隔水层原生裂隙扩展型突水模式及防控技术:以峰峰矿区九龙矿为例

刘博; 董书宁; 边凯; 郭小铭; 王铁记; 关永强; 张会松; 董兴玲; 刘磊; 张溪彧; 李思宇

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506881

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (16) :6804-6817 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506881

矿冶工程

隔水层原生裂隙扩展型突水模式及防控技术:以峰峰矿区九龙矿为例

刘博 ¹^,²^,³^,⁴ ,
董书宁 ²^,³^,⁴^,^* ,
边凯 ⁵ ,
郭小铭 ²^,⁴ ,
王铁记 ⁶ ,
关永强 ⁶ ,
张会松 ⁶ ,
董兴玲 ²^,⁴ ,
刘磊 ²^,⁴ ,
张溪彧 ²^,⁴ ,
李思宇 ⁷

作者信息 +

Mechanisms and Control Strategies of Water Inrush Induced by Primary Fissure Expansion in the Aquiclude: Jiulong Mine in Fengfeng Mining Area

LIU Bo ¹^,²^,³^,⁴ ,
DONG Shu-ning ²^,³^,⁴^,^* ,
BIAN Kai ⁵ ,
GUO Xiao-ming ²^,⁴ ,
WANG Tie-ji ⁶ ,
GUAN Yong-qiang ⁶ ,
ZHANG Hui-song ⁶ ,
DONG Xing-ling ²^,⁴ ,
LIU Lei ²^,⁴ ,
ZHANG Xi-yu ²^,⁴ ,
LI Si-yu ⁷

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摘要

随着煤炭资源的开发向深部延伸,地应力、温度和水压逐渐增大会改变深部岩体结构的有效应力分布,从而驱动隔水层岩体内原生裂隙发生损伤破裂并扩展贯通,形成良好的导水通道,极易引发煤层底板突水事故。以峰峰矿区九龙矿15252N工作面煤层底板突水为例,采用理论分析、数值模拟、物理模拟(相似材料)等方法,研究隔水层原生裂隙扩展型突水模式致灾机理,并提出针对性的防控关键技术。结果表明:随着九龙矿15252N工作面的开采,在采动矿压作用下导水破坏带的范围和深度变大,隔水层原生裂隙沿最薄弱的方向扩展,形成局部剪切贯穿裂隙带,同时在承压水楔劈、软化作用下,原生裂隙与周围局部剪切贯穿裂隙带相互贯通,进一步减小煤层底板有效隔水层厚度。在采动矿压和承压水水压的共同作用下,承压水沿断层渗流导升,承压水导升带范围进一步扩大,当承压水导升带与原生裂隙、导水破坏带相连接时,奥灰水通过导水通道进入工作面,导致煤层底板突水事故的发生。研究成果为水文条件类似矿区深部煤层开采水害防治提供理论依据和技术参考。

Abstract

As coal resources are mined at greater depths, ground stress, temperature, and water pressure increase. The changes in these conditions alter the effective stress distribution in deep rock formations. Primary fissures in the aquiclude are damaged, propagate, and progressively coalesce. Water flow channels are then formed, which may induce water inrush accidents from the coal seam floor. The mechanism of primary fissure extension leading to water inrush in the aquiclude of the 15252N working face in the Jiulong Mine, Fengfeng Mining Area, was investigated through theoretical analysis, numerical simulation, and physical similarity modeling. Key technologies for preventing and controlling water hazards in the working face were identified. The results show that mining at the 15252N working face causes the mining-induced failure zone to expand in both width and depth due to stress redistribution induced by excavation. Primary fissures in the aquiclude extend along the weakest structural direction. Confined water further promotes wedge-splitting and softening along fissures. This enhances the interaction between primary fissures and local shear-through fissure zones, and reduces the effective thickness of the aquiclude. Under the combined effects of mining-induced stress and confined water pressure, confined water migrates upward along fault-controlled seepage pathways, resulting in the further expansion of the confined water-conducting zone. When this zone connects with the primary fissures and the mining-induced failure zone, Ordovician limestone water enters the working face through the connected channels, causing floor water inrush.The research results provide theoretical support and technical guidance for the prevention and control of water hazards in deep coal mines with similar hydrogeological conditions.

