移动扫码阅读DOI：10.13347 /j. c n k i. mkaq .2021.01.037
张志巍，张玉军，张风达.采动与隐伏断层双重作用下底板破坏特征[J].煤矿安全，2021,52 (1)：194-199. ZHANG Zhiwei, ZHANG Yujun, ZHANG Fengda. Characteristics of floor failure under the double action of mining and hidden faults[j]. Safety in Coal Mines, 2021, 52(1): 194-199.
采动与隐伏断层双重作用下底板破坏特征
张志巍\张玉军U，3，张风达U2,3
(1.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;
3.中煤科工开采研究院有限公司，北京100013)
摘要：针对工作面底板含隐伏断层条件下底板水害多发的问题，综合数值计算与现场实测2
种方法探究底板岩体采动破坏特征。模拟结果得出：底板塑性区范围随工作面推进距离增加而
扩大，距底板隐伏断层远场的完整型底板岩体最大破坏深度约为18 m，靠近底板隐伏断层的岩
体最大破坏深度约为28 m，隐伏断层活化是促进底板破坏深度增加的积极因子；受隐伏断层存
在的影响，底板岩体采动破坏范围呈现出以过隐伏断层顶部竖轴为对称轴的正“八”型破坏形
态；钻孔窥视实测得到采动破坏影响范围内呈现出裂缝贯通型“环形”破坏圈的特征，底板采动
破坏深度最大值约为29 m。结果表明：受隐伏断层和采动应力影响，底板破坏深度明显增大，且
扩展路径沿着隐伏断层顶部斜向下发展，数值模拟与实测结果误差约为3.4%。
关键词：隐伏断层；底板破坏深度；塑性区；钻孔窥视；数值模拟
中图分类号：P641 文献标志码：A文章编号：1003-496X(2021)01-0194-06
C h a ra c te ris tic s o f flo o r fa ilu re u n d e r the double action o f m in in g a n d h idden faults
ZHANG Zhiwei1，ZHANG Yujuii1，2,3, ZHANG Fengda1.2,3
Mining Institute of China Coal Research Institute, Beijing100013, China;2.Cocd Mining and Designin
g Department, Tiandi Science and Technolog) Co., Ltd., Beijing100013, China;3.China Coal Technology and Engineering Group Coal Mining Research Institute,
Beijing100013, China)
A b str a ct: Aiming at the problem of frequent occuiTence of floor water damage under the condition that the floor has hidden faults, two methods of comprehensive numerical calculation and on-site measurement are used to explore the characteristics of floor rock mass mining failure. The simulation results show that the range of floor plastic zone expands with the increase of the working face advancement distance. The maximum failure depth of the intact floor rock mass far away from the bottom floor hidden fault is about 18 m, and the maximum failure depth of the rock body near the bottom floor hidden fault is about 28 m. The activation of the hidden fault is a positive factor to promote the increase of the floor bottom depth; due to the influence of the presence of hidden faults, the mining failure range of the floor rock mass exhibits a positive “eight” type of failure form with the vertical axis at the top of the hidden fault as the symmetry axis; borehole peep observations show that the fracture penetration type appears in the affected area of mining failure. The characteristic of the ring—shaped M failure circle is that the maximum mining failure depth of the floor is about 29 m. The results show that: under the influence of concealed faults and mining stress, the failure depth of
the bottom plate increases significantly, and the extension path develops obliquely downwards along the top of the concealed faults. The error between the numerical simulation and the measured results is about 3.4%.
K ey w o r d s：hidden fault; depth of floor failure; plastic zone; drilling peep; numerical simulation
基金项目：国家自然科学基金面上基金资助项目（51874177，
51704158)；天地科技股份有限公司开采事业部科技创新基金资助我国约有60%的煤矿受不同程度的水害威胁，项目(KJ-2019-TDKCMS-02) 随工程地质与水文地质的变化，煤层与承压含水层
•194.
