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摘 要：为了研究底板隐伏断层突水规律，以赵固二矿的地质条件为背景，运用理论分析、FLAC3D数值模拟和相似模拟对隐伏断层突水规律进行研究。研究表明：承压水突入采掘空间要经过底板塑性破坏区、被破坏的中间完整岩层和活化的隐伏断层3种不同类型的地层。经公式计算和数值模拟验证底板的极限破坏深度为16m；相似模拟呈现了断层活化及裂隙贯通的全过程；提出了阻止断层突水发生的完整岩层最小厚度计算公式。
关键词：隐伏断层；突水规律；数值模拟
活化底板突水为煤矿水害最为突出的问题，底板断层往往是连接采掘空间和含水层的通道，据统计，我国断层突水占到煤矿突水事故的70%以上[ 1，2 ]。前人对于断层突水的机理进行了一些研究，黎良杰[ 3 ]建立了含隔水断层的隔水关键层理论，得出不同类型的断层突水判据；陈忠辉通过分析导水断层和底板塑性滑移场的空间关系，建立断层突水的断裂力学模型；李利平基于应力-渗流-损伤耦合效应研究了断层活化突水机制。然而现场最常见的底板突水来自于隐伏的小断层，由于小断层在现场难以探测，成为开采过程中容易忽视的隐患。
1 底板的塑性破坏深度
灰岩含水层中的水要进入采掘空间就要通过底板塑性破坏区、完整底板和隐伏断层衍生的裂隙通道。
底板破坏是由于开采过程中应力集中而造成的，当支承压力达到或者超过底板的强度临界值时，工作面下方一定范围內岩体发生塑性破坏，采空区出现底鼓现象，底板的破坏深度可由公式1计算。
为了验证公式计算底板破坏深度准确性，基于赵固二矿的现场地质条件，收集工作面顶底板岩层厚度、岩性等运用FLAC3D模拟软件建立模型，模型长度300m，宽200m，搞100m，在模型的顶部补偿约290m岩层厚度的压力，围岩本构关系采用莫尔-库伦模型。模型前后左右四个侧面为单约束边界，施加水平方向上的约束；模型底部为全约束边界。
当工作面推进20m时，由于工作面推进距离的增加，地板岩石及围岩发生破坏，工作面底板岩层中塑性变形区破坏最大深度约为10m。
当工作面推进20m时，随着推进距离的增加，原岩应力场进一步破坏，工作面底板岩层中塑性变形区范围出现了增大，其破坏最大深度约为10m。
当工作面继续推进至30m时，随着推进距离的增加，原岩应力场进一步破坏，工作面底板岩层中塑性变形区范围出现了小幅度的增大，其破坏最大深度约为14m。
当工作面继续推进至40m时，与工作面推进30m时的底板岩层塑性变形区作比较，其破坏最大深度约为16m，变化浮动不大，这也说明工作面开挖过程中底板岩层的极限破坏深度约为16m。
2 断层活化的模拟
随着开采距离的增大，隐伏断层在底板水压和采动应力的双重作用下发生变形并逐渐开始活化，其伴随裂隙开始失稳扩展，连通形成导水通道。由于现场中活化过程不能观测到，这里进行相似模拟进行观测。
模型架采用物理模型试验系统，前后平面为刚性约束，可以实现平面应变控制。模型长、宽、高分别为2.5m×0.2m×1.6m。相似模拟实验要求几何相似、应力相似、容重相似以及时间相似。为模拟模型以外上覆地层压力，使用了千斤顶加压稳压系统。
