采场断层活化突水机理分析.pdf
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1、2023年8 月JinnengHoldingScienceandTechnology44第4期(总19 2 期)晋控科学技术采场断层活化突水机理分析张东让(山西大同大学建筑与测绘工程学院,山西大同0 3 7 0 0 3)摘要:针对回采工作面的底板断层及断层活化引起的突水,在分析采场断层活化突水机理的基础上,建立了力学分析模型并对断层活化和突水灾害的产生进行了分析、研究,得到了判断断层活化的剪应力准则。对断层最短突水路径进行了分析,建立了断层最短突水路径计算模型,该模型对类似地质条件下开采具有较大的意义。关键词:采场;断层活化;突水机理中图分类号:TD235.22文献标识码:B文章编号:10 0
2、 0-48 6 6(2 0 2 3)0 4-0 0 44-0 4D01:10.19413/ki.14-1117.2023.04.0111概述煤矿突水事故在煤矿灾害数量、死亡人数方面占较大比例。类型不相同的突水,其突水机理存在着差别,按照突水通道的形成原因,突水类型可以归为三种:断层型、断层活化型、矿压型2。断层型:采掘工程进行时直接揭露了富水导水的断层,造成突水通道的活化,水压就是突水的动力。断层活化型:胶结填充良好、不导水的裂隙闭合的断层,在矿压、采动破坏、水岩耦合力的相互作用下,断裂带的导水性增加,突水通道活化,造成突水。矿压型:工作面的岩层完整,无明显的构造裂隙,但是在采动的条件下,引起
3、了破坏,使有效隔水层的厚度有所减小,并且在水压的作用下,底板张裂破坏,形成了突水的通道。2迷断层的活化工作面底板突水事故中有8 0%左右发生在含断层等地质构造的位置 3 。由于断层和含水层之间直接沟通而造成的突水事故的比例偏少,大部分突水事故是由于地层本来具有的不导水的断层经过开采扰动破坏而造成,导致断层突水事故频发 4,也就是所说的断层活化。由于煤层开采产生的次生应力使得天然非导水断层活化,成为深部开采所面对的主要难题之一 5。首先断层的强度指标及变形模量在本质上变小,使岩体的力学特性发生变化,另外,岩石体本来具有的渗透特性被干扰严重。因断层水压的改变可导致岩体应力分布发生改变,同时因应力变
4、化造成孔隙的改变会影响地下水的流量与水的压力,它们两者之间相互影响。通常现场实践遇到了断层时既应该充分研究断层活化的干扰因素,又应该分析断层突水等现象。依据对采掘扰动中的底板的断层活化与突水机理进行理论研究,并运用合理的防治措施,为工作面安全高效的生产提供理论依据。3断层活化的力学模型结合现场的实际突水情况,在假定断层上、下盘均为弹性岩体的情况下,上下盘产生的剪切运动就标志着断层活化。如图1,建立断层活化的力学计算模型。BT,PA图1断层活化力学计算模型沿断层面的法向及其切向采取力学分析,断层面上的正应力,为:2023年第4期张东让:采场断层化突水机理分析45_cos 2-P.+0(1)2n2
5、断层面上的剪应力T,为:T,sin2(2)2通过摩尔库伦准则,可以获得断层面的抗剪强度T,的计算公式为:T,=c+o,tanp.(3)那么可以表示断层发生活化的条件就是:,T,结合公式(3)可以得到:T,c+g,tanop.(4)公式(4)为采动的底板断层活化的力学判断依据。下面在临界状态条件下进行分析,把公式(1)、(2)代人公式T,=c+,tan,整理后可得:g,+o.-g2c-(g,-0.)sin 2.(5)cos 2+P=222 tan上式即为采动干扰下断层活化的水压力,如果通过此计算获得的结果比此处的实际的水压力大,那么此断层通常没有发生活化,若计算结果比实际值小则将发生活化。上面计
