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基于隔水关键层原理的断层突水机理分析


第26卷第1期
2009年03月

采矿与安全工程学报
Journal of Mining&Safety Engineering

V01.26

No.1

March 2009

文章编号:1673—3363(2009)01—0087一04

/>基于隔水关键层原理的断层突水机理分析
李青锋,王卫军,朱川曲,彭文庆
(湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,能源与安全工程学院,湖南湘潭41 1201)

摘要:因煤矿突水中大部分突水是与断层破裂带有关,应用隔水关键层原理分析断层突水机理 是非常有必要的.首先根据断层的形成机理及其位置分析了断层突水的原因,探讨了煤层断层的 突水条件;然后基于隔水关键层原理建立了含隔水断层的隔水关键层活化力学模型,理论解析了 隔水断层在矿压和水压作用下的断层活化滑移条件,最后分析了顶、底板隔水断层的断层活化突 水机理,得出了在矿压和水压共同作用下的断层采动活化突水条件. 关键词:隔水关键层;煤层断层;断层活化;突水机理
中图分类号:TD 745

文献标识码:A

Analysis of Fault
on

the Principle

Water—Inrush Mechanism Based of Water—-Resistant Key Strata
Wei-j un,ZHU
Chuan—qu,PENG

LI Qing—feng,WANG

Wen—qing

(Hunan Key Laboratory of Safe

Mining Techniques of Coal Mines,School of Energy

and Safety Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan,Hunan 411201,China)

Abstract:Because most of the water—inrushes in coal mine
very necessary

are

related

to on

the faulted zone,it iS the principle of water-

for

US

to

analyze fault water-inrush mechanism based
to

resisting key strata.First of all,according tion,we analyzed
reason

the fault formation mechanism and the fault posi—

of the fault water—inrushing and discussed water-inrush condition of
on

the coal seam.Then,based

the principle of water-resisting key strata,the mechanical model
strata

of fault activating is established for the water-resistant key the slip activation conditions of water—resisting fault
are

with water—resisting fault;

also analyzed.Finally,the water—in-

rush condition of fault activation after coal extraction is summarized through analyzing water- inrush mechanism. Key words:water—resistant key strata;coal seam faults;fault activation;water—inrush mecha— nism

随着煤矿生产规模的不断扩大,煤矿水害已成 为制约煤矿安全生产的重要问题.由于断裂构造带 内裂隙比较发育,岩体破碎,给承压水的导升和断 裂带的开裂制造了空间,在煤矿突水中75%的突 水是与断裂构造带有关.针对断层突水机理,许多 学者对此进行了较为广泛的研究,采用的主要方法 有:岩体断裂损伤理论L卜引,矿山压力理论[3],渗流一

损伤耦合理论‘引,相似模拟‘引,数值模拟睁43等.隔 水关键层是保水开采与突水灾害防治基础理论研 究中的矿压力学模型,该力学模型对于煤矿突水机 理及其防治技术研究具有极其重要的指导意义.因 此,本文应用隔水关键层原理对含断层顶、底板的 阻隔水性能进行分析.

收稿日期:2008—04—13 基金项目:国家重点基础研究发展计划(2007CB209400);国家自然科学基金重点项目(50634050) 作者简介:李青锋(1970一),男,湖南省新宁市人。博士。从事采矿工程、工程检测等方面的研究.
E-mail:liqingfen90712@163.coin
Tel:13875209359

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采矿与安全工程学报

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1隔水关键层原理
一般突水工作面到水源之间会被若干层岩层 所阻隔,而各岩层由于其分层特性和所处采动岩体 中的位置不同,其隔水性能是不同的,水最终需要 穿透的那部分岩层或最终被阻隔住的岩层被称为 隔水关键层¨邯j.隔水关键层具有3层含意:其1, 水源与工作面之间有明显的较厚软弱隔水层(例如 厚表土层),则不易形成突水灾害;其2,假设煤层 上部含水层在结构关键层的上方,或煤层下部含水 层在结构关键层的下方,如果结构关键层采动后不 破断,则结构关键层可起到隔水作用,同时就是隔 水关键层;其3,如果结构关键层采动后会发生破 断,但破断裂隙被软弱岩层所充填,裂隙被弥合,不 形成渗流突水通道,则结构关键层与软弱岩层组合 形成复合隔水关键层.水要突破隔水关键层有2条 途径,即天然构造通道和采动裂隙贯通,无论那l 条通道被贯通或2条通道被同时贯通,突水通道也 即形成. 隔水关键层是保水开采与突水灾害防治基础 理论研究中的矿压力学模型,隔水关键层既区别于 岩层控制的结构关键层,但也有内在联系,隔水关 键层有3层含义,即软弱层岩性隔水、坚硬岩层结 构隔水和裂隙通道弥合隔水.

