孫文斌 ，楊 輝 ，趙金海 ，薛延?xùn)| ，張曉波 ，劉倩慧

（1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院, 山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗室培育基地, 山東 青島 266590）

0 引 言

2022 年我國原煤產(chǎn)量45.6 億t，在一次能源結(jié)構(gòu)中占比達(dá)到56.2%[1]，煤炭作為我國主體能源地位近期內(nèi)不會改變[2]，經(jīng)過數(shù)年高強(qiáng)度開采，我國淺、中部煤炭資源日益枯竭，大部分礦區(qū)逐步邁入深部開采階段，深部水文地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，隱蔽致災(zāi)因素顯著增加[3]。深部高應(yīng)力和高水壓使底板變形及破壞程度較淺部相對劇烈[4]，同時，斷層的存在使突水的潛在危險性也隨之加大，由斷層引發(fā)的礦井突水事故達(dá)到70%左右[5]，已成為深部開采水害防治的焦點(diǎn)問題。突水需要水源和突水通道，水源是突水的前提，突水通道是突水的必要條件，但突水通道并非瞬時產(chǎn)生，而是由逐漸萌生的微小裂隙在采動應(yīng)力和高承壓水耦合效應(yīng)下漸進(jìn)演化貫通的結(jié)果。因此對斷層突水災(zāi)變演化過程進(jìn)行階段劃分，可為斷層突水過程化防控提供新思路。

針對斷層突水，眾多學(xué)者從斷層突水機(jī)理和災(zāi)害演化過程及監(jiān)測入手開展了大量研究，韓科明等[6]基于關(guān)鍵層理論分析開采影響斷層活化因素,推導(dǎo)了斷層滑移失穩(wěn)力學(xué)判據(jù),得到下盤開采斷層更容易活化。于秋鴿等[7]建立了斷層帶巖體原始裂隙損傷發(fā)育力學(xué)模型及斷層帶巖體滑移力學(xué)模型，分析了斷層活化的機(jī)理，并得到了斷層參數(shù)影響斷層活化程度的規(guī)律。楊善安[8]闡述了采動過程中礦壓作用下的變形特征，并指出斷層兩盤位移量的差異性是誘發(fā)斷層突水的重要原因，黎良杰等[9]將斷層突水劃分為張開型斷層突水和閉合性突水，并用關(guān)鍵層模型對斷層突水進(jìn)行力學(xué)分析，指出正斷層比逆斷層更容易突水，對斷層突水有了較好的認(rèn)識。筆者[10]和李楊楊等[11]研制的底板突水演變過程可視化試驗平臺配合相似模擬材料探索了斷層突水全過程，實(shí)現(xiàn)了承壓水導(dǎo)升過程可視化問題。史莉紅等[12]建立的承壓水導(dǎo)升系統(tǒng)可直觀觀測導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，為描述斷層突水災(zāi)變演化過程特征提供了有力證明。王進(jìn)尚等[13]研制了一種煤層底板破壞與遞進(jìn)導(dǎo)升協(xié)同突水定點(diǎn)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，揭示了采場底板破壞與承壓水遞進(jìn)導(dǎo)升協(xié)同突水機(jī)理，并將隱伏斷層突水過程劃分為自然導(dǎo)升段、遞進(jìn)導(dǎo)升段、強(qiáng)化導(dǎo)升段以及貫通階段4 個階段。張玉軍等[14]運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究了不同傾角下底板隱伏斷層承壓水導(dǎo)升路徑，一定程度上還原了斷層突水演化過程。馬丹[15]和李仕杰等[16]考慮了斷層破碎帶顆粒中滲流問題，認(rèn)為斷層破碎帶物源組合和滲流過程中顆粒流失是細(xì)微通道演變?yōu)橥凰ǖ赖闹匾T因。于海濤[17]利用XRD 衍射、電鏡掃描等技術(shù)得到了斷層帶微觀特征，通過配制斷層相似樣品進(jìn)行了滲流試驗，將斷層帶滲流劃分為緩慢增長、快速增長和飽和階段。

