本文在采动诱发断层突水相关研究的基础上,系统性考虑采动岩体破裂与断层破碎岩体的冲蚀作用,构建了工作面采动破坏与断层内部颗粒冲蚀协同致灾时空演化力学模型;数值模拟研究了采动岩体变形破坏、断层内颗粒运移以及渗流通道演化特征,系统性阐释了采动诱发断层突水的渗流灾变时空演化机制。
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采动岩体损伤与断层冲蚀协同致灾时空演化机制
随着我国煤矿开采逐渐向深部延伸,重大灾害发生的几率呈增长态势,其中突水是最为严重的矿井灾害之一。据统计,在2012—2022年间,全国煤矿共发生水灾致死事故118起,死亡450余人。研究表明,我国高达80%以上的突水事故与断层相关,因此,断层突水害防治一直是地下工程研究的热点与难点。
多年来,相关研究人员针对断层突水机理开展了大量研究,并取得了丰硕的研究成果。李博等通过理论分析并建立了断层突水的Forchheimer非达西流、N-S非线性渗流模型,并对巷道富水型断层突水动态过程进行了数值模拟分析。史莉红等将相似材料实验平台与自制承压水导升系统相结合,对注浆前后工作面推进过程中断层带围岩应力演化、裂隙发育以及承压水导升特性进行了系统研究。刘树才等通过试验给出了采动过程中煤层底板岩层产生导水裂隙时的导电性变化规律,并以此为基础建立底板采动导水裂隙带动态演化地电模型,利用三维电法正演软件对此地电模型进行正演数值模拟,得出煤层底板导水裂隙演化过程中的视电阻率响应特征。黄存捍等针对煤层底板隐伏小断层突水过程,应用RFPA−FLOW2D软件进行模拟计算分析。结果表明:在矿压和水压共同作用下,煤层底板破坏过程经历了小断层活化、小断层活化区扩展和裂隙贯通3个阶段;隐伏小断层越发育,底板破坏区贯通强度越大,煤层底板发生突水的可能性也越大。ZHANG等探讨了任楼煤矿主要含水层在开采作用下的水化学时空演化规律,收集了不同时期3个主要突水含水层的地下水样品,分析其主要成分,建立突水源判别模型。SUN等使用Comsol数值模拟软件,分析了含隐伏断层的煤层底板突水通道的形成和演化规律,结果表明,随着工作面的推进,应力逐渐集中在隐伏断层附近,且断层内部的流速远大于底板中的流速,表明隐伏断层大大增加了煤层底板突水危险性;ZHENG等提出了一种新的参数“活化系数”来描述断层带活化过程,并建立了活化系数与渗透系数的功能函数关系,利用不同情况的数值案例来确定该函数参数,最后提出了1种突水风险评价方法。杨善安较为细致地阐述了断层位置及要素与断层突水之间的关系,研究了最容易发生工作面断层突水的断层位置。杨映涛等开展了底板断层突水的相似模拟实验研究,分析了断层位置和断层倾角对其突水的影响。刘燕学研究了断层影响下煤层底板突水机理,表明断层带的存在大大增加了底板突水的危险性;李海龙等针对工作面推过底板后,底板裂隙破坏深度会出现滞后加深的现象,以某矿现场地质条件为依托,采用相似模拟手段,模拟得到采动动载作用下底板岩层裂隙演化的规律;武强等对于断层滞后突水弱化机理及主控因素进行了深入研究,提出了煤层底板断层突水时间弱化效应的新概念;周钢等采用相似模拟手段,分析了煤层开采顺序、煤柱尺寸及推进方向对断层突水的影响;张庆艳等利用可考虑质量迁移及地应力状态的突水突泥试验系统开展了不同条件下的断层破碎带突水突泥灾害演化过程模拟试验,研究结果表明断层内的充填物颗粒迁移是诱发断层突水的重要原因。