Graphical abstract

关键词

深部煤层开采 / 原生裂隙扩展 / 导水破坏带 / 承压水导升带 / 致灾机理 / 防控技术

Key words

deep coal seam mining / primary fissures expansion / mining-induced failure zone / confined water-conducting zone / disaster-causing mechanism / prevention and control technology

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刘博, 董书宁, 边凯, 郭小铭, 王铁记, 关永强, 张会松, 董兴玲, 刘磊, 张溪彧, 李思宇. 隔水层原生裂隙扩展型突水模式及防控技术:以峰峰矿区九龙矿为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(16): 6804-6817 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506881

LIU Bo, DONG Shu-ning, BIAN Kai, GUO Xiao-ming, WANG Tie-ji, GUAN Yong-qiang, ZHANG Hui-song, DONG Xing-ling, LIU Lei, ZHANG Xi-yu, LI Si-yu. Mechanisms and Control Strategies of Water Inrush Induced by Primary Fissure Expansion in the Aquiclude: Jiulong Mine in Fengfeng Mining Area[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(16): 6804-6817 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506881

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中国“相对富煤、贫油、少气、缺铀”的资源禀赋特征,决定了煤炭作为中国能源安全的压舱石地位短期不会发生根本性改变^[1-2]。随着浅部的煤炭资源日趋枯竭,中国中东部煤矿开采深度以每年10~20 m的速度向深部延伸,面临更加复杂的“三高一扰动”和不良地质体所诱发的煤层底板水害问题^[3-5]。由于深部水文地质条件和地质构造的复杂性、多数突水通道隐伏性强及探测技术的局限性,目前所采用的立体探测手段、技术及防治对策仍无法根除煤层底板水害的威胁^[6-7]。2020年7月12日,山东古城煤矿发生突水事故,最大突水量1 505 m³/h,造成-1 030 m水平被淹。2021年10月25日,河北峰峰矿区辛安矿发生突水事故,最大突水量 6 000 m³/h,造成矿井-100 m水平被淹。如何保证深部煤层的安全开采,已成为高承压、大采深矿井水害防治所必须认真对待的现实问题^[8]。

针对深部煤层开采底板突水问题,中外学者对突水影响因素、突水机理及危险性评价进行持续研究,形成了一系列有效的水害防治技术。20世纪40—50年代,Wegfrens首次提出“底板相对隔水层”的概念,指出煤层底板突水不仅与隔水层厚度有关,还受水压力影响,提出以“等值隔水层厚度与水压力之比”作为衡量标准。同时期,Slesarev^[9]引入固定梁概念,推导出煤层底板理论安全水压值的计算公式。20世纪60—70年代,有学者根据矿井不同的地质构造和水文地质条件对相对隔水层厚度进行了理论分析。中国煤炭科工集团西安研究院(集团)有限公司在相对隔水层理论的基础上,首次提出突水系数概念。自该概念提出以来,突出系数公式历经众多学者的持续修改与完善^[10-11]。水害防治技术以疏水降压和留设防隔水煤(岩)柱为主,但疏水降压易造成严重的水资源浪费及污染问题,同时煤层底板奥灰含水层富水性强,难以取得理想疏降效果,于是在20世纪70年代中后期提出帷幕注浆、煤层底板注浆等方式,对含水层、隔水层进行改造和加固^[12-13]。20世纪80—90年代末,Santos等^[14]基于强度准则原理,分析了煤层底板隔水层的抗压能力;中国学者相继提出“下三(四)带理论”“原位张裂及零位破坏理论”“隔水关键层理论”“薄板结构”“突水优势面”“强渗通道学”“岩-水-应力学说”及“递进导升”等,对煤矿底板水害防治具有极大推进作用^[15]。20世纪80年代至今,煤层底板水害防治技术持续发展并取得显著成效。尹尚先等^[16]针对邯邢矿区深部奥灰及薄灰底板结构特征,提出了“四位一体”深部底板水害综合防治方法。靳德武等^[17]围绕华北型煤田底板突水监测难题,建立了底板水害三维监测与智能预警系统。赵庆彪^[18]在大采深高承压水头条件下,提出“区域超前治理”理念及相应的防治水原则。曾一凡等^[19]从充水因素、隐蔽致灾因素和水文地质条件三个方面构建系统性防控措施框架,并结合信息化趋势,提出透明矿山、水害监测预警与应急救援等配套技术方案。

