断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究.docx
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断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究
断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究
卜万奎,茅献彪
(中国矿业大学理学院,江苏徐州221008)
摘要:
针对含断层缺陷底板的受力特征,建立相应的简化力学模型,分析得到断层面上的剪切应力和法向应力表达式,并研究断层倾角对断层面上剪切应力、法向应力及断层活化的影响规律。
同时运用RFPA2D-Flow软件,模拟不同倾角的正断层在采动影响下底板的裂隙分布、渗流分布及采空区底板涌水量变化特征。
模拟结果在一定程度上揭示含断层构造底板突水通道的形成机制及断层倾角对底板突水的影响规律。
研究表明,断层倾角越大,断层越容易活化与突水。
研究结果对采场底板含断层缺陷时防水煤柱的留设具有重要的参考价值。
关键词:
采矿工程;断层倾角;断层活化;突水
1引言
矿井突水是与瓦斯突出、顶板来压等并列的煤矿开采中的重大灾害之一。
近年来,随着煤矿开采不断向深部延伸及开采强度的日益加大,煤矿突水事故发生的频度显著增加。
矿井突水事故的原因较多,但研究结果表明,煤矿采场工作面底板突水事故的79.5%是发生在具有断层等构造缺陷的底板中。
有关煤矿断层突水机制的研究,前人已经做了很多工作,为我国煤矿安全状况的改善起到了重要作用。
一般地,在开采正断层上盘煤层时更容易发生突水,断层活化突水的影响因素众多,断层倾角是引起突水的主要原因之一。
因此,本文就断层倾角这一因素对正断层活化及突水的影响进行研究,以期对断层突水机制有进一步认识及对煤矿安全生产有进一步提高。
2断层倾角对断层活化机制的力学分析
2.1断层活化机制的力学分析
煤层开采之前,岩体处于原始应力的平衡状态下;而煤层开采后,处于自然平衡状态的应力场将发生改变,原岩应力重新分布,工作面围岩出现应力集中现象。
根据矿山压力控制理论或岩层控制的关键层理论,在采场推进方向上,煤层底板支撑压力峰值在工作面煤壁前方和切眼煤壁后方一定距离内,而采空区底板由于垮落岩体被压实,其支撑压力逐渐恢复到原岩应力值γH,如图1所示。
对于长壁开采工作面,沿工作面推进方向取采场中部围岩体为研究对象,可近似视其为平面应变问题。
假定采场底板岩体为弹性岩体,采场底板支撑压力如图1所示,其中:
①,⑦区域为原岩应力分布区,视为均布载荷;应力增高区中的应力简化为线性增加(③,⑤区域);应力降低区中的应力简化为线性降低(②,⑥区域);采空区中由于岩体被压实而作用在底板上载荷简化为均布载荷(④区域),为原岩应力的α倍(取α=0~1)。
设断层面与x轴正向夹角为θ;工作面位于点d处,工作面前方应力集中系数为K1,应力峰值点在底板上投影为点c,工作面前方应力降低区中降低到原岩应力的点在底板上投影为点b;开切眼位于点e,开切眼后方应力集中系数为K2,应力峰值点在底板上投影为点f,开切眼后方应力降低区中降低到原岩应力的点在底板上的投影为点g;断层与煤层的交于点a。
ab,bc,cd,de,ef及fg的距离分别为S1,S2,S3,S4,S5及S6。
断层面上任意一点O坐标为(z,x)。
根据弹性理论中半平面体边界上受法向分布力的应力分析,经推导得出作用在采场底板的支撑压力(①~⑦区域)对断层面上任意一点O引起的σs,σx和τsx表达式为
式中q0为底板垂直方向上的原岩应力,ξ为变量。
由此可以得到支撑压力作用下断层面上的法向应力和剪应力分别为
2.2断层倾角对断层活化的影响
由于式(4),(5)不易化简,因此,采用软件编程将其数值化。
考虑到采场底板断层岩石为脆性材料,断层活化过程实际上是断层的开采盘沿断层面产生剪切运动的过程,其破坏符合压剪破坏机制。