间的岩体采动变形破坏范围对煤矿安全开采的影 响更加深远，底板采动破坏最大深度对于研究底板 岩层隔水性能和预防底板突水具有重要意义[1-\煤层开采形成采空区和引发原岩应力失衡，随 工作面推进煤壁后方底板压缩岩体发生膨胀剪切 破坏而向采空区自由空间产生位移。张金才等141基 于弹性力学和半无限体理论，研究了底板破坏机理 和最大破坏深度；孟祥瑞等151分析了底板应力大小 及分布规律和最大破坏深度位置的关系；彭苏萍 等161通过建立断裂力学模型，理论计算了底板破坏 深度值；孙闯等171针对倾斜长壁开采工作面，基于 断裂力学理论和M«hr-Coulomb屈服准则，得出底板 破坏深度计算公式；张风达等181运用半无限体理论 并结合塑性力学滑移线场理论分析岩石内摩擦角、黏聚力对底板破坏深度的影响关系；张鑫等191针对 不同含水层水压条件下含隐伏断层煤层底板采动 破坏过程进行了数值模拟研究；张培森等|1()1利用 FLAC®数值模拟得出含隐伏断层煤层底板滞后突 水与隐伏断层空间位置及发育程度、承压水水压影 响因素的关系；杨登峰等1111针对含隐伏断层煤层底 板采动破坏区域分布特征进行数值模拟，结果表 明隐伏断层采动活化更易发生底板突水；张文忠N21基于矿山压力与岩层控制理论，得出断层水压增高 规律及其计算公式，分析了底板隐伏断层突水的力 学原理。
据统计大量矿井突水事故表明隐伏断层和采动 裂隙是造成水害发生的显著影响因素||31。多数水害 事故都是采掘工作面揭露或者采动裂隙贯通隐伏断 层造成的承压水的导升受制于岩层隔水性能，且 随导
升而水压递减，而且完整型底板导升高度有限，更多突水事故的发生主要由于底板采动破坏裂隙向 下贯穿隔水层，煤层底板一定深度的隐伏断层无疑 对底板裂隙扩展范围增加起到积极作用，从而增加 底板突水几率。
底板岩体采动破坏范围受煤层埋深、开采空间、煤层倾角等主控因素影响，完整型底板塑性区的形 态近似“勺形”1151，隐伏断层存在情况下的底板岩体 可看做已经具有一定破坏深度缺陷岩体，隐伏断层 对于底板采动裂隙发育将起到促进作用，探究此类 型的底板岩体采动破坏分布规律和破坏最大深度具 有重要现实意义。为此在隐伏断层接近煤层底板条 件下的底板岩层采动裂隙发育范围，采用数值计算 和现场测试相结合的方法探究含隐伏断层底板岩体 采动破坏特征。I矿井地质概况
山西某矿工作面斜长248.5 m，长度3 140 m，目前主采的9号煤层赋存条件稳定，煤层倾角平均 为5°，属于近水平煤层，煤层厚度平均11.9 m，平均 埋深377 m，工作面下伏有奥灰承压含水层，局部区 域属于带压开采，隔水层厚度21.60~61.42 m，平均 厚度50 m，工作面内断层构造发育，但落差一般较 小且多为巷道掘进揭露断层或接近煤层底板。
2底板岩体含隐伏断层采动破坏范围数值研究
2.1力学参数和数值模型
根据工作面周边钻孔取心资料，将相邻相近岩 性的岩层概化归一以便于数值模型的简化和建立，根据岩样岩石力学参数室内实验，确定的数值模型 各岩层的力学参数见表1。
表1模型各岩层的岩石力学参数
T a b le 1 R o c k m e ch a n ics p a r a m e te r s o f e a c h r o ck
str a tu m in th e m o d e l
组名岩性
厚度
/m
内摩擦
角/(。）
弹性模
量/GPa
钻孔电视
泊松比
黏聚力
/MPa
抗拉强
度/MPa 1泥岩336.0 2.50.33 3.000.32 2中粒砂岩740.0 6.00.28 5.300.41 3泥岩1739.0 2.70.34 2.200.21
4粉砂岩638.0 5.50.32 5.200.42
5泥岩1139.0 3.00.34 2.200.21 6中粒砂岩538.9 5.00.29 5.000.50 7粉砂岩1039.0 4.80.31 3.800.42 8泥岩1138.0 2.60.36 2.200.21 9中粒砂岩1136.2 4.00.33 2.600.35
10细粒砂岩837.0 4.40.28 4.500.45
11砂质泥岩636.0 3.00.33 2.000.35 129煤1227.01.20.36 1.600.30