随着深部矿山应力、温度和水压条件不断增强,采掘扰动对底板隔水层原生裂隙的激活效应日益显著,底板突水呈现出裂隙扩展型等新的致灾特征^[20]。深部有效应力场的改变可促使原生裂隙在水压作用下发生损伤、扩展与贯通,形成高效导水通道,成为高承压水突水的重要诱因。已有研究为认识这一过程奠定了基础,张妍等^[21]通过裂隙灰岩拉剪试验及数值模拟揭示了复杂裂隙的扩展路径与破裂模式。曹加兴等^[22]利用透明类岩石试件,在渗透水压与单轴压缩条件下直观观察了单裂隙与双裂隙内部的起裂-扩展-贯通全过程。李国栋等^[23]基于有限元-离散元耦合方法(finite-discrete element method,FDEM)构建了考虑时间效应与尺寸效应的裂隙扩展-注浆耦合模型,并在实验室与工程尺度验证了裂隙岩体的破裂演化机制。尽管上述研究从试验与模拟层面深化了对裂隙破裂过程的认识,但针对隔水层原生裂隙扩展型突水模式尚缺乏系统、工程化的机理揭示与防控技术验证。基于此,以峰峰矿区九龙矿15252N工作面底板突水为例,构建隔水层力学模型,并结合流固耦合数值模拟与相似材料物理模拟再现突水过程,提出针对性底板水害防控关键技术,为水文地质条件复杂矿区的水害防治工作提供参考。

1 研究区概况

1.1 矿井概况

九龙矿位于河北省邯郸市的西南部,鼓山背斜东翼,东武仕水库西侧,东南距磁县县城约15 km。井田南北走向长约为8 km,东西倾斜宽约为2.5 km,面积20 km²。矿井北以F₉断层为界,南以F₂₆断层为界,与梧桐庄矿相邻,西以F₈断层为界,东以2^#煤层-900 m等高线为人为边界(图1)。

九龙矿区内多为新生界松散及半固结沉积物覆盖,基岩出露较少。井田范围内自上而下分布着多个含水层,各个含水层之间均有一定厚度的隔水层,其中对矿井生产威胁最大的是大青灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层(图2)。

1.2 工作面突水概况

15252N工作面位于九龙矿南二下部采区,标高为-760~-825 m,走向长度471~522 m,倾向长度95.0~178.6 m。工作面开采2^#煤层,煤层厚度平均2.4 m,煤层直接顶板为厚度2.2 m的砂质泥岩,直接底板为厚度2.0 m的砂质泥岩。15252N工作面掘进过程中共揭露了DF_15-2、F_15-1、和DF₁₅三条大断层,其中位于工作面上下顺槽的F_15-1断层,走向75°,落差H=50 m,对工作面开采影响最大。

2017年1月17日17:00,九龙矿15252N工作面回采2^#煤层过程中发生煤层底板突水,突水位置位于工作面采空区内部,突水量初期很小,之后逐渐增大,导致工作面被淹。15252N工作面突水后奥灰含水层水位变化与工作面突水量变化趋势相同,而同期煤层底板大青灰岩水位基本未发生大幅波动。在后期工作面突水治理过程中,查明15252N工作面下侧70 m处存在一条落差50 m的F_15-1断层。且堵水注浆钻孔施工过程中,在太原组灰岩和奥陶系灰岩含水层中揭露出多处冲洗液漏失点。对漏失点进行压水试验,结果显示孔口压力均为零,表明太灰和奥灰含水层中导水通道较为畅通,煤层底板隔水层内存在较为发育的原生裂隙(图3)。综合分析,九龙矿15252N工作面突水水源为奥陶系灰岩含水层,突水通道为隔水层原生裂隙。

九龙矿15252N工作面2^#煤层距下伏奥陶系含水层的距离约为120 m,突水系数小于0.06 MPa/m,煤层正常开采不会发生奥灰含水层突水事故。九龙矿15252N工作面开采过程中未直接揭露导水构造,却发生煤层底板采空区滞后突水(图4),说明其突水机理复杂,需要采取多手段同时进行分析和论证。