針對災(zāi)害演化過程監(jiān)測方面，劉盛東[18]和劉靜等[19]通過并行電法監(jiān)測系統(tǒng)在斷層賦存狀態(tài)、富水區(qū)探測、底板破壞深度與承壓水導(dǎo)升過程中電位變化規(guī)律做了大量研究，并揭示了水力耦合狀態(tài)下災(zāi)害前兆信息。原富珍等[20]通過微震信號監(jiān)測巖體破裂的位置和裂隙擴(kuò)展路徑來反演突水通道的位置，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征，并通過微震事件的強(qiáng)度判定巖體破壞程度。諸多學(xué)者的研究成果豐富了斷層突水機(jī)理、明確了活化導(dǎo)水機(jī)制，為斷層突水演變過程的階段劃分提供了基礎(chǔ)。

筆者從分析斷層突水災(zāi)變演化過程入手，掌握斷層活化特征以及開采過程中斷層及圍巖應(yīng)力值、水壓、涌水量等特征參數(shù)變化規(guī)律，根據(jù)突水通道時空演化過程和災(zāi)變特征規(guī)律，對斷層突水過程進(jìn)行標(biāo)志性階段劃分，以期為斷層突水分階段防控提供一定的試驗基礎(chǔ)。

1 斷層突水演化過程分析

1.1 工程背景

濟(jì)北礦區(qū)某礦開采深度大、斷層繁多且產(chǎn)狀不一、水壓大且補(bǔ)給來源廣，受突水威脅嚴(yán)重。1311工作面煤層平均厚度4 m，煤層傾角2～12°，平均6°。工作面內(nèi)部及附近斷層發(fā)育，例如F1斷層傾角為60°～70°，落差為0～30 m，根據(jù)采區(qū)水文地質(zhì)鉆孔實(shí)測，如圖1 所示，揭露的潛在突水水源有煤層頂?shù)装迳皫r水、奧灰水、斷層水。采動效應(yīng)下斷層活化后將成為潛在的突水通道，誘發(fā)底板突水事故。

圖1 水文地質(zhì)柱狀圖Fig.1 Hydrogeological column of working face

1.2 斷層突水演變模型

文獻(xiàn)[21-25]對斷層突水演化過程進(jìn)行了系統(tǒng)研究，從斷層活化條件、承壓水在隔水層和斷層中導(dǎo)升條件、底板破壞帶和斷層演化帶發(fā)育形態(tài)和范圍，具體可以簡化為斷層突水演變分析模型（圖2）。

圖2 突水演變分析模型Fig.2 Water inrush evolution analysis model

高壓水進(jìn)入斷層帶后，水壓對斷層進(jìn)行劈裂，承壓水將開始導(dǎo)升。采動推進(jìn)過程中，底板破壞帶逐漸向斷層附近演化，當(dāng)承壓水導(dǎo)升到一定程度時，斷層演化帶逐漸發(fā)育成熟，當(dāng)?shù)装迤茐膸c斷層演化帶溝通時，底板斷層突水事故發(fā)生。根據(jù)幾何關(guān)系得到臨界斷層保護(hù)煤柱寬度，即斷層突水力學(xué)判據(jù)為

式中:L為斷層突水臨界煤柱留設(shè)寬度，m；h為煤層底板至含水層之間巖層厚度，m；γ為上覆巖層的容重，N/m3；l為支承壓力集中區(qū)寬度，m；α為斷層與水平方向夾角，（°）；P為含水層水頭壓力值，MPa；E為彈性模量，N/m2；a為斷層寬度，m；b為斷層長度，m；h1為采動破壞帶厚度，m。

采動過程中，隔水層會出現(xiàn)橫縱裂隙，削弱隔水層的阻水能力，也加速了底板裂隙的演化和雙帶對接的進(jìn)程。對隔水層進(jìn)行力學(xué)分析，推導(dǎo)了底板隔水層在斷層影響下的極限水壓：

式中：Pw為隔水層水壓，MPa；C為底板巖體黏聚力，MPa；φ為底板巖體的內(nèi)摩擦角，（°）；CF為斷層面上的黏聚力，MPa；φF為斷面層上的摩擦角，（°）；h2為隔水層厚度，m；h3為承壓水導(dǎo)升帶厚度，m。

