷層具有隔水性時(shí)，則有無(wú)斷層情況下的隔水層厚度均相等；當(dāng)埋藏型斷層不具隔水性時(shí)，有效隔水層厚度理論上應(yīng)該為斷層不存在情況下的隔水層厚度與斷層的縱向延展厚度之差。

切穿煤層型斷層突水：在采場(chǎng)采動(dòng)作用下，承壓水會(huì)對(duì)斷裂帶內(nèi)的裂隙進(jìn)行水力壓裂作用，則原生裂隙起裂擴(kuò)展，次生裂隙發(fā)育；采場(chǎng)采動(dòng)改變了圍巖的應(yīng)力場(chǎng)平衡狀態(tài)，承壓水的壓力和圍巖應(yīng)力場(chǎng)相互作用使得斷層發(fā)生活化，導(dǎo)水性改變，從而使得導(dǎo)升帶順著斷層擴(kuò)展最終與采動(dòng)破壞帶連接貫通，在此情況下，不導(dǎo)水?dāng)鄬愚D(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)水型斷層，引發(fā)了工作面的涌水，如圖6所示，這也是導(dǎo)致突水發(fā)生滯后的機(jī)理所在。

3 結(jié)語(yǔ)

突水通道是突水形成的必要條件，為此，對(duì)工作面底板的突水機(jī)理進(jìn)行理論研究。針對(duì)該礦井奧灰?guī)r含水層的地質(zhì)特征劃分工作面底板的突水類型為正常型和構(gòu)造性，對(duì)采場(chǎng)采動(dòng)作用下工作面底板隔水層進(jìn)行三帶劃分和厚度計(jì)算；同時(shí)對(duì)正常型和構(gòu)造性突水的機(jī)理進(jìn)行了研究，得到正常型突水過(guò)程的本質(zhì)就是應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)相互耦合作用不斷加強(qiáng)的過(guò)程，不導(dǎo)水?dāng)鄬愚D(zhuǎn)變?yōu)榱藢?dǎo)水型斷層，引發(fā)了工作面的涌水，這也是導(dǎo)致突水發(fā)生滯后的機(jī)理所在。

圖6 切穿煤層型斷層突水過(guò)程示意圖