2 九龙矿15252N工作面突水力学分析

2.1 九龙矿15252N工作面突水力学模型

基于岩石力学原理和“下三带”理论,建立沿煤层走向九龙矿15252N工作面突水力学模型,如图5所示。

在九龙矿15252工作面回采过程中,煤层底板岩层受采动矿压的影响经历了压缩-膨胀-压缩的变形过程,其岩层连续性和导水性都发生了改变,形成煤层底板导水破坏带H₁。在开采扰动和高承压水的作用下,奥灰含水层的承压水沿F_15-1断层渗流导升,形成承压水导升带H₃。在导水破坏带和承压水导升带之间,存在着岩层连续性和导水性未发生改变的完整岩层带H₂。由于工作面煤层底板隔水层中含有较发育的原生裂隙,破坏了煤层底板保护带的完整性。在矿山压力作用下,基于断裂力学理论,隔水层原生裂隙上部尖端处出现应力集中,当原生裂隙自身尖端强度大于其临界值时,裂隙长度就会扩展,形成局部剪切贯穿裂隙带ΔH₁。同时在采动应力和高承压水的压裂扩容作用下,原生裂隙下部与周围的剪切贯穿裂隙带相互连接(ΔH₂),进一步减少了隔水层的有效保护厚度。当ΔH₁+ΔH₂大于隔水层有效厚度(M₁)时,煤层底板有效保护层厚度为零,从而造成煤层底板突水事故的发生。

2.2 九龙矿15252工作面突水力学判据

根据九龙矿15252工作面突水力学模型,从导水破坏带形成、原生裂隙扩展和承压水渗流导升三个方面分析九龙矿15252工作面突水力学判据。

2.2.1 导水破坏带深度力学判据

根据塑性滑移线理论和半无限弹性体理论,沿煤层走向在任一点M处采动底板中的主应力为

(1)$\left\{\begin{array}{l}\sigma_{1}=\frac{(k+1) \gamma H}{2 \pi}(\alpha+\sin \alpha)+\gamma H_{1} \\\sigma_{3}=\frac{(k+1) \gamma H}{2 \pi}(\alpha-\sin \alpha)+\gamma H_{1}\end{array}\right.$

式(1)中:σ₁为采动范围内煤层底板岩层垂直主应力,MPa;σ₃为采动范围内煤层底板岩层水平主应力,MPa;k为工作面超前支承压力集中系数;γ为采场底板岩体平均容重,kN/m³;α为煤层倾角,(°);H为煤层埋深,m。

沿煤层走向在任一点M处采动底板中的主应力符合极限平衡条件,将最大、最小主应力代入摩尔-库伦准则,则有

(2)$\frac{\sigma_{1}-\sigma_{3}}{2}=C \cos \varphi_{0}+\frac{\sigma_{1}+\sigma_{3}}{2} \sin \varphi_{0}$

式(2)中:ϕ₀为底板岩体平均摩擦角,(°);C为底板岩体平均内聚力,MPa。

根据dH₁/dα=0,可求出煤层底板导水破坏带的最大深度为

(3)$\begin{aligned}H_{1}= & \frac{(k+1) \gamma H}{2 \pi}\left[\cot \varphi_{0}-\arccos \left(\sin \varphi_{0}\right)\right]- \\& \frac{C \cot \varphi_{0}}{\gamma}\end{aligned}$

2.2.2 承压水渗流导升力学判据

根据F_15-1断层活化力学模型,沿断层面的正应力σ_d和剪应力τ_d为

(4)$\left\{\begin{array}{l}\sigma_{\mathrm{d}}=\frac{\sigma_{1}+\sigma_{3}}{2}+\frac{\sigma_{1}-\sigma_{3}}{2} \cos 2 \beta_{\mathrm{d}}-P_{\mathrm{d}} \\\tau_{\mathrm{d}}=\frac{\sigma_{1}-\sigma_{3}}{2} \sin 2 \beta_{\mathrm{d}}\end{array}\right.$

式(4)中:β_d为断层倾角,(°);P_d为承压含水层在F_15-1断层面上的孔隙水压力,MPa。

根据摩尔-库伦准则,F_15-1断层的抗剪强度τ_r为

(5)$\tau_{\mathrm{r}}=C_{\mathrm{d}}+\sigma_{\mathrm{d}} \tan \varphi_{\mathrm{d}}$

式(5)中:C_d为断层带的内聚力,MPa;ϕ_d为断层带的内摩擦角,(°)。

当σ₁和σ₃在F_15-1断层上产生的剪切力τ_d大于τ_r时,F_15-1断层上下两盘产生剪切滑移而活化破坏,承压水沿F_15-1断层渗流导升,即

(6)$\tau_{\mathrm{d}} \geqslant C_{\mathrm{d}}+\sigma_{\mathrm{d}} \tan \varphi_{\mathrm{d}}$

