承压水上采煤断层活化突水的数值模拟分析

梁辉+董永+周子龙

【摘 要】承压水上采煤，断层的产状不同，底板突水的危险性不同。通过FLAC3D数值模拟软件模拟断层倾角，断层断距，断层落差产状，观察临界煤柱宽度进而分析不同因素对底板突水的影响。通过数值模拟可以对开采临近断层时的危险性进行预测，为煤矿的安全生产提供指导。

【关键词】承压水；断层活化；突水；数值模拟

随着我国矿井开采强度的提高和开采深度的不断增加，开采赋存于复杂地质构造中的煤层的难度也随之增大，据统计，60%的煤矿不同程度的受到承压水的威胁，而承压水的突出往往都受断层的影响，而工作面80%的突水事故都与断层有关[1]。本文通过FLAC3D数值模拟软件[2]对不同产状断层的承压水上采煤进行模拟，进而阐述断层产状不同对底板突水的影响。

1 计算模型与方案

当数值模型进入塑性阶段，就可认为材料屈服而破坏，进而萌生裂隙，当底板裂隙扩展至断层时，煤柱宽度为断层突水的临界煤柱宽度，此时如果断层含承压水，承压水便可通过裂隙涌入工作面，而且随着承压水对断层的冲刷，导致断层的活化，进而发生严重的突水事故。

1.1 数值计算模型

煤层底板断层突水的数值模型如图1所示，模型采用三维模型，把断层做成一个弱面，用力学性质相对于周围岩体较低，可塑性较强的岩石代替。模型长600m，高200m，宽300m，距离地表埋深400m。模型的边界条件为顶部施加上覆岩层等效均布载荷，模型底部限制水平和竖直的移动，四周限制水平方向的移动。模型的前后左右为不透水边界，含水层顶部为压力水头边界，压力水头按照模拟要求设置，为了模拟符合含水层的富含水性，设置模型底部为透水边界，固定水头压力6MPa。含水层的初始饱和度设为1，含水层以上的岩层初始饱和度为0，具体参数设置参照表1。

1.2 计算方案

模拟方案中，当模拟断层倾角时时，倾角依次取30°、45°、60°、75°；当模拟断层落差时，落差依次取：4m，16m，24m，36m；当考虑断层断距时，断距依次取：2m，5m，10m，25m。

2 断层活化的主要因素分析

2.1 断层倾角对断层活化的影响

当模拟断层倾角时，倾角依次取30°、45°、60°、75°，其它条件相同。底板塑性区的分布如图3所示，断层倾角和临界煤柱宽度的关系如图4所示。

由图2可知，随着断层倾角的减小，临界煤柱宽度成正比例增加，即小倾角的断层更容易引起断层突水。

2.2 断层断距对底板突水的影响

在对断距的模拟中，分别取断距为2m，5m，10m，25m四种情况进行模拟，其它条件相同，底板塑性区的分布如图3所示，断层倾角和临界煤柱宽度的关系如图4所示：

由图4可知，断距越大，临界煤柱宽度越长。

2.3 断层落差对底板突水的影响

在对断层落差的模拟中，分别取落差为4m，16m，24m，36m四种情况进行模拟，其它条件相同，底板塑性区的分布如图5所示，断层落差和临界煤柱宽度的关系如图6所示。

由图6可知，随着断层落差的增加，临界煤柱宽度成正比例增加，即断层落差越大，越容易引起断层突水。

3 结论

承压水上采煤，断层对底板突水起到了至关重要的作用，而断层产状的不同对突水的影响程度不同，通过数值模拟可以得知：

1）有断层的承压水上采煤时，回采至邻近断层时，断层一侧底板破坏深度增加。

2）回采临近断层倾角越小，断距越大，落差越大的断层时越容易发生突水事故，所需的安全临界煤柱宽度越大。

3）实际生产中，遇到断层时，应加强地质勘探工作，应根据断层产状的不同采取相应的措施，避免发生断层突水事故。

【参考文献】

[1]白峰青，姜兴阁，蒋勤明.断层防水煤柱设计的可靠度方法[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2000，19（4）：356-359.

[2]徐鼎平.FLAC/FLAC3D 基础与工程实例[M].DynoMedia Inc.， 2009.

[责任编辑：杨玉洁]