通過分析突水演變分析模型，建立突水通道形成過程（圖3），以水的導(dǎo)升路徑為標(biāo)志，將斷層突水分為“斷層活化”“貫通導(dǎo)水”“‘雙帶’（斷層演化帶與底板破壞帶）對接”3 個階段。第一階段為斷層活化階段，斷層受到水壓和礦壓耦合作用發(fā)生失穩(wěn)破壞，為承壓水進(jìn)入斷層破碎帶提供空間。第二階段承壓水初步導(dǎo)升，流固耦合作用下水的流動同時加速充填物的運(yùn)移，孔隙率大的地方演變?yōu)閺?qiáng)滲流區(qū)，斷層釋放的能量加劇底板水的導(dǎo)升和裂隙萌生與擴(kuò)展。第三階段為“雙帶”對接階段，根據(jù)“最優(yōu)路徑”原則和“最小阻力突水”原則，斷層演化帶與底板破壞帶導(dǎo)通，最終形成完整的突水通道，底板水涌入采空區(qū)，斷層突水事故發(fā)生。

圖3 斷層突水災(zāi)變過程劃分Fig.3 Delineation of evolutionary process of fault water inrush

2 斷層破碎帶失穩(wěn)特征

根據(jù)前述理論分析章節(jié)，斷層活化與斷層的產(chǎn)狀和斷層破碎帶內(nèi)部巖性組分、顆粒特征等差異性會影響斷層活化水平，現(xiàn)場采煤過程中，斷層活化難以探測且具有一定的危險性，因此為更好揭示采動效應(yīng)下斷層活化特征，配制含斷層破碎帶充填物的大尺寸類巖石試樣，釆用巖石應(yīng)力?滲流耦合真三軸試驗系統(tǒng)，結(jié)合聲發(fā)射和數(shù)字散斑技術(shù)，研究垂向應(yīng)力和水平應(yīng)力加載過程中斷層失穩(wěn)破壞特征，追蹤裂隙起裂—擴(kuò)展—貫通過程聲發(fā)射事件和試樣變形特征，通過改變水平應(yīng)力和斷層充填物巖性組分，從采動外因和斷層內(nèi)因揭示斷層活化特征，豐富現(xiàn)有斷層活化特征規(guī)律研究成果。

2.1 試樣配制

斷層破碎帶相對破碎，且原生裂隙相對較多，難以現(xiàn)場取樣進(jìn)行力學(xué)試驗，綜合相似模擬材料組分性質(zhì)可控和試樣均質(zhì)的優(yōu)勢，斷層充填物圍巖選用水泥砂漿類巖石試樣開展試驗，試樣設(shè)計及研制步驟如圖4 所示，設(shè)計大尺寸試件尺寸為300 mm×150 mm×150 mm，設(shè)計對照組和含斷層充填物類巖石試樣5 種，見表1，傾角均為70°，斷層長度分別為100 mm 和200 mm。根據(jù)前人研究成果[26-27]，確定圍巖材料質(zhì)量配比為石英砂∶碳酸鈣∶普通硅酸鹽水泥∶石膏=1.87∶0.47∶0.70∶0.30，水為骨料和膠結(jié)劑總質(zhì)量的20%，該材料的力學(xué)性能與典型砂巖較為接近。斷層充填物采用兩種巖性組分配比，方案一選用石英砂：水泥：黏土：石膏=5.5∶1.5∶1.2∶1.8，方案二采用不同粒徑級配的角礫巖為骨料，水泥和石膏為膠結(jié)劑。用粒徑篩將0～2、2～4、4～6 mm破碎的砂巖顆粒予以篩分，根據(jù)Talbot 理論，每一種粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

表1 試驗配制方案Table 1 Test preparation scheme

圖4 含斷層破碎帶試樣Fig.4 Specimens with fault fracture zone

式中：Pi為直徑小于di顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；di為第i組的顆粒直徑；dmax為所有顆粒粒徑的最大值；n為Talbot 級配指數(shù)，一般取0.3～0.5，此處取0.4。經(jīng)計算，3 種顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為64.4%、20.6%和15%。

2.2 試驗系統(tǒng)

本次力學(xué)試驗采用巖石應(yīng)力?滲流耦合真三軸試驗系統(tǒng)配合聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)字散斑應(yīng)變測量分析系統(tǒng)，對裂隙演化過程進(jìn)行分析和定量描述，試驗系統(tǒng)如圖5 所示。數(shù)字散斑利用圖像相關(guān)算法進(jìn)行物體表面變形點(diǎn)的立體匹配，并重建出匹配點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)[28]，實(shí)現(xiàn)斷層活化的可視化分析。