对于小断层这种煤层结构凹],其仅出现于煤层 (尤其是厚煤层、中厚煤层)、顶板或底板内,是平面 分布不大、垂向距离有限的小型地质构造,煤层中 各岩层对小断层的影响,越靠近煤层,其影响越明 显,越远离煤层则影响越小,~般超过50 m后其 影响可以忽略.因此,根据断层与采场的关系,可将 断层分为两种情况:1是切穿煤层的断层,2是埋藏 型断层.


在非采动条件下,断层是否具有隔水性能关键 要看断层带是否能够成为充水通道,这主要取决于 断层带断裂面力学性质.根据断层的形成机理,断 裂面可分为压性断裂面、张性断裂面和扭性断裂 面.对于压性断裂面,由于压性断裂面所受的压应 力最大,因此其结构面内的破碎充填物多为角砾岩 和糜棱岩,同时断裂面本身也非常紧密,故其突水 性较差,且相对地起隔水作用;对于张性断裂面,张 性断裂面是由拉伸作用力产生的,张裂程度大,断 裂面的充填物多为尖角状或棱角状大小不等的角 砾岩,孔隙多、孑L隙度大,而且断裂面两侧常伴生有 低序次的断裂面,为地下水的运移创造了条件,从 而相对地起导水作用;对于扭性断裂面,是由剪切 作用力产生的,结构面内有糜棱岩,两侧有规律地 排列着破碎角砾岩和棱体,其一般呈闭合型或较窄 的裂缝,且延展较远,发育深度大、层次多,故通常 也具有良好的导水性.因此,在非采动条件下,断裂 面为压性断裂时的断层才具有隔水性,为隔水断 层;在采动条件下,断裂面性质由压性断裂转变为 张性断裂或扭性断裂时,隔水断层活化为导水断 层. 2.2煤层断层的突水条件 对于切穿煤层的小断层,随着工作面推进,煤 层顶板的垮落,底板的底鼓导致断层全部活化,缩 小了隔水关键层的有效厚度,当达到突水系数临界 值时,引发突水.因此,对于切穿煤层的小断层,防 治突水的措施是提高断层垂向延伸距离的预测精 度或采取有效的堵水措施.另外,断层全部活化后, 阻止了顶板岩体载荷向前方顶板岩体中转移,以致 前方煤岩体中支承压力减小,支架工作阻力加大. 对于埋藏型断层,断层隐藏于煤层顶、底板岩 层中,与煤层的顶、底板存在一定距离,设为h。,如 图1所示.当ho小于零时,埋藏型断层变为切穿煤 层的断层,此时小断层处于底板导水破坏带、顶板 垮落带、顶板裂缝带之中,断层活化;若断层与承压 水体间有效隔水层厚度不足以抵抗承压水体水压, 则小断层突水.当h。大于零时,若^。大于底板导

2断层突水力学模型及其理论分析
2.1煤层断层及其隔水性能分析 众所周知,矿井地质构造是影响煤矿建设和生 产的各种地质因素中最重要的因素之一.地质构造 包括褶皱、断层和节理.地质构造按其规模和对生 产的影响程度可分为大、中、小3种类型.大型构造 是指决定整个井田总体形态和井田边界的大型褶 曲、大型断裂等,它们一般在勘探阶段即以查明,在 矿井设计中就留设了足够的防水煤柱,一般难以突 水.中型构造是指在井田范围内影响采区划分和巷 道布署的次一级褶曲或断层,它们对煤矿生产影响 极大,在采区准备、工作面回采之前就已查明,一般 在采区设计中作为采区边界并留设防水煤柱来防 止突水.小型构造是指那些在单个巷道或工作面中 比较容易查明全貌的更次一级的褶曲和断层,它们 的出现也会给采掘工作增加困难,并在采动支承压 力作用下容易引发突水.统计表明,有约80%的煤 与瓦斯突出和矿井突水淹井事故是由小断层引起 的L7j,本文重点对小断层(落差小于5.0 m或略大 于煤层厚度的断层)的突水机理进行研究.

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李青锋等:基于隔水关键层原理的断层突水机理分析

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水破坏带高度(或顶板垮落带、裂缝带高度),则应 视断层是否为隔水断层来确定隔水关键层的有效
厚度.
煤层 含水层

的,则为含隔水断层的切穿隔水关键层,此隔水关 键层的隔水性能取决f断层带采动活化的隔水性 能;若断层为导水的,则有效隔水关键层厚度必须 减去断层带的垂向延展高度. 2.3含隔水断层的隔水关键层突水力学模型 按照隔水关键层的含义,隔水关键层中的隔水 断层应是弥合隔水的,即可把断层上下盘看作是压 接咬合的.采动后,隔水断层在采动、矿山压力、地 温应力、水应力、构造应力等共同作用下产生滑移、 张开,最终导致突水.根据断层在工作面的位置的 不同,断层突水时隔水关键层的边界条件是不同 的,也即可把隔水关键层的结构力学模型简化成各 种边界条件的矩形薄板.据此建谚突水力学模型如

