断裂构造对煤层底板突水控制作用的研究

断裂构造对煤层底板突水控制作用的研究郝国强，张润钊中国矿业大学资源与地球科学系，北京（100038）E-mail：hgq0278@摘要：本文阐述了断裂构造区易于突水的主要原因，对不同情况下断裂构造的导水性能作出了评价，针对赵各庄矿东-Ⅷ断层，采用FLAC3D数值模拟手段，对非导水断层活化机理作了某些有益的探讨。

关键词：断裂构造，煤层底板突水，断层活化，FLAC3D中图分类号：TD163.1.引言我国北方型煤田普遍受奥灰水威胁，随着矿井开采水平的不断延伸，开采深度越来越大，灰岩承压水水压不断增加，突水的潜在危险性也随之加大。

煤层底板突水主要与水压、矿压、底板隔水层、地质构造等因素有关[1-2]。

据统计，突水绝大多数是与断层有着直接关系的，90%以上的突水发生在断层带本身极其临近范围内，其中断层突水占74%，断层影响突水占23%，突水在完整底板情况下很少发生。

隔水层的岩体强度几倍几十倍于岩溶水的水压，水压与矿压破坏完整隔水层形成新的突水通道的能力是有限的。

底板突水通道几乎都是底板隔水层中原有断裂裂隙在水压及采动条件下所形成的。

因此，研究断裂构造对煤层底板的控制作用具有重要意义。

2.断裂构造区易于突水的主要原因断裂构造之所以成为煤层底板突水的主要影响因素，有以下几个方面的原因：a 断层上下两盘错动，缩短了煤层与底板含水层之间的距离，使底板隔水层有效厚度减少(图1)，或造成断层一盘的煤层与另一盘的含水层直接接触，使底板隔水层有效厚度消失(图2)，从而使煤层底板突水危险性增大。

b 断裂带内裂隙发育，岩体破碎，强度降低，给承压水的致裂和导升创造了有利条件。

张性裂隙带内的充填物多为胶结不够紧密的泥质、炭质等岩屑碎块，在承压水的长期作用下被软化侵蚀掏空形成较高的原始导高，从而降低了隔水层厚度，也给突水创造了条件。

c 断裂带附近最大主应力方向在区域地质构造作用控制下，随着断裂产状的不同，与区域构造应力场的最大主应力方向有着不同程度的偏离，而断裂带附近的三个主应力的大小，随着断裂产状的不同，与区域构造主应力也有所不同。

自重应力与水平应力值一般都随着断裂带的存在而减小，由于断裂带中地应力值降低，使得承压水有可能大于最小主应力而张裂带的裂缝，使承压水向上导升而突水。

d 回采工作面底板岩体中存在断层时，底板破坏深度增大。

据现场底板岩体注水试验结果可知，断层破碎带岩体的导水裂隙带深度是正常岩体的2倍左右。

3.断裂构造的导水性能断层突水可分为两种基本类型，一种是断层原始状态下就可以导水而引发的突水；另一种是断层本身不导水，由于采动影响，导致断层活化而引发的突水。

典型的断层破碎带，其横剖面分为两部分：内带——构造岩带；外带——断层影响带。

a 构造岩带。

这个带是由断层构造岩组成。

断层构造岩及断层带上的岩石在断层作用中被搓碎、研磨片、甚至重结晶、再定向又固结的岩石。

一般包括断层角砾岩、碎裂岩、糜棱岩、片理化岩等。

构造岩带的宽度一般由不足一米至数十米，甚至更大，视断层规模和性质而定，而且同一条断层构造岩带的宽度变化也很大。

构造岩的导水性取决于构造岩的种类及其孔隙性质。

这些性质通常又与断层的力学性质有关。

压性断层的构造岩一般为糜棱岩、压片岩等，因细粒物较多，孔隙极小，孔隙率也低，所以一般起隔水作用。

对于张性断层来说，断层构造岩以断层角砾岩等粗大碎块物质为主，研磨的细粒物较少，结构比较疏松，孔隙和空隙率大，所以导水性较强。

扭性断层的构造岩的性质一般介于压性和张性之间。

b 断层影响带。

这个带是受断层影响而形成的两盘岩石的裂隙发育带，分布在构造岩带的两侧，母岩受断层影响而强烈破坏，产生大量张裂隙、扭裂隙及分支断层，形成裂隙发育带。

靠近构造岩带的岩石受断层影响最大，裂隙最发育，但母岩的成份、结构、性质都没有重大变化;随着远离断层，裂隙发育程度也减弱，与未受断层影响的完整的母岩之间没有明显的分界线，是逐渐过渡的。