圖5 試驗系統(tǒng)Fig.5 Experimental system

該系統(tǒng)可施加的最大軸向荷載為1 600 kN，2 個側(cè)向最大施加荷載分別為1 000、500 kN?？蓪Υ蟪叽缭嚇舆M(jìn)行加載試驗，考慮傳感器布設(shè)位置和數(shù)字散斑需要，本次試驗斷層活化簡化為含斷層破碎帶試樣雙向加載下失穩(wěn)特征，先施加圍壓σ2至50 kN，穩(wěn)定后施加σ1直至試樣失穩(wěn)破壞。試驗前在聲發(fā)射傳感器上均勻涂抹凡士林，能夠最大限度減少端部摩擦效應(yīng)，采用0.5 mm 的HB 鉛筆芯進(jìn)行斷鉛測試，保證響應(yīng)幅值超過90 dB 之后再進(jìn)行試驗[29]。

2.3 試樣數(shù)字散斑演變特征

為更好揭示斷層破碎帶失穩(wěn)特征，采用三維數(shù)字散斑應(yīng)變測量及分析系統(tǒng)對雙軸加載過程中斷層帶及圍巖表面應(yīng)變率進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖6 所示，雙軸加載過程中，斷層兩盤與圍巖交界處逐漸產(chǎn)生裂隙，同時破碎帶也萌生細(xì)小的裂隙，驗證了采動效應(yīng)下斷層更容易破壞失穩(wěn)發(fā)生活化。隨著軸向應(yīng)力進(jìn)一步加載，斷層尖端萌生裂紋裂隙逐步擴(kuò)展，斷層尖端應(yīng)力集中是導(dǎo)致在此處裂隙萌生的主要原因，最后與試樣的宏觀剪切裂隙貫通，一定程度上還原了斷層演化帶的形成過程。試樣應(yīng)變率最大值位于斷層尖端和斷層兩盤，有效揭示了采動效應(yīng)下斷層動力響應(yīng)特征。

圖6 數(shù)字散斑演變規(guī)律Fig.6 Digital speckle evolution law

2.4 試樣聲發(fā)射規(guī)律

對含4 類含斷層充填物大尺寸類巖石試樣進(jìn)行雙軸加載，記錄試樣產(chǎn)生宏觀裂隙失穩(wěn)時載荷峰值過程中聲發(fā)射事件的累計能量如圖7 所示。在雙軸加載下，得到5 組試件的峰值強(qiáng)度分別為15.98、12.11、9.18、8.23、6.91 MPa，A～D 組試樣峰值強(qiáng)度相比對照組分別下降24.22%，42.55%，48.5%，56.76%，說明不同性質(zhì)的斷層影響了試樣的整體破壞強(qiáng)度，一定程度上決定了斷層演化帶的發(fā)育特征。聲發(fā)射事件的累計能量分別為127、97.6、87.9、48.7、35.5 kJ，A～D 組試樣累計能量相比對照組分別下降了23.15%，30.79%，61.65%，72.05%，代表了內(nèi)部裂隙發(fā)育數(shù)量和程度的差異性。由此可得，含不同充填物巖性和產(chǎn)狀的斷層一定程度上影響整體試樣的峰值強(qiáng)度和破壞方式，也影響了聲發(fā)射事件累計能量的變化規(guī)律。加載初期為對原有裂隙和斷層充填物壓密階段，聲發(fā)射事件累計能量急劇增長；加載中期為斷層活化階段，聲發(fā)射事件出現(xiàn)集中現(xiàn)象，是內(nèi)部裂隙演化和斷層尖端裂隙起裂—擴(kuò)展的結(jié)果；加載末期聲發(fā)射事件集中的原因是由試樣的整體破壞造成的增長。綜上數(shù)據(jù)對比分析，驗證了斷層充填物的巖性和產(chǎn)狀將影響斷層活化的難易程度和強(qiáng)度。

