陈四楼煤矿隐伏断层突水的力学判据研究.pdf

1142017 年第 7 期 收稿日期 2017-03-20 作者简介 李新明（1967-），男，山西平遥人，1990 年 7 月毕业 于焦作矿业学院，学士学位，地质高级工程师。就职于山西煤炭 进出口集团煤业管理公司地质测量部副部长，从事煤田地质，煤 炭防治水工作。 陈四楼煤矿隐伏断层突水的力学判据研究 李新明 （山西煤炭进出口集团煤业管理公司 山西太原 030006） 摘 要 利用有限元数值模拟技术，建立陈四楼煤矿隐伏断层的断裂力学模型，研究了最小主应力、断层倾角、断层延 伸长度和断层到底板松动区的距离四个因素对于临界突水水压力的影响。提出了以压剪裂纹扩展理论为基础的永煤集团陈 四楼煤矿隐伏断层突水危险性评价的力学判据，判断陈四楼煤矿现有设计具有较好的安全裕度，保守安全。 关键词 煤矿 隐伏断层突水 力学判据 中图分类号 TD745 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2017.07.048 Study on mechanical criterion of water inrush from hidden faults in chensilou coal mine of Yong coal mine Li Xin-ming Shanxi Coal Import Export Group coal industry management company, Shanxi Taiyuan 030006 AbstractUsing finite element numerical simulation, set up the fracture mechanics model of the hidden fault Chensilou coal mine, to study the effects of minimum principal stress and fault dip, fault extension length and the distance between the fault and the floor loose zone four factors on the critical water inrush pressure, based on the theory of compressive shear crack extension,the mechanics criterion of hidden fault water bursting risk assessment of Yongcheng Coal Group Chen si Lou coal mine is put forward , has good safety margin, conservative safety in judging the existing design of ChenSi Lou coal mine . Key words coal mine hidden fault water bursting mechanical criterion 永煤集团陈四楼煤矿井田位于永城断层西缘， 该断层为隐伏断层，走向北北东。该断层自 1996 年以来，发生过隐伏断层突水事故 6 次，其中四次 为太原组灰岩通过隐伏断层裂隙突水 [1]。因此永煤 集团陈四楼煤矿面临着隐伏断层突水的安全性评价 问题。本文尝试利用有限元数值模拟技术，建立陈 四楼煤矿隐伏断层的断裂力学模型，通过导水通道 的活化分析，给出突水的力学判据，为今后相关地 区的突水危险性评价提供相关的技术和经验。 1 陈四楼煤矿隐伏断层突水的力学判据 1.1 隐伏断层突水的因素分析 研究认为断层突水与很多因素有关。通常将隐 伏断层突水的临界水压力作为断层突水的力学指 标。相同工况下，临界水压力越大，则突水的危险 性越高。因此本文重点研究不同突水因素条件下的 临界水压力的变化情况。以永煤集团陈四楼煤矿为 例选择地应力状态中的最小主应力、断层倾角、断 层延伸长度、断层到底板松动区的距离共计 4 个影 响因素开展研究，试图通过这一系列因素与临界水 压力之间的关系，给出永煤集团陈四楼煤矿隐伏断 层突水的力学判据。 