随着工作面的推进，隐伏断层的上部首先开始出现比较大的位移，而断层的下部出现的位移很小，在这个过程中断层带周围出现沿煤层走向的裂隙。在初期阶段这些裂隙没有垂向裂隙进行沟通，还不能形成导水通道。随着工作面的继续推进，上部观测点的位移的增大速度逐渐减小，而下部特征点的增大速度逐渐增大，在这个过程中，中间形成走向裂隙被挤压变形，达到其强度极限以后，发生塑性破坏形成垂向裂隙。这些裂隙逐渐开始连通形成有效的通道，使承压水进入裂隙，在水力劈裂的继续作用下，裂隙被冲刷扩展，直至断层活化成功。
3 完整岩层厚度分析
对于底板断层而言活化以后并不意味着采掘空间就能发生突水，在断层的顶部和底板塑性破坏区之间还有一定厚度的能起到阻水作用的岩层。根据大量的现场实例分析和理论计算总结出中间隔水层的最小安全厚度公式。
结合赵固二矿的地质资料，将现场数据代入公式2中，得到隔水层的厚度为28m，与实际工程相符合。
4 结论
1）底板隐伏断层突水要经历3种不同性质的底板地层，即采空区下方的塑性破坏区、中间完整岩层和含断层的底板岩层。其中断层的活化是突水的必要条件。
2）利用公式计算和数值模拟确定了底板塑性破坏区的极限高度为16m。运用相似模拟呈现出隐伏断层的裂隙生成规律和导水通道的贯通过程，首先是层间水平裂隙的生成，然后垂向裂隙自下而上的贯穿。
3）中间完整岩层起最主要的阻水功能，岩层的厚度决定突水能否发生，根据裂缝的水力劈裂理论确定了完整岩层的最小厚度计算公式，代入现场数据，计算结果与实际符合。
参考文献：
[1] 张金才，张玉卓，刘天泉.岩体渗流与煤层底板突水[M].北京：地质出版社，1997.
[2] 缪协兴，浦海，白海波.隔水关键层原理及其在保水采煤中的应用研究[J].中国矿业大学学报，2008，37（1）：1-4.
[3] 黎良杰，钱鸣高，李树刚.断层突水机理分析[J].煤炭学报，1996，21（2）：199-123.
作者简介：
吴朝飞（1987-），男，河南濮阳人，本科，焦煤集团赵固二矿，从事煤矿生产技术管理，河南新乡辉县赵固二矿；
武宗刚（1986-），男，河南新乡人，本科，焦煤集团赵固二矿，从事煤矿生产技术管理，河南新乡辉县赵固二矿。
关键词：隐伏断层；突水规律；数值模拟
活化底板突水为煤矿水害最为突出的问题，底板断层往往是连接采掘空间和含水层的通道，据统计，我国断层突水占到煤矿突水事故的70%以上[ 1，2 ]。前人对于断层突水的机理进行了一些研究，黎良杰[ 3 ]建立了含隔水断层的隔水关键层理论，得出不同类型的断层突水判据；陈忠辉通过分析导水断层和底板塑性滑移场的空间关系，建立断层突水的断裂力学模型；李利平基于应力-渗流-损伤耦合效应研究了断层活化突水机制。然而现场最常见的底板突水来自于隐伏的小断层，由于小断层在现场难以探测，成为开采过程中容易忽视的隐患。
1 底板的塑性破坏深度
灰岩含水层中的水要进入采掘空间就要通过底板塑性破坏区、完整底板和隐伏断层衍生的裂隙通道。
底板破坏是由于开采过程中应力集中而造成的，当支承压力达到或者超过底板的强度临界值时，工作面下方一定范围內岩体发生塑性破坏，采空区出现底鼓现象，底板的破坏深度可由公式1计算。
为了验证公式计算底板破坏深度准确性，基于赵固二矿的现场地质条件，收集工作面顶底板岩层厚度、岩性等运用FLAC3D模拟软件建立模型，模型长度300m，宽200m，搞100m，在模型的顶部补偿约290m岩层厚度的压力，围岩本构关系采用莫尔-库伦模型。模型前后左右四个侧面为单约束边界，施加水平方向上的约束；模型底部为全约束边界。