圖7 試樣聲發(fā)射演變規(guī)律Fig.7 Evolution law of acoustic emission of specimens

3 斷層突水時空演化過程相似模擬試驗研究

煤層深部開采現(xiàn)場水文地質(zhì)條件復(fù)雜，監(jiān)測方案施工困難、成本高、危險性系數(shù)大，難以開展系統(tǒng)性現(xiàn)場斷層突水演化過程監(jiān)測感知研究。室內(nèi)試驗根據(jù)工程實(shí)際背景和相似比原理一定程度上可模擬現(xiàn)場原位條件，成為研究礦井沖擊地壓、突水等地下工程動力災(zāi)害問題的有效研究手段。鑒于室內(nèi)試驗的優(yōu)點(diǎn)和真實(shí)性，借助改造升級的采動底板突水模擬試驗系統(tǒng)和應(yīng)力、水壓、并行電法在線監(jiān)測子系統(tǒng)，室內(nèi)再現(xiàn)采動斷層突水演變?nèi)^程，得到采動過程中應(yīng)力、孔隙水壓力、視電阻率等參量演變規(guī)律，在綜合分析縱橫裂隙擴(kuò)展、斷盤活動滑移、承壓水導(dǎo)升高度的基礎(chǔ)上，針對參數(shù)特征，對斷層突水演變致災(zāi)過程進(jìn)行感知，進(jìn)而劃分標(biāo)志性階段。

3.1 試驗系統(tǒng)

圖8 為斷層突水監(jiān)測系統(tǒng)，該突水模擬系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水平獨(dú)立分級加載、覆巖柔性均布加載和恒壓穩(wěn)流供水，能夠一定程度上真實(shí)模擬現(xiàn)場水文地質(zhì)條件。

圖8 斷層突水監(jiān)測系統(tǒng)Fig.8 Monitoring system of fault water inrush

試驗臺尺寸為1 200 mm×400 mm×800 mm(長×寬×高)；系統(tǒng)可以施加豎向最大載荷1 MPa，精度為0.01 MPa；可實(shí)現(xiàn)水平分級獨(dú)立加載，以模擬不同深度的垂直和水平應(yīng)力梯度；具有位移控制和載荷控制2 種加載方式，載荷加載速率最小為0.05 kN/s，位移加載精度為0.02 mm/s；高水壓加載系統(tǒng)可模擬最大水壓值為5 MPa，監(jiān)測精度為0.01 MPa，具備模擬深部斷層突水的試驗條件。

3.2 模 型

根據(jù)濟(jì)北某礦1311 工作面水文地質(zhì)條件，以F1斷層為研究對象，確定相似模擬試驗的幾何相似比為100，容重相似比為1.5，時間相似比為10，應(yīng)力相似比為150，滲透系數(shù)為0.1。圖9 為本次室內(nèi)相似材料模擬模型，設(shè)計采深960 m，底板隔水層厚度34 m，煤層厚度4 m，根據(jù)應(yīng)力相似比，模型在垂向上施加等效均布載荷為127 kPa。深部水平應(yīng)力一定程度上影響巖體的變形和破壞特征，經(jīng)現(xiàn)場測試，側(cè)壓系數(shù)為1.5，因此根據(jù)垂向載荷確定水平方向分級加載180、190、200 kPa，來模擬不同深度的水平應(yīng)力加載，模式底部施加模擬水壓53 kPa。

圖9 斷層突水相似模擬試驗?zāi)Ｐ虵ig.9 Similar simulation model of the water inrush

為掌握斷層破碎帶和底板巖體受力和導(dǎo)水特征，布設(shè)DC1-DC4應(yīng)力傳感器監(jiān)測底板不同深度和斷層兩盤應(yīng)力值，本次鋪設(shè)并行電法電極16 個，間距為5 cm，共布置應(yīng)力傳感器4 個，水壓傳感器1 個，DC1～DC4用來監(jiān)測斷層兩盤應(yīng)力變化情況。具體位置如圖10所示。

圖10 傳感器布設(shè)位置Fig.10 Sensors placement

為配合試驗效果，底板巖層和部分上部頂板巖層采用新型流固耦合相似模擬材料，由河砂（1～2 mm）、碳酸鈣、液壓油、石蠟、凡士林加熱混合攪拌配制而成。其余巖層采用河砂（1～2 mm）、碳酸鈣、石膏、水配比而成普通材料，各巖層分層間鋪撒云母粉分隔，斷層采用砂子、黏土顆粒和石膏配比而成。各巖層配料見表2。模型及監(jiān)測系統(tǒng)鋪設(shè)完成后，自然狀態(tài)下風(fēng)干1 周后，對模型進(jìn)行開挖，考慮邊界效應(yīng)，煤層留設(shè)10 m 煤柱后向斷層方向開挖，記錄開挖過程中底板突水通道演變特征。