1.2 隐伏断层突水的力学模型及危险性力学评价 为了得到陈四楼煤矿隐伏断层突水的力学判 据。建立了简要的地质力学有限元模型。该模型使 用二维平面应力单元 [2]。断层使用接触单元进行模 拟，通过接触单元的接触力和切向力来给出库伦摩 擦。模型长度为 a，倾角设置为 α，力学平面内受 到最小主应力记作 σ3，渗透压为 p，如图 1。 在 ANSYS 环境下，通过调整最小主应力、断 层倾角、断层延伸长度和断层到底板松动区的距离， 研究永煤集团陈四楼煤矿临界破裂水压力的变化情 况 [3-5]， 计算结果如图2， 具体数值列于表1～表4中。 1152017 年第 7 期 图 1 隐伏断层突水的力学模型示意图 图 2 临界破裂水压力的变化情况 （1）断层倾角方面由图 2 和表 1 可以清晰 地发现随着断层倾角的增加，临界水压力不断增 大，当断层倾角近乎于垂直时，临界水压力则达到 了局部极值的 3.0MPa。而倾角为 0 时，临界水压力 约为 1.03MPa。 表 1 不同断层倾角下的临界水压力 断层倾角 / 度 临界水压力 / MPA 断层倾角 / 度 临界水压力 / MPA 0.05081.030.6772.11 0.1021.080.7622.31 0.1611.150.8552.51 0.2291.250.942.63 0.2881.341.022.78 0.331.441.192.93 0.3811.551.253.01 0.4571.691.413.05 0.551.841.513.05 0.611.971.63 （2）断层到松动区域的距离方面由图 2 和 表 2 可以清晰地发现随着断层到松动区域的距离 的增加，临界水压力不断增大，当断层到松动区域 的距离近乎于 45m 时，临界水压力则达到了局部极 值的 2.9MPa。而断层到松动区域的距离为 5m 时， 临界水压力约为 2.66MPa。 表 2 断层到松动区域的距离下的临界水压力 断层到松动区 域的距离 /m 临界水压力 / MPa 断层到松动区 域的距离 /m 临界水压力 / MPa 5.482.66222.77 6.922.6625.62.79 8.832.6729.92.82 11.52.6933.72.84 13.92.7139.72.87 162.72452.9 18.62.7448.82.91 （3）最小主应力方面由图 2 和表 3 可以清 晰地发现随着最小主应力的增加，临界水压力不 断增大，尤其是呈现出非常明显的线性特征。当最 小主应力近乎于 3MPa 时，临界水压力则达到了局 部极值的 3.6MPa。而最小主应力为 -3MPa 时，临 界水压力约为 2.46MPa。 表 3 不同最小主应力下的临界水压力 最小主应力 / MPa 临界水压力 / MPa 最小主应力 / MPa 临界水压力 / MPa -2.92.490.9033.18 -2.312.591.783.37 -1.762.722.693.52 -0.8192.883.023.58 （4）断层延伸长度方面由图 2 和表 4 可以 清晰地发现随着断层延伸长度增加，临界水压力 不断降低，呈现出非常明显的双曲线非线性特征。 当断层延伸长度近乎于 50m 时，临界水压力则达到 了局部极小值的 2.72MPa。而断层延伸长度近乎于 20m 时，临界水压力达到最大值约为 2.90MPa。 表 4 不同断层延伸长度下的临界水压力 断层延伸长度 /m 临界水压力 / MPa 断层延伸长度 /m 临界水压力 / MPa 20.32.9133.72.8 21.42.89362.78 23.72.8738.92.77 25.92.8541.92.76 28.32.8445.22.75 根据以上四个方面的有限元数值模拟结果分 析，其结果与工程实际中的案例基本一致。因此隐 伏断层在渗透压和采动作用下的活动，根据压剪裂 纹扩展理论，裂纹扩展时必然会沿着最大压应力方 向产生翼型分支裂纹。此时可以计算隐伏断层到底 板松动区最小安全距离 H，将其作为永煤集团陈四 楼煤矿的底板透水危险性评价的力学判据，有 2 2 133 [sinsin2 ] K H p π σσαασ π −− （1） 1162017 年第 7 期 应用 [D]. 