煤矿断层突水是采动应力和承压水共同作用的结果,也可归结为断层裂隙扩展和断层突水通道的形成过程。黄润秋等从断裂力学角度出发,对深埋隧道突水过程中的水力劈裂作用进行分析,给出了突水发生的临界水头压力值以及裂隙开度的变化值,可间接得到流固耦合作用下裂隙岩体的渗透系数;马丹等构建了弱胶结断层岩体蠕变–冲蚀耦合突水模型。该模型拓展了连续等效介质渗流理论,研究了弱胶结断层岩体突水灾变过程的时空演化特征。张玉军等通过分析底板采动应力场空间分布规律,构建含隐伏断层底板承压水导升力学模型,并基于半无限体理论推导了采动影响在底板空间的应力传递规律表达式,通过FLAC3D模拟分析了隐伏断层倾角对承压水采动导升规律的影响。
综上所述,针对采动诱发断层突水问题,国内外学者进行了大量研究,相关学者普遍认为在采动影响下,工作面附近煤岩层在卸荷作用下产生损伤破坏,造成裂隙扩展并沟通了导水断层,最终诱发了断层突水。笔者在总结相关研究成果的基础上,提出了断层突水的概念模型,认为采动裂隙导通断层是诱发断层突水的必要条件而非充分条件。断层破碎带内部由弱胶结岩体构成,孔裂隙高度发育,内含泥质填充物,胶结强度低,受冲蚀作用影响,填充物发生迁移运动,造成岩体裂隙扩展,渗透率变大,这是诱发断层突水的另一个必要条件。因此,笔者认为在围岩采动破坏与断层内部颗粒冲蚀协同作用下,围岩损伤裂隙与断层相连通,形成了从含水层—断层—采动裂隙—工作面的渗流路径,最终引起工作面突水,如图1所示。
图 1 工作面围岩采动破坏与断层内部颗粒冲蚀协同突水概念模型
图 2 岩体损伤−渗流几何模型
图 3 岩体渗透率演化
图 4 破碎岩体冲蚀−渗流几何模型
图 5 耦合关系示意
图 6 数值计算模型示意
图 7 工作面不同推进距离条件下塑性区分布云图
图 8 工作面不同推进距离条件下垂直应力分布云图
姚邦华,男,1984.12月生,山东潍坊人,博士,副教授,硕士生导师。本硕博均为工程力学专业,师从中国矿业大学缪协兴教授,博士毕业后加入魏建平教授为带头人的“煤岩瓦斯复合动力灾害防控”教育部创新团队,团队以张铁岗院士为首席学术顾问,多年来一直从事力学和矿山安全交叉领域方面的基础和应用研究工作。近年来,主持并完成国家自然科学基金、河南省自然科学基金、中国博士后科学基金等省部级以上科研项目5项;作为主要完成人参与完成国家自然科学基金、省部级科研项目10余项;主持或作为主要完成人承担企业委托横向课题近10项。此外,近年来在《煤炭学报》《Rock Mechanics and Rock Engineering》等期刊发表高水平论文20余篇,出版专著1部,授权发明专利10余项,获得河南省科技进步二等奖、中国煤炭工业科学技术进步二等奖等省部级以上奖励5项,具备完成攻读博士后期间预期成果的资历和条件。
研究方向
矿山岩石力学
主要成果
近年来,主持并完成国家自然科学基金、河南省自然科学基金、中国博士后科学基金等省部级以上科研项目5项;作为主要完成人参与完成国家自然科学基金、省部级科研项目10余项;主持或作为主要完成人承担企业委托横向课题近10项。此外,近年来在《煤炭学报》、《Rock Mechanics and Rock Engineering》等期刊发表高水平论文20余篇,出版专著1部,授权发明专利10余项,获得河南省科技进步二等奖、中国煤炭工业科学技术进步二等奖等省部级以上奖励5项。
来源:
姚邦华,李硕,杜锋,等. 采动岩体损伤与断层冲蚀协同致灾时空演化机制[J]. 煤炭学报,2024,49(5):2212−2221.