表2 各巖層配料Table 2 Proportioning for each rock layer

3.3 突水通道時空演化過程

圖11 為推進(jìn)過程中底板突水狀況演化過程，煤層開挖至30 m 時，頂板初次來壓，直接頂開始垮落同時高承壓水會對底板和斷層下尖端產(chǎn)生損傷效應(yīng)如圖11a 所示，斷層圍巖逐漸萌生裂隙并進(jìn)一步擴(kuò)展、發(fā)育，驗證了斷層尖端處流固耦合作用比較顯著。當(dāng)工作面推進(jìn)至45 m 時，采場出現(xiàn)周期來壓，頂板再次垮落。斷層和底板部分裂隙揭露水珠，承壓水漸進(jìn)導(dǎo)升，開采擾動對底板影響的范圍增加，底板橫向裂隙逐步向上層向擴(kuò)展，水沿著底板和斷層發(fā)育的裂隙向上導(dǎo)升如圖11b 所示。

圖11 突水通道演化Fig.11 Evolution of water inrush channel

當(dāng)工作面推進(jìn)至55 m，距離斷層15 m 左右時，煤壁前方開始出現(xiàn)突水點(diǎn)如圖11c 所示，在斷層與采空區(qū)之間存在明顯的裂隙貫通區(qū)，存在較為明顯的橫豎向裂隙，裂隙的產(chǎn)生是由工作面前方頂板的壓縮與斷層錯動的剪切作用造成的，采空區(qū)附近的剪切裂隙逐漸向下向右擴(kuò)展，底板裂隙與斷層裂隙貫通時，斷層水涌入采空區(qū)。

觀察突水的水質(zhì)情況，突水前期，水呈濁狀且流速較快，判斷為斷層破碎帶內(nèi)部的黏土顆粒涌出，隨著煤層繼續(xù)開采，水流逐漸變清且水流趨于穩(wěn)定并在后方采空區(qū)新增出水點(diǎn)。水流穩(wěn)定后，通過觀察突水孔洞，發(fā)現(xiàn)孔洞并不是水平發(fā)育，為斜向下擴(kuò)展，驗證了突水現(xiàn)象遵從“最小阻力突水原則”，即突水通道與斷層傾向大致垂直，也驗證了斷層突水依然遵循“最優(yōu)路徑原則”。

3.4 監(jiān)測參數(shù)演變規(guī)律

煤層推進(jìn)過程中斷層附近應(yīng)力變化規(guī)律如圖12所示，工作面由10 m 推進(jìn)至30 m 時，斷層上盤應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)與下盤數(shù)據(jù)有著不同的趨勢，1 號與3 號監(jiān)測點(diǎn)均出現(xiàn)應(yīng)力增高趨勢，隨后開始降低；2 號與4號監(jiān)測點(diǎn)則基本保持穩(wěn)定，斷層上下盤圍巖應(yīng)力變化趨勢不一致，且開挖至40 m 時，1 號和3 號監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力增加是因傳感處于應(yīng)力集中區(qū)，且由于斷層的阻隔作用，斷層帶應(yīng)力出現(xiàn)疊加現(xiàn)象，也是造成斷層尖端受流固耦合作用顯著的根本原因。

圖12 斷層應(yīng)力演變特征Fig.12 Fault stress evolution characteristics

本次相似模擬試驗選用DMKY 系列微型高精度孔隙水壓力計進(jìn)行滲透水壓力在線監(jiān)測，量程為0.01～10 MPa，100 kPa 以下分辨率為0.005 kPa，適用于模型試驗中測量巖體（土體）、泥漿等內(nèi)部或周圍的孔隙水壓力。

圖13 為煤層推進(jìn)過程中水壓值變化規(guī)律和突水水量圖，當(dāng)工作面推進(jìn)至45 m 時，斷層水逐步導(dǎo)升，水壓值急劇下降，水開始向底板隔水層中和經(jīng)斷層向底板破壞帶中的裂隙中導(dǎo)升，當(dāng)工作面推進(jìn)至55 m 時涌水量急劇增加，含水層?斷層帶?底板破壞帶?采空區(qū)完整的突水通道發(fā)育完成，水大規(guī)模涌入采空區(qū)。