6、算出的断层活化的临界水压力值用P临表示。根据矿山岩石力学理论,结合图1可以得到安全开采情况下公式5)中的水平应力,和竖直应力:的值:0,=KoH.(6)g,=入o,=入K.yH.(7)式中:K。为应力最大集中系数;为上覆岩层平均容重,MN/m;H为煤层埋深,m;入为侧压系数。把公式(6)、(7)代到公式(5)可得:K。H(1+)K.H(1-)Pcos 22临2(8)2c-K。H(1-)s i n 2 2 tan 公式(8)为断层在活化临界状态下的水压的理论模型。在不改变其他状态条件的前提下,如果断层的实际水压力P实大于P临,此时断层发生活化突水,底板发生突水。对公式(8)进行变换,可得:2c-
7、2P临tan 1临(9)上式为断层活化在临界状态下,通过理论推导出的工作面采掘的最大埋深公式。在不改变其他条件下,假设当工作面开采实际深度H实大于H断,那么断层受采动影响下发生活化,从而造成工作面底板发生突水事故。通过综合分析公式(8)和(9),得出结论:1)当断层工作面矿山压力值越大时,最大应力集中系数K与H之间存在负相关关系,K的值越大,H表现为越小。尤其是当开采坚硬顶板的煤层时,相比软弱煤层开采时更容易发生活化。2)当工作面断层倾角越大,H断也就越小,所以高角度的断层下盘比低角度断层下盘更容易活化,这也是造成采场断层突水主要原因之一。3)当工作面侧压系数入越大,H断越大,所以在水平构造应
8、力的影响比较明显的矿井中,断层不容易发生活化。4)当断层面的内聚力C愈大,H断愈大。压性断层与张性断层相比较,前者的内聚力表现地更高,且一般的情况下压性断层活化更不容易发生;向斜的轴部岩石一般受到的损坏比较大,断层面内部的内聚力不大,此时断层比一般情况下更容易活化。煤层在回采过程中,底板上部加载的支承压力达到底板强度的临界值或者超过临界值时,底板岩体相对应的区域内会发生塑性破坏,改变了岩体的性质,对采空区造成了底鼓的现象。发生塑性变形的岩体一般会向采空区方向发生移动,在移动的过程中产生了一个连续的滑移界面。由图2 可知,滑移面的边界与滑移线发生重叠,滑移线是由过渡区的对数螺旋线和主动与被动极限
9、区的两条线组合而成。H塑性破坏区含水层图2断层突水关键路径示意图Jinneng HoldiandTechnology2023年第4期46晋控科学技术被动区的滑移线与水平方向之间产生夹角,其中一般为岩体内部的摩察角。如图2 所示,一般假设开采后对底板深度产生破坏,破坏的深度为h:X,cos tan4h=(10)e2cosTT42式中:X。为煤层的屈服区长度,能够通过现场的实测而获得。如图2 所示,假设断层具有导水性能,当底板的破坏的深度与原来的在垂直方向的厚度减小到H,H为断层到底板滑移线之间的最短的距离。此最短距离即为发生突水时的最为关键的位置,与此同时也是最短发生突水的位置。在此位置承压水一
10、旦发生突水破坏,极易发生突水情况。图2 沿H选择一剖面,如图3 所示,L为工作面长度,然后任意选取厚度为8,的一个单元体。如果要使得隔水层带不被破坏,而且保护它的完整性,那么单元体沿着在z轴方向上能维持平衡的条件为:塑性破坏区86XHc+8,tanc+o,tan8z+d82PZ图3断层突水关键部位极限平衡分析(g,+do,)L-o,L-2(C+gx tan p)dz=0.(11)整理得:2tando2C(12)0L依据摩尔-库仑准则,岩体在即将破坏时应满足以下所列的极限平衡方程:g,-Ccotp1+sin(13)ax-Ccotp1-sin 1+sin=入,则1-sin1cot(14)X入入一将
11、式(14)代人式(12)da,_ 2 tan p2C(15)dz入L入解微分方程得:0,=Ae2Htangp/入L-Ctan .(16)当z=0,Q,=0时,代人(16)得:A=Ctano.(17)所以得:2Htanp/入Lg,=Ctanp(18)当Z=H时,将,=P 代人(18)得到合理隔水层可以承受的水压的极限值:2Htanp/入LP=Ctan(e(19)式中:C为隔水带岩层内聚力,kN/m;为岩层的内摩擦角,;H为滑移线到断层的最小距离,m;L为工作面长度,m。通过(19 式,得到:P入LIn1+CtanH=(20)2tan p式(19)为断层突水的判定标准,若断层中的水压力大于极限值,
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