因此,研究断层倾角对断层面上剪应力、法向应力的影响,即可分析对断层活化的影响。
如图1所示,对于正断层而言,θ即为断层倾角。
因此,研究断层倾角对断层面上剪应力、法向应力的影响,即为θ取值不同的情况。
煤层埋深H=800m,岩层重度γ=24.53kN/m3,S1=50m,S2=S6=20m,S4=70m,S3=S5=10m,K1=3.5,K2=2.5,α=0.8,z=0~150m,而θ分别取25°,35°,45°,55°,65°,75°及85°。
计算得到断层倾角不同时正断层面上的剪应力和法向应力分布,见图2,3。
其中图2为断层倾角不同时断层面上的剪应力分布。
图3为断层倾角不同时断层面上的法向应力分布。
从图2可以得出:
(1)断层倾角越小,断层面上的剪应力正负交替变化越剧烈。
例如θ=25°时,深度在0~15m范围内的断层面上剪应力在-0.3~0.0MPa之间变化;深度在15~35m范围内的断层面上剪应力为0~4.8MPa;而深度在35~60m范围内的断层面上剪应力又为负值;深度在60~90m范围内的断层面上剪应力却又为正值。
(2)随着断层倾角的不断增大,断层面上剪应力变化程度减缓,而且剪应力峰值也不断减小,并且剪应力峰值不断向深部移动的趋势。
例如θ=25°时,剪应力峰值为4.8MPa,剪应力峰值位置在深度为22.5m处;而θ=85°时,剪应力峰值为-1.5MPa,剪应力峰值位置在深度为50m处。
采动条件下,小倾角正断层在正负交替、峰值较大的剪应力作用下,产生2种结果:
①断层带内及断层带附近原有裂隙发展;②断层带内及断层带附近可能导致新的剪切裂隙产生。
这说明相对于大倾角断层来说,小倾角断层易使正断层带活化,进而造成突水。
从图3可以得出:
(1)断层倾角越小,断层面上的法应力变化越剧烈。
例如θ=25°时,深度在0~15m范围内的断层面上法向应力变化不明显;深度在15~60m范围内断层面上法向应力明显增大,最大为29.7MPa;而深度在60~150m范围内的断层面上法向应力却增幅不大。
(2)随着断层倾角的不断增大,断层面上法向应力分布逐渐趋于均匀,而其峰值不断减小。
例如:
θ=25°时,法向应力峰值为29.7MPa;θ=85°时,法向应力峰值仅为21.3MPa。
由于正断层属于张性断层,断层带内破碎岩石松散,其强度较弱,其值大约只有正常值的30%左右,容易产生压剪破坏。
而小倾角正断层相对于大倾角正断层来说,在采动影响下断层面上法向应力增幅较大,法向应力值较大,故小倾角正断层容易发生压缩破坏,易形成导水裂隙带,进而导致透水性增大。
由此说明小倾角正断层比较容易活化突水。
3断层的倾角对断层突水影响的数值
模拟在采动影响下,断层活化使得断层上、下盘之间由“黏接”状态转化为“断开”状态,从而为断层面成为突水通道提供了条件,但是断层活化并不是断层成为突水通道的充分条件,断层成为突水通道的充分条件是断层面中的裂隙张开并连通。
这里采用RFPA2D-Flow软件研究正断层倾角对采场底板突水的影响。
RFPA2D-Flow是一个渗流与应力耦合分析系统,具有应力分析、渗流分析、耦合分析、破坏分析4个方面的功能,可以很好地模拟裂隙的萌生、扩展及贯通的过程。
3.1数值计算模型
采用二维平面应变模型,水平方向取500m,垂直方向取200m,共500×200个单元。
模型左、右两侧为水平方向位移约束,模型底部为铅垂方向位移约束;含水层左右两侧施加6MPa水压力。
因本文重点研究采动条件下采场底板裂隙分布及渗流特性,所以将距离上盘煤层95m以上直至地表的上覆岩层等效为一重块(简称“等效块”),厚20m,其质量由上覆岩层厚度及密度来确定,为了避免等效块对计算结果的影响,其抗压强度人为增大至200MPa。
模拟开采正断层上盘煤层,开挖步距为5m,垮落法顶板管理。
根据断层倾角的取值,建立8个数值计算模型(见图4)。
岩层物理力学参数见表1。
3.2数值模拟结果
3.2.1底板破坏与裂隙分布特征