圖13 水壓?水量變化曲線Fig.13 Water pressure -water inflow change curves

網(wǎng)絡(luò)并行電法廣泛應(yīng)用于礦井水害防治中，基于水、巖體和空氣的電阻率差異可用于突水通道水動態(tài)導(dǎo)升過程探測。為滿足實(shí)驗室小型模擬試驗要求，縮短監(jiān)測電極間距并將其鋪設(shè)在頂板圍巖中。本次采用網(wǎng)絡(luò)并行電法系統(tǒng)智能追蹤突水通道的空間特征，考慮到試驗臺尺寸和監(jiān)測范圍，為提高精確度和分辨率，供電電壓選擇72 V，最小有效電流選擇0.5 mA，深度系數(shù)為可信度較高的探測深度與最遠(yuǎn)兩電極取直線距離（75 cm）的比值，此處取0.3，則探測深度為22.5 cm。

觀察開采過程中電阻率相對變化值，電阻率逐漸降低的低阻區(qū)圈定為裂隙進(jìn)一步發(fā)育、水導(dǎo)升的位置。電阻率降低顯著的區(qū)域代表滲流強(qiáng)的位置，也是最容易演化為突水通道的位置。煤層推進(jìn)過程中，采空區(qū)處是相對高阻區(qū)，工作面前方與斷層之間的煤體下方區(qū)域因水導(dǎo)升電阻率逐步降低，中間電阻值更低處為主要突水通道，即斷層演化帶與底板破壞帶對接處，其中，圖14 為采動過程中突水通道電阻率監(jiān)測圖。

圖14 突水通道電阻率監(jiān)測圖Fig.14 Resistivity monitoring map of the water inrush channel

工作面前方與斷層之間的煤體及下方三角形區(qū)域是斷層突水形成的主要區(qū)域，煤層開采過程中要加強(qiáng)對該區(qū)域的監(jiān)測，綜合斷層過活化特征及斷層突水演化過程的劃分，采用增大留設(shè)保護(hù)煤柱寬帶、超前注漿加固處理、堵水材料封堵等分階段防控措施，以保證煤層開采的安全進(jìn)行。需要指出的是，研究成果主要依托深部開采礦井為工程地質(zhì)背景，針對部分淺埋弱膠地層等特殊地質(zhì)條件尚未考慮，未進(jìn)行現(xiàn)場進(jìn)一步驗證；斷層突水是復(fù)雜的動力異常顯現(xiàn)現(xiàn)象，還需根據(jù)大量案例分析斷層產(chǎn)狀及內(nèi)部破碎帶充填物等差異性誘發(fā)斷層活化的程度，總結(jié)斷層突水機(jī)制類別，揭示各階段參數(shù)演變規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對斷層突水演化過程的階段劃分進(jìn)一步優(yōu)化和完善。

4 結(jié) 論

1）通過構(gòu)建突水演變分析模型，明確了斷層突水是斷層演化帶和底板破壞帶對接的結(jié)果。采動效應(yīng)下，斷層較圍巖動力響應(yīng)更強(qiáng)烈，根據(jù)承壓水導(dǎo)升路徑，斷層突水過程可劃分為“斷層活化”“貫通導(dǎo)水和“‘雙帶’對接”三階段，原始導(dǎo)水?dāng)鄬邮恰柏炌▽?dǎo)水”“‘雙帶’對接”兩階段，屬于“三階段”的特殊情況。

2）通過含破碎帶充填物試樣雙軸加載試驗，驗證了采動效應(yīng)下斷層較圍巖動力響應(yīng)更強(qiáng)烈，斷層充填物的性質(zhì)決定了斷層活化的難易程度和強(qiáng)度，一定程度上影響著斷層突水的時空演化過程。

3）通過斷層突水相似模擬試驗得到斷層突水是裂隙萌生—擴(kuò)展—貫通的結(jié)果，突水通道孕育過程中蘊(yùn)含著應(yīng)力、水壓、電阻率等多參數(shù)的演變規(guī)律，精確掌握諸多參數(shù)突變節(jié)點(diǎn)可作為斷層突水分階段劃分的重要依據(jù)。