图1埋藏刑断层示意图
Fig.1 Buried fault

图2所示,梁上均布载荷g为含水层的水压和矿压 的综合表现,梁长L,L为工作面基本顶初次来压 步距或周期来压步距.
厢水断层带

按照隔水关键层的概念,若上图断层是隔水
。y

隔水关健层 /







纱‘…黝缪黝”∥…鳓彩…锄獬……缈……
§

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Fig.2

。∥‰,、。‰‰船眺。…锄一..。_…轧帆i。克……。点。I~踢 /x f
图2断层突水力学模型 Mechanical model of fault water-inrush

由结构力学知:两端嵌同梁受均布载荷(水压、 矿压)g作用时,在两固定端产生的约束力为竖向 力和弯距.由弹性力学理论L90可得梁内各点的应力
分量为

设断层带某个微单元与错动滑痕的夹角为口, 则错动滑痕上的的剪应力和正应力分别为
_r一叮l sin乜一盯3COS
d,

(2) (3)

口。=口1 COS口+盯3sin口.

一6^q。y(等一)+警(等一詈),
d,一一号(,+茅)(?一挚)2,


而断层面的抗剪强度为(按岩石为饱和状态)
r。一C+(口。一p)tan妒.
(4)

式中:P为断层带裂隙中流体压力;C为断层层面的 黏聚力;妒为内摩擦角. 式(2)减去式(4)得剩余剪应力r’为
r7一盯l(sin口一COS atan妒)一

岛=一等(等叫),
式中h为含断层的隔水关键层的厚度. 由式(1)可求得隔水断层带某一微单元的最大 盯。(压为正),最小主应力cr3,从而建立该微单元内 与断层面平行的断层错动滑痕的力学模型如图3.

盯3(COS口+sin atan妒)+ptan妒一C.(5)

则断层产生滑移变形的条件为:r7≥O,也即断层滑 移的条件为:r7≥o.

3断层活化机理分析
从前面的断层隔水性能分析中可以认为,在采 场支承压力作用下,断裂面性质由压性断裂转变为 张性断裂或扭性断裂的过程称为“采场断层活化”. 由图3可以看出:当断层带最大主应力表现为拉应
图3断层错动滑痕力学模型
Fig.3 Slip mark mechanical model of fault dislocation

力时,断裂面性质由压性断裂转变为张性断裂,断 层活化;当断层带剩余剪应力f7≥0时,断裂面性

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采矿与安全工程学报

第26卷

质由压性断裂转变为扭性断裂,断层活化. 对于如图2所示含隔水断层的底板隔水关键 层,当断层处于工作面初采初放地段,采动支承压 力近似于零(底板卸压),底板隔水关键层|:方仪有 隔水关键层与煤层底板之间的自重载荷,自审载荷 与承压含水层的水压之合力q>0是断层活化的基 本条件,在q作用下的断层带剩余剪应力r 7>to是 隔水断层活化的必要条件.另外,若在q作用下的 断层错动滑痕上法向正应力d。由压应力变为张应 力,即使断层的断裂面性质由压性断裂转变为张性 断裂,从而使断层活化. 对于如图2所示的含隔水断层的顶板隔水关 键层,当断层处于工作面初采初放或周期来压地段 时,采动支承压力为kyH(走为采动支承压力集中 系数、y是岩石容重、H是隔水关键层上方岩层厚 度),即q—kyH.在q作用下的隔水断层的下半部 受拉,使断层下半部的断裂面性质由压性断裂转变 为张性断裂,若断层上半部断层带剩余剪鹿力r7≥ 0,则断层上半部分沿错动滑痕错动,从而使整个断 层活化,最后在水压作用下使断层突水.


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由于断裂构造带内裂隙比较发育,岩体破碎, 给承压水的导升和断裂带的开裂制造了空间,在煤 矿突水中大部分突水都与断裂构造带有关.针对断 层突水,本文应用隔水关键层原理对顶、底板隔水 关键层巾隔水断层的活化突水机理进行分析. 1)分析了煤层断层突水的原因及其采动活化 过程,提出“采场断层活化”是以断裂面性质由压性 断裂转变为张性断裂或扭性断裂为标志; 2)根据断层与隔水关键层的位置,对不同类 型的隔水断层活化突水条件进行了分析,为断层活 化突水机理研究奠定rr基础; 3)基于隔水关键层的力学概念建立含隔水断 层的隔水关键层活化突水力学模型,提出了在矿压 和水压共同作用下的断层采动活化突水条件及其 突水机理. 参考文献:
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基于隔水关键层原理的断层突水机理分析
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 李青锋, 王卫军, 朱川曲, 彭文庆, LI Qing-feng, WANG Wei-jun, ZHU Chuan-qu , PENG Wen-qing 湖南科技大学,煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,能源与安全工程学院,湖南,湘潭 ,411201 采矿与安全工程学报 JOURNAL OF MINING AND SAFETY ENGINEERING 2009,26(1) 1次

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引证文献(1条) 1.李青锋.王卫军.彭文庆.彭刚 断层采动活化对南方煤矿岩溶突水影响研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2010(z1)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ksylydbgl200901017.aspx


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