★ 煤矿安全 ★
我国煤炭开发正由浅部走向深部,特别是开采石炭-二叠系煤层的华北型煤田,深部开采所面临的环境较为复杂,其中断层受采动影响活化导致突水事故的发生就是目前亟须研究解决的问题之一。断层作为煤矿生产中常见的地质构造,造成煤、岩层结构的不连续及应力、应变、含水率等变化的不连续,在工作面回采过程中,会造成断层围岩应力场重新分布,这种应力重新分布的过程对断层作用机制是动态的,受这种动态作用机制的影响,断层面将会产生复杂的力学响应,累积到一定程度最终发生滑移错动,导致断层活化,且在断层错动之后会释放巨大的能量,进一步诱发冲击地压、冒顶、突水等事故[1-5]。
众多学者针对断层活化的机理开展了大量的研究工作,取得了丰硕的成果:BAILEY W R等[6]从英国煤田断层本身的性质出发,分析了断层的活化机制;施泽进等[7]从突变理论和尖点突变的模型出发,分析了断层活动机理;林远东等[8]采用Anderson断层模型和莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)强度准则,研究了断层稳定性问题,得到了基于断层视摩擦因数和摩擦因数的断层活化判别准则;于秋鸽等[9]基于滑移力学模型中不同影响因素下断层活化的可能性,认为断层带岩体的应力变化是导致断层滑移的原因;姜耀东等[10]采用数值模拟采动中断层模型,认为采动中逆断层法向应力变化早于剪切应力,上盘推进时断层影响范围约为60 m;任政等[11]根据库伦准则,采用FLAC模拟得到了逆断层活化危险程度可用滑移倾向指标衡量。大部分研究集中在断层活化的数值模拟方面,但实际断层的赋存环境和煤层开采的地质条件极为复杂,受模型类型、边界条件等因素制约,对实际生产指导意义有限[12-13]。还有些学者针对断层活化突水的机理展开了理论和数值模拟研究,采用相关的地球物理方法进行了试验,取得了一系列成果[3-4,14-20]。
鄂尔多斯煤田东部石炭-二叠系煤层综放工作面具有大采高、埋藏深的特点,底板面临承压奥灰岩溶水的威胁,当工作面内存在断层时,可能会因采动应力场变化导致断层活化导通奥灰岩溶水,造成突水事故,区域内已经发生几起断层活化突水的案例。目前对该煤田的研究大多关注于采动应力场或断层活化本身,对动态裂隙发育程度、是否导通含水层、采动多参数监测手段的研究较少。笔者以该区域内607工作面过倾斜断层为背景,基于现有数值模拟成果、微震监测、电阻率监测、水量监测等手段[21-22],对巨厚煤层综放工作面断层活化和突水规律及防治措施进行研究,以期为该区域内断层活化突水防治工作提供参考。
龙王沟煤矿位于鄂尔多斯煤田东部、天桥泉域西部的径流排泄区,目前主要开采石炭-二叠系太原组煤层,井田范围内断层较为发育。
607工作面开采石炭-二叠系太原组的6号煤层,煤层厚18.18~25.83 m,属特厚煤层。工作面设计倾向长度245 m,回采长度约1 200 m,采用综采放顶煤一次采全高开采工艺。607工作面主要揭露逆断层DF3,走向近SN向(5°~10°),巷道揭露断距8.5 m,揭露断层倾角26°,断层在工作面内延展长度约280 m。
煤层顶板充水水源主要有山西组砂岩含水层和上、下石盒子组砂岩含水层。山西组砂岩含水层厚度约21.2 m,距6号煤层顶板约25.1 m;下石盒子组砂岩含水层厚度约59.6 m,距6号煤层顶板42.3 m;上石盒子组砂岩含水层厚度约85.4 m,距6号煤层顶板161.5 m,该含水层富水不均一,存在局部富水区。煤层底板标高处于奥灰水水位以下103~181 m,工作面底板距奥灰顶界面约50 m,奥灰水水头压力1.03~1.81 MPa,工作面突水系数0.034~0.053 MPa/m。
经过采前一系列物探、钻探探查及疏放,工作面回采面临的主要水害威胁来自DF3断层活化导通顶、底板含水层。
基于任政等[11]的研究成果,运用FLAC3D软件对开采扰动下逆断层活化诱冲进行数值模拟,结果显示断层临近破坏时,剪切力与法向应力的关系如下:
(1)
式中:φif——接触面节点内摩擦角度,(°);
τmax——临近破坏时断层面最大切应力,MPa;
σn——断层面法向应力,MPa。
定义断层面任意时刻的切应力τ与法向应力σn之间的比值为滑移倾向性Ts:
(2)
式中:Ts——滑移倾向性;
τ——断层面任意时刻的切应力,MPa。
当Ts≥tanφif时,判断该接触面节点发生破坏开始活化,反之认为还处于弹性状态。由此模拟结果显示,当工作面位于断层下盘开采时将采动影响下逆断层活化过程分为:准静态、活化阶段及滑移错动3个阶段,具休见表1。
表1 断层活化阶段
活化过程采面与断层距离/m应力状态准静态127水平应力主控,错动趋势显现活化阶段67进入活化状态,滑移量较小滑移错动阶段27断层明显错动,滑移量增大
其他学者采用不同模拟参数的数值模拟成果也显示,断层活化最易活化阶段介于工作面距离断层10~40 m。为了对比数值模拟结果和实际测试工作面开采过程中围岩破裂和构造活化信息,预警断层活化突水灾害,采用智慧矿山建设的井-地环网开展了一系列的监测。
在607工作面距离辅运巷揭露DF3断层400 m位置布置微震监测系统,共布置12个检波器,分别在工作面主运巷道和辅运巷道各布置6个,其中2个顶板检波器、4个底板检波器,检波器间距100 m。工作面微震系统布置如图1所示。随着工作面回采,检波器进行移组重复使用。为方便研究,定义工作面距离辅运巷道揭露DF3断层400 m位置为回采开始,即回采为0 m。