13泥岩640.0 2.50.39 2.100.32 1411煤627.01.10.38 1.580.30
15细粒砂岩638.0 4.70.32 4.800.50
16中粒砂岩1036.2 3.80.35 2.600.35
17细粒砂岩938.0 4.60.28 5.000.50
18泥岩1139.0 2.70.34 2.200.21
19断层带-26.2 2.60.340.200.20根据该工作面形成时揭露的断层情况以及采矿 工程地质条件，采用FLAC3”数值计算软件建立的数 值计算模型如图1。
该模型*向（倾向）宽度350 m，回采宽度248 m，模型y向（走向）长度为300 m，沿煤层走向在50 m处开挖，开挖步距10 m，共开挖15步（150 m)，模 拟工作面埋深377 m，模型高度为158 m，模型上覆 岩层设为7.0 MPa均布载荷，模拟煤层开采厚度12
• 195-
图1数值计算模型
F ig.l N u m e r ica l c a lc u la tio n m o d e l m，模型倾角0°，断层落差3 m，断层位于模型112m 处，
断层顶部据煤层底板6m，断层面采用FLAC» 自带interface结构面单兀来模拟，断层面周边网格 模拟断层带岩体。
2.2模拟结果
煤层开采后形成采空区，原岩应力的平衡状态 被打破，采空区底板岩体在卸荷作用下发生拉伸变 形破坏形成一定范围的塑性破坏区，在工作面后方，底板采动裂隙带随着工作面推进距离增加而不断向 下延伸，破坏岩体范围不断扩大，不同开挖距离的底 板破坏范围如图2。
(a )模型开挖20 m底板塑性IX (d )模型开挖70 m底板塑性区(g )模型开挖丨20 m底板塑性区
(h )模型开挖40 m底板塑性区
SOm
(e>模型开挖80m底板塑性区
(h)模型开挖I4()m底板塑性区
U)模型开挖60 m底板塑性区
(f)模塑开挖100m底板塑性区
I None shear—n shear-p
shear-n shear-p tension-p
shear-p
n shear-p lension-p
I tension-n shear-p tension-p
tension—n tension—[
图2不同开挖距离的底板破坏范围
F ig.2 T h e flo o r fa ilu r e ra n g e o f d iffe r e n t e x c a v a tio n d ista n ces
当采空区形成一定范围后，原始煤层上部岩层 垮落重新压实采空区且底板岩体卸荷作用减弱，从 而底板采动断裂带发育减缓直至停止，推进过程中 发现未受隐伏断层影响的底板最大破坏深度要小于 靠近隐伏断层附近的底板岩体，对比图2(c)、图2 (e)可知，模型开挖20~40 m时，距隐伏断层远处底 板岩
体采动裂隙发育速度较快，最大破坏深度达到 最大值约18 m。当工作面推进至隐伏断层前方约 60 m时，隐伏断层两侧岩体发生变形破坏，且随着 工作面继续推进，底板岩体破坏范围将沿着断层延 伸方向逆工作面推进方向发展，使得采动裂隙继续 向下发育，增加底板最大破坏深度，加剧底板突水危险性。模型开挖80 m时，受隐伏断层及采动应力的 双重影响，底板采动裂隙发育深度达到最值约28 m，工作面过断层后，随着模型继续开挖发现底板塑 性区扩展路径将沿着隐伏断层顶部斜向下发展，与 断层前方塑性区形成以隐伏断层顶部为竖轴的正 “八”字对称形态。
综上分析，该工作面底板岩体最大采动破坏深 度约为28 m，虽距平均隔水层厚度50 m还有一定 厚度的安全保护层，但局部块断隔水层厚度变薄，面 对强富水性、高水压奥灰含水层仍具有突水危险性，应时刻加强矿井水文监测预警工作，考虑隐伏断层 存在条件下的底板破坏深度最值来制定底板防治水
•
196-
措施。
3
现场测试
3.1钻孔探测设备
本次井下底板采动裂隙发育深度及程度观测采 用钻孔彩电视系统，主要包括高清摄像头、专用信 号传输电缆、主机系统、深度计数器、三脚架、探头
导向轮等，钻孔电视探测系统如图3。
主机
探头
深度计数器三脚架
通过自带光源摄像探头能够全方位显现孔内岩 层岩性、构造、裂隙等地质情况，通过孔内图像裂隙 分布深度及发育程度分析采动应力作用下底板最大 破坏深度。
3.2钻孔探测方案