当工作面推进20m时，由于工作面推进距离的增加，地板岩石及围岩发生破坏，工作面底板岩层中塑性变形区破坏最大深度约为10m。
当工作面推进20m时，随着推进距离的增加，原岩应力场进一步破坏，工作面底板岩层中塑性变形区范围出现了增大，其破坏最大深度约为10m。
当工作面继续推进至30m时，随着推进距离的增加，原岩应力场进一步破坏，工作面底板岩层中塑性变形区范围出现了小幅度的增大，其破坏最大深度约为14m。
当工作面继续推进至40m时，与工作面推进30m时的底板岩层塑性变形区作比较，其破坏最大深度约为16m，变化浮动不大，这也说明工作面开挖过程中底板岩层的极限破坏深度约为16m。
2 断层活化的模拟
随着开采距离的增大，隐伏断层在底板水压和采动应力的双重作用下发生变形并逐渐开始活化，其伴随裂隙开始失稳扩展，连通形成导水通道。由于现场中活化过程不能观测到，这里进行相似模拟进行观测。
模型架采用物理模型试验系统，前后平面为刚性约束，可以实现平面应变控制。模型长、宽、高分别为2.5m×0.2m×1.6m。相似模拟实验要求几何相似、应力相似、容重相似以及时间相似。为模拟模型以外上覆地层压力，使用了千斤顶加压稳压系统。
随着工作面的推进，隐伏断层的上部首先开始出现比较大的位移，而断层的下部出现的位移很小，在这个过程中断层带周围出现沿煤层走向的裂隙。在初期阶段这些裂隙没有垂向裂隙进行沟通，还不能形成导水通道。随着工作面的继续推进，上部观测点的位移的增大速度逐渐减小，而下部特征点的增大速度逐渐增大，在这个过程中，中间形成走向裂隙被挤压变形，达到其强度极限以后，发生塑性破坏形成垂向裂隙。这些裂隙逐渐开始连通形成有效的通道，使承压水进入裂隙，在水力劈裂的继续作用下，裂隙被冲刷扩展，直至断层活化成功。
3 完整岩层厚度分析
对于底板断层而言活化以后并不意味着采掘空间就能发生突水，在断层的顶部和底板塑性破坏区之间还有一定厚度的能起到阻水作用的岩层。根据大量的现场实例分析和理论计算总结出中间隔水层的最小安全厚度公式。
结合赵固二矿的地质资料，将现场数据代入公式2中，得到隔水层的厚度为28m，与实际工程相符合。
4 结论
1）底板隐伏断层突水要经历3种不同性质的底板地层，即采空区下方的塑性破坏区、中间完整岩层和含断层的底板岩层。其中断层的活化是突水的必要条件。
2）利用公式计算和数值模拟确定了底板塑性破坏区的极限高度为16m。运用相似模拟呈现出隐伏断层的裂隙生成规律和导水通道的贯通过程，首先是层间水平裂隙的生成，然后垂向裂隙自下而上的贯穿。
3）中间完整岩层起最主要的阻水功能，岩层的厚度决定突水能否发生，根据裂缝的水力劈裂理论确定了完整岩层的最小厚度计算公式，代入现场数据，计算结果与实际符合。
参考文献：
[1] 张金才，张玉卓，刘天泉.岩体渗流与煤层底板突水[M].北京：地质出版社，1997.
[2] 缪协兴，浦海，白海波.隔水关键层原理及其在保水采煤中的应用研究[J].中国矿业大学学报，2008，37（1）：1-4.
[3] 黎良杰，钱鸣高，李树刚.断层突水机理分析[J].煤炭学报，1996，21（2）：199-123.
作者简介：
吴朝飞（1987-），男，河南濮阳人，本科，焦煤集团赵固二矿，从事煤矿生产技术管理，河南新乡辉县赵固二矿；
武宗刚（1986-），男，河南新乡人，本科，焦煤集团赵固二矿，从事煤矿生产技术管理，河南新乡辉县赵固二矿。