断层影响带的宽度取决于断层的规模和两盘岩石的力学性质等因素，也与断层的力学性质有关，一般宽度由数米至十几米不等，而且沿着断层走向和倾向宽度变化都很大，压性断层影响带的宽度通常比张性断层影响带大。

断层影响带岩石裂隙越发育，导水性越强，所以常常成为断层的富水带。

4.非导水断层活化导水机理在原始地质条件下，断层与含水层直接接触沟通，构成导水断层的突水事故比例较小，而绝大多数是原始条件下的非导水断层，在采动影响下发生突水。

原始地质条件下的导水断层往往具有一定的前兆，根据对各种工程显现特征的分析，结合少量钻探或物探工作，是可以判断前方有无导水断层的，而采动影响下的断层突水要复杂得多。

为了探讨采动条件下影响非导水断层活化导水的因素，本文以赵各庄矿东Ⅷ断层为例，进行FLAC3D数值模拟[3-4]。

拟开采的122煤层，倾角近水平，采深1030m，采高5m，一次采全高。

奥灰承压含水层距122煤层134m，煤层底板水压11。

76MPa。

断层落差10m，倾角分别设计450、600、750三种情况。

模型长250m，宽100m，高200m高200m（图3）。

Fig3 The sketch of simulating model将岩性相近的岩层合并为一组，共分六个大组，各组岩层及断层带力学参数如表1所示。

表1 各组岩层及断层带力学参数数值模拟结果表明，122煤层开采后，底板垂向位移向上，出现底鼓现象。

随着断层倾角的加大，底板最大垂向位移量减少。

断层倾角为45o时，底板最大垂向位移量为5。

7cm；断层倾角为75o时，底板最大垂向位移量为2。

9cm。

但是，随着断层倾角的加大，开采引起的底板垂向位移影响范围反而有增大的趋势（图4）。

由此可知，高角度断层的底板垂向挠动范围较深，当其影响深度接近承压水导升带时，突水危险性大大加大。

工作面推进方向与断层倾向相反时，虽然底板垂向挠动范围较浅，但是，断层上盘底板垂向位移向上，下盘底板垂向位移向下，从而易使断层面拉开，易造成断层活化突水。

工作面推进方向与断层倾向相同时，虽然底板垂向挠动范围较深，但是，断层上盘底板垂向位移向下，下盘底板垂向位移向上，断层两盘紧密地压在一起，断层反而不易活化（图5）图4沿工作面走向垂直位移等值线图Fig4 Z-disp countours along the strike of working face图5 工作面推进方向与断层倾向相同时垂直位移等值线图Fig5 Z-disp countours when the working face’s direction is the same as the fault’s另外，回采空间位于正断层上盘时，附加切向应力值较大，且与初始应力方向相反，易于造成断裂带内裂隙发展，断层易于活化突水。

5.结论a 断裂构造与煤层底板突水关系密切。

导水断层沟通含水层与非导水断层在采动影响下活化均可引起底板突水。

相比而言，由非导水断层在采动影响下活化引起的底板突水所占的比例要大得多，其活化导水机理也复杂得多。

b 控制非导水断层活化导水的因素很多，如断层倾角、工作面推进方向与断层倾向关系等。

断层倾角加大、工作面推进方向与断层倾向相反易于断层活化变形，从而使底板突水危险性增大。

c 为了最大程度地削弱断裂构造对煤层底板突水的影响作用，要正确区分断层的导水性，是富水、导水还是隔水，对于富水、导水断层两侧要留足够长的防水煤柱。

另外，要选择合适的开采方法，合理布置工作面推进方向，尽量使其与断层倾向相同，使其对煤层底板突水的影响降至最低。

参考文献[1]虎维岳.矿井水害防治理论与方法[M].北京：煤炭工业出版社，2005.[2]张金才，张玉卓，刘天泉.岩体渗流与煤层底板突水[M].北京：地质出版社，1997.[3]张壮路，洪益清，田干.赵各庄煤矿深部带压开采可行性研究[J].煤田地质与勘探，2005，33（4）：106～109.[4]何满朝等.工程地质数值法[M].北京：科学出版社，2006.Research on the fault zones’influence on water-inrush fromcoalbed floorHao Guoqiang, Zhang RunzhaoDepartment of Resource and geoscience, China University of Mining and Technology,Beijing (100038)AbstractThis paper gives the main reasons why water is prone to inrush from fault zones，evalues the water-inrush performance of fault zones in different situations.In the light of East-Ⅷ fault in Zhaogezhuang Coal Mine ，this paper makes some beneficial discussions about the mechanism of non-water-inrush fault’activity，according to numerical simulation with FLAC3D.Keywords: fault zones; water–inrush from coalbed floor; the activated fault; FLAC3D作者简介：郝国强，男，1981年生，硕士研究生，主要从事采矿工程数值模拟、矿井构造方面的研究。