底板岩层的受力和变形以及分带性特征是钻孔 实测的理论基础，依据底板破坏的理论特征，设计底 板采动破坏带的实测钻孔。设计钻场位于该工作面 的辅运巷内某一断层附近，观测钻孔的孔位、终孔深 度、钻孔倾角、钻孔结构是保障钻孔电视系统安全、 准确、直观呈现孔内岩体裂隙发育情况的关键因素。
观测钻孔实际设计参数见表2。
表2
观测钻孔实际设计参数
T a b le 2 A ctu a l d esig n p a r a m e te r s o f o b ser v a tio n b o reh o le
钻孔编号
设计倾角/(°)
设计孔深/m
对应垂深/n i
1
46
43
30.92
图3
钻孔电视探测系统
F ig.3
D rillin g telev isio n d etectio n system
3.3探测结果
工作面推过观测钻孔50 m 时，截取不同孔深的 孔壁岩体变形破坏清晰图像如图4。
图4
不同孔深的钻孔电视图像
F ig.4
T e le v isio n im a g es o f d rillin g h o les o f d ifferen t d ep th s
•197*
受历史地质作用影响，目前存在条件下的煤层 底板岩体内部普遍发育有角度紊乱、宽窄不一的裂 隙结构面，采矿活动引发原始应力失衡-再平衡过 程，采动压剪应力造成煤层底板裂隙的扩展与贯通，沿最低能量应力路径突破形成更大面积的连续弱 面，且在底板空间不同深度表现出不同的矿压破坏 现象。图4(a)为孔深21.42 m位置，对应垂深14.88 m，出现了大角度倾斜“环形”的层叠状破坏圈，破裂 面上下岩体完整型较好，分析地质成因是此处存在 弱胶结型结构面且对矿压传递有阻抗作用。图4(b)为孔深31.28 m位置，对应垂深21.73 m，明显看出 原岩应力发生巨大变化导致的破碎性贯通裂缝，裂 缝形态表现出以横向为主、纵向交叉贯通的特点，总 体上仍呈现出裂纹贯通型“环形”破坏圈的特征，但 环形圈的角度较小裂纹宽度较小；图4(c)与图4(b)距离较近，周围孔壁岩体破环特征总体相似但破坏 程度强于图4(b)，呈现出裂缝贯通型“环形”破坏圈 的特征，裂缝宽度较大；受钻孔倾角影响，孔壁岩
体 “环形”破坏圈在表现出宽窄范围的差异。图4(d)位 于孔深35.64 m，对应垂深24.76 m，横向裂缝的“环 形”破坏圈的轮廓仍很明显，但裂缝连接性减弱，出现离散的多角度交叉裂缝和高角度纵向裂缝，岩体 破坏程度明显减弱。图4(e)位于孔深40.48 m，对应 垂深28.12 m，可以看出裂缝数量急剧减小，但出现 了长度与宽度均较大的单一裂缝，裂缝出现向上扩 展的趋势，分析裂缝成因是底板岩体采后卸荷作用，孔壁周边岩体完整性较好。受限于冲孔水压，观测 钻孔孔底仍存有少量岩粉，探测仪器未完全放入空 底，但通过图4(f)可看出在孔深41.99 m处，对应底 板垂深29.12 m，孔壁岩体完整，未观测到明显裂 纹，表明底板岩体矿压传递破坏能力到此已经十分 微弱，此处以深岩体能够抵抗底板采动卸荷作用而 保持自身结构的稳定性。综上分析得出，该工作面 底板采动裂隙发育最大深度在29 m左右。
利用钻孔彩电视系统实测得出的煤层底板采 动最大破坏深度与实际采矿地质条件下采用数值模 拟研究方法得出的计算结果误差为3.4%左右，说明 了数值模拟结果的合理性。
4结论
1)随工作面推进底板岩体经历压缩-膨胀-重 新压实的循环过程，采动应力变化导致底板塑性区 范围不断扩大，底板破坏深度渐进增加，距底板隐伏 断层远处的完整型底板岩体最大破坏深度约为18
靠近隐伏断层的底板岩体引起应力集中，更利于
底板破坏，最大破坏深度约为28 m。隐伏断层是促
进底板破坏深度增加的积极因子。
2) 受隐伏断层存在的影响，底板岩体采动破坏 范围呈现出以过隐伏断层定点竖轴为对称轴的正 “八”字型破坏形态。
3) 底板在矿压作用下出现多角度交叉裂隙，在 孔深31 m左右处（垂深21.5 m)破碎最为严重，采
动破坏深度最值约为29 m，与数值模拟结果相差
3.4%左右。
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•198.
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