昆明理工大学 ,2014. ［2］ 刘建伟 . 矿井通风安全监测监控系统的维护及保 养 [J]. 煤炭与化工 ,2014,3130-131134. ［3］ 申旭奇 . 矿井通风安全监测监控系统的运行现状 及建议 [J]. 科技传播 ,2013,16222211. ［4］ 郭庆法 . 矿井通风安全监测监控系统的维护及保 养 [J]. 中州煤炭 ,2010,1188-89. ［5］ 孙小兰 , 马小平 , 王潜平 . 矿井通风安全语音 交互管理系统关键技术的研究 [J]. 工矿自动 化 ,2009,545-48. （上接第 113 页） H- 隐伏断层到底板松动区最小安全距离； p- 渗透压； α- 断层倾角； σ1- 最大压应力； σ3- 力学平面内受到最小主应力； k- 应力强度因子 对于永煤集团陈四楼煤矿而言，根据水压 致裂实验的相关结果，其底板岩层的抗剪强度 为 1MPa，承压水水压为 1.6MPa，垂直地应力为 6.0MPa，水平应力为 2.8MPa，隐伏断层物探结果 发现其倾角约为 60，断层长度 48.0m。使用（1） 可以得到隐伏断层上断点到底板松动区的最小安 全距离为 26.5m。而实际工程中，其设计距离为 34.2m，因此永煤集团陈四楼煤矿具有足够的隐伏 断层到底板松动区安全距离，其设计安全保守。 2 结论 建立陈四楼煤矿隐伏断层的断裂力学模型，研 究了最小主应力、断层倾角、断层延伸长度和断层 到底板松动区的距离四个因素对于临界突水水压力 的影响。通过严谨的趋势分析和局部极值判断，进 一步地提出了以压剪裂纹扩展理论为基础的永煤 集团陈四楼煤矿隐伏断层突水危险性评价的力学 判据，即隐伏断层到底板松动区最小安全距离 H， 计算结果约为 26.5m，小于实际工程中设计距离 34.2m，因此永煤集团陈四楼煤矿现有设计具有较 好的安全裕度，保守安全。 【参考书目】 ［1］ 杨海军 , 王广才 . 煤矿突水水源判别与水量预测 方法综述[J]. 煤田地质与勘探,2012 （3） 48-5458. ［2］ 孟庆筱 , 王太松 , 等 . 唐山断裂带三维构造应力 场的数值模拟 [J]. 大地测量与地球动力学 ,2014 （1）38-42. ［3］ 刘仕瑞 . 对兖矿集团 Y 煤矿突水的安全评价研究 [D]. 中北大学 ,2013. ［4］ 李培 , 陈颖 , 马小平 , 于得祥 . 基于 PCAELM 的煤矿突水预测方法研究 [J]. 工矿自动化 ,2013 （9）46-50. ［5］ 张雁 , 刘英锋 , 吕明达 . 煤矿突水监测预警系统中 的关键技术 [J]. 煤田地质与勘探 ,2012（4）60-62. （上接第 111 页） 于薄弱层以及软弱夹层而言，可能出现的断裂构造 带，可以造成突水危险，因此，建议在今后面临此 工程地质问题时，应加强对突水情况的监测，预防 透水事故，保证安全生产。 【参考文献】 ［1］ 高延法 , 章延平 , 张慧敏 , 等 . 底板突水危险性 评价专家系统及应用研究 [J]. 岩石力学与工程学 报 ,2009（2）253-258. ［2］ 施龙青 . 底板突水机理研究综述 [J]. 山东科技大 学学报 自然科学版 ,2009（3）17-23. ［3］ 韩进 , 施龙青 , 翟培合 , 等 . 多属性决策及 D-S 证 据理论在底板突水决策中的应用 [J]. 岩石力学与 工程学报 ,2009（Z2）3727-3732. ［4］ 朱宗奎 , 徐智敏 , 孙亚军 , 等 . 基于无量纲多源信 息融合的底板突水危险性评价方法研究 [J]. 采矿 与安全工程学报 ,2013（6）911-916. 由图 3 可以发现，大部分地区的突水性系数小 于 0.06Mpa/m，基本上不存在突水的危险性，但是 对于薄弱层以及软弱夹层而言，可能出现的断裂构 造带，可以造成突水危险。尤其要注意奥陶地层， 该地层的出现将会导致含水量大幅提高，造成可能 的突水危险。 3 结论 使用电法探测了河东煤矿 1002 工作面的 5煤 层底板范围，在此基础之上，进一步给出了突水危 险性系数。通过改变电法剖面的电极距，得到突水 破坏的单值解。这种方法具有很强的实用性和推广 性。研究结果表明大部分地区的突水性系数小于 0.06MPa/m，基本上不存在突水的危险性，但是对