煤层开采前,煤层底板岩层中存在着原生裂隙结构面,它们相互交错、杂乱无章的分布,破坏了岩体的完整性。
当煤层开采后,在支撑压力作用下,原岩裂隙结构面产生不同程度的扩张、延展,新裂隙的产生及断层带、断层带附近的岩体中裂隙的“活化”,一旦底板产生具有连通性的裂隙结构面与承压含水层相接,承压水便由底板进入工作面,发生突水。
图5为采动条件下断层倾角不同时底板破坏及裂隙分布图,图中黑色部分表示裂隙,从图5可以得出:
(1)采动过程中,正断层底板软岩和硬岩均会发生破坏,产生裂隙。
如果说软岩的破坏使得底板失去了隔水性能,那么硬岩的破断则使得底板失去了承载能力,两者同时破坏时就使得隔水关键层失去阻水能力。
另一方面,由于断层在采动影响下产生活化,与此同时,含水层中承压水对断层带有软化、水楔及冲刷侵蚀作用,导致切入到含水层中的断层容易产生破坏。
(2)在其他条件相同的情况下,小倾角正断层较容易产生贯通的裂隙。
例如断层倾角为25°时,采场推进75m时就产生了明显的贯通底板、断层和含水层的裂隙。
而断层倾角为85°时,却在采场推进110m时出现上述贯通裂隙。
需要说明的是,在所显示的裂隙分布图中,由于对破坏单元的处理方式问题,使有些覆岩垮落的块体在没有接触或压实情况下,图示只是被简单地描黑处理。
3.2.2底板渗流分布特征
图6为采动条件下断层倾角不同时底板渗流分布及相应的底板垂直渗流速度曲线图,由此可以得出:
(1)采动影响下,由于含有断层构造的底板产生了贯通底板、断层和含水层的裂隙,渗流不可避免地以绝对优势发生在这些贯通的裂隙中,承压水沿贯通裂隙不断渗透软化并凭借势能由此逐渐渗出到煤层底板。
由于断层是岩体内最大的软弱面,在其影响带内,岩石破碎、松散,特别是正断层,挤压程度低,张开性好。
一旦断层裂隙中有承压水渗流时,其渗流速度将会发生突变。
(2)对于小倾角正断层,底板渗流主要集中在工作面下方,而对于大倾角正断层,底板渗流不仅集中在工作面下方,在采空区中部也有明显渗流。
这是由于小倾角的正断层在较短的推进距离下就产生贯通含水层的裂隙,且这些裂隙主要分布在工作面下方,承压水只能沿这一通道流动。
对于大倾角的正断层来说,由于采场推进距离较远,一方面由于底板破坏深度和范围增加,另一方面由于承压水对底板的渗流软化及冲刷作用,煤层底板逐渐形成一个新的导水通道。
图7为断层倾角不同时,采空区底板随采场推进距离涌水量。
从图7可以看出,在开挖初期,由于工作面距离断层较远,煤层底板没有形成贯通的导水通道,底板总涌水量非常小,不构成突水危险。
随着采场的推进,裂隙的发展、贯通,底板隔水能力的丧失,总涌水量迅速增加,当总涌水量超过1.00m3/min时,底板就由原来的渗水变为突水。
如断层倾角为25°时,工作面推进75m时,底板总渗流量到达了1.97m3/min,即此时发生了突水;对于大倾角的正断层而言,发生突水的推进距离要远一些,即断层倾角越小,底板总涌水量达到突水的推进距离就越短,换句话说,如果要阻止底板发生突水,则断层倾角越小时所需要留设的防水煤柱则越宽。
4结论
通过研究断层倾角对正断层活化及底板突水的影响,可以得出以下结论:
(1)断层倾角的变化,对断层活化的影响是不同的。
断层倾角较小时,断层面上的剪切应力呈正负交替变化,且峰值较大,使得断层带围岩内的原有裂隙进一步发育及新的裂隙不断萌生;小倾角正断层在采动影响下断层面上法向应力变化较大,法向应力峰值也较大,容易发生压剪破坏,易形成导水裂隙带。
因此相对于大倾角的正断层来说,小倾角正断层比较容易活化。
(2)数值模拟表明,采动过程中,小倾角正断层的底板容易产生贯通煤层底板、断层和含水层的裂隙,形成绝对优势的渗流,且渗流主要集中在工作面下方。
在较短的采场推进距离下,小倾角正断层底板就由原来的渗水变为突水,因此,相对于大倾角的正断层来说,小倾角正断层较容易引起突水危险,在实际生产中应留设较宽的防水煤柱。
选自《岩石力学与工程学报》2009年第2期
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