图1 工作面微震系统布置
微震事件分布如图2所示。由图2可以看出,当工作面推进距离为140 m时,采动微震事件集中在断层DF3附近、辅运巷道外侧的DF3断层面事件能量较低;当工作面推进距离为279 m时,微震事件平面位置变化不大,但事件能量升高;当工作面推进距离为400 m时,微震事件平面均匀分布,事件能量降低。剖面上微震事件在煤层中、顶板和底板均有分布。
图2 微震事件分布
工作面回采期间微震能量与出水量曲线变化特征如图3所示。由图3可知,正常情况总能量低于50 kJ/d,当推进距离为243 m时(即距断层157 m),总能量突然升高至20 360 kJ/d,总能量高峰持续时间较长,从推进距离243 m持续到400 m(即距断层0 m),能量最高峰即首次暴涨日,期间总能量基本持续在5 000 kJ/d高位,期间微震事件的频次未发生明显变化。
图3 微震能量与出水量曲线变化特征
综上判断,在距离断层400 m时,断层受采动影响已进入准静态阶段;在距离断层157 m时,断层进入活化阶段,推断该阶段断层面的法向应力和剪切应力变大。
607工作面回采后,导水裂缝带能导通地表、煤层顶板含水层水顺着裂缝带导入采空区,然后沿巷道流至低洼处经抽水泵排出。每日采空区出水量特征如图3所示。
从图3可知,从回采0 m处,采空区出水量约为20 m3/h;回采至272 m时,采空区出水量开始增大,稳定在50 m3/h左右。
对比微震能量和出水量曲线分析,距离断层157 m时微震能量开始增大,距离断层128 m时采空区出水量增大,可以推测得到距离断层157 m时,断层开始活化,新的裂隙发育,导通煤层顶或底板含水层,导致采空区出水量变大,存在底板新发育导水通道导通奥陶系灰岩含水层的可能性,为监测底板导水通道动态发育的信息,开展了辅运巷道底板电阻率监测。
在工作面辅运巷道开展直流电法测深,监测采动过程中断层DF3附近巷道底板低阻区动态变化过程,推断底板奥灰含水层导水通道发育与否。在辅运巷道内断层DF3尖灭水平位置作为测线起点,推进距离330 m的位置为测线终点,总测线长度360 m,测点间距20 m,跑极间距10 m,因巷道空间限制采用三极测深,探查辅运巷道底板下75 m范围内岩层电阻率分布规律。每日采集1次数据,采用高斯-牛顿共轭梯度反演得到电阻率剖面,如图4所示。选取5 d的辅运巷道监测底板电阻率剖面成果图,可以分析得到:推进距离330 m(即距离断层70 m)时,在横向250~360 m、巷道垂深15~50 m处发现一低阻异常区,根据异常赋存形态及微震事件底板发育深度综合判断,该异常区位于砂岩层位,尚未形成垂向导水通道导通深部奥陶纪灰岩含水层;随着工作面回采,该低阻异常区形态有横向变化,垂向上一直未向深部奥陶系灰岩含水层延伸,直至推进距离470 m,完全离开异常区,工作面安全回采,采空区出水量未见明显增加。
图4 辅运巷道电阻率监测剖面
工作面内存在断层时,开采活动引起断层带上法向应力、剪切应力状态变化,可能造成断层活化形成新的导水裂缝带导通含水层,造成采煤工作面突水灾害,需采用多参数的监测手段。
在断层活化数值模拟的基础上,断层活化3个状态(准静态、活化阶段和滑移错动阶段)所对应的滑移错动量不同,采用微震监测断层附近微震事件频次和能量,辅以应力变化监测手段监测断层活化状态。
监测到断层进入活化阶段后,控制工作面推进速度。通过控制工作面推进速度可减小回采对断层的扰动,使断层构造应力释放过程更加平缓和均匀,防止出现大能量震动事件。
基于微震和应力监测手段不足以判断导水通道的发育,在断层进入活化阶段后,需采取电阻率和水情监测手段,动态监测纵向导水裂缝带发育和水量变化情况,辅以微震事件的纵向发育和含水层水文变化特征,推断断层活化导水通道的动态发育特征[23]。
(1)在现有断层活化数值模拟的成果上,将断层活化分为准静态、活化阶段和滑移错动阶段,微震监测成果显示距离断层400 m时断层即进入准静态阶段,距离断层157 m时进入活化阶段,接近断层附近时断层未进入滑移错动阶段,通过断层与巷道交叉点后应力释放恢复至原岩状态。
(2)工作面采动影响致断层进入活化阶段后,导通采空区出水量变大,采用电阻率监测巷道底板垂向导水裂缝带动态发育情况,能预警导通奥陶系灰岩含水层的导水通道。
(3)针对断层活化的大部分理论研究方法在模拟时进行了简化,在分析断层构造应力、活化和导水因素的综合影响等方面具有局限性,在实际采煤过程中应采用多维、多参量的全过程监测手段,对重点区域进行监测、预报预警,防止断层活化突水。
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WANG Cheng. Study on water conducting law of activated fault in fully mechanized top-coal caving face in extremely thick coal seam [J]. China Coal,2023,49(3): 36-41.DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2023.03.006