假定τ_d=τ_r的临界状态,将式(4)、式(5)代入式(6),整理可得承压水沿F_15-1断层渗流导升的临界水压力为

(7)$\begin{array}{c}P_{\mathrm{d}} \geqslant \frac{(1+\lambda) k \gamma H}{2}+\frac{(1-\lambda) k \gamma H \cos 2 \beta_{\mathrm{d}}}{2}- \\{\left[\frac{\frac{(1-\lambda) k \gamma H \sin 2 \beta_{\mathrm{d}}}{2}-C_{\mathrm{d}}}{\tan \varphi_{\mathrm{d}}}\right]}\end{array}$

2.2.3 隔水层原生裂隙扩展力学判据

煤层底板隔水层原生裂隙垂向距离有限,可以将其简化为受到采动压力和高承压水作用下一个压剪裂纹。在采动影响下,原生裂隙上部发生自上而下的扩展,其第i次扩展增量记为ΔH₁_i。原生裂隙上部裂纹表面有效正应力σ_y和有效剪应力τ_y可分别表示为

(8)$\left\{\begin{array}{l}\sigma_{\mathrm{y}}=\frac{\sigma_{1}+\sigma_{3}}{2}-\frac{\sigma_{1}-\sigma_{3}}{2} \cos 2 \beta_{\mathrm{y}} \\\tau_{\mathrm{y}}=\frac{\sigma_{1}-\sigma_{3}}{2} \sin 2 \beta_{\mathrm{y}}\end{array}\right.$

式(8)中:β_y为原生裂隙倾角,(°)。

由弹性断裂力学可知,无水压作用下单裂隙岩石Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型裂纹的应力强度分别为

(9)$K_{\mathrm{I}}=\sigma \sqrt{\pi a}$

(10)$K_{\text {II }}=K_{\text {III }}=\tau \sqrt{\pi a}$

式中:a为原始裂隙的平衡长度,m;σ为裂纹正应力,MPa;τ为裂纹剪应力,MPa。

由于闭合裂隙面的摩擦作用及充填物的影响,裂隙中的有效剪应力τ_c为

(11)$\tau_{\mathrm{c}}=\tau_{\mathrm{y}}-\sigma_{\mathrm{y}} \tan \varphi_{y}-C_{\mathrm{y}}$

式(11)中:ϕ_y为隔水层原生裂隙摩擦角,(°);C_y为原生裂隙充填物的内聚力,MPa。

将式(8)、式(11)代入式(9)、式(10)中可得原生裂隙上部Ⅰ型、Ⅱ型的强度因子为

(12)$K_{\mathrm{I}}=\left(\frac{\sigma_{1}+\sigma_{3}}{2}-\frac{\sigma_{1}-\sigma_{3}}{2} \cos 2 \beta_{\mathrm{y}}\right) \sqrt{\pi a}$

(13)$\begin{aligned}K_{\text {II }}= & {\left[\frac{\sigma_{1}-\sigma_{3}}{2} \sin 2 \beta_{\mathrm{y}}-\left(\frac{\sigma_{1}+\sigma_{3}}{2}+\right.\right.} \\& \left.\left.\frac{\sigma_{1}-\sigma_{3}}{2} \cos 2 \beta_{\mathrm{y}}\right) \tan \varphi_{\mathrm{y}}-C_{\mathrm{y}}\right] \sqrt{\pi a}\end{aligned}$

由复合裂纹断裂准则可知,当λ₁₂K_Ⅰ+K_Ⅱ≥K_Ⅱ_c时(λ₁₂为压剪系数),原生裂隙上部裂纹扩展,即ΔH₁=L₁cosβ_y,其中L₁可表示为

(14)$L_{1}=\frac{\left(\frac{K_{\mathrm{II}}}{\lambda_{12} K_{\mathrm{I}}+K_{\mathrm{II}}}\right)^{2}}{\pi}$

式(14)中:L₁为原生裂隙上部在采动影响下的扩展总长度,m;λ₁₂为压剪系数;K_Ⅱc为剪切断裂韧度,MPa·m^1/2。

在采动和高承压水影响下,原生裂隙下部发生自下而上的扩展,其第i次扩展增量记为ΔH₂_i。原生裂隙下部裂纹表面有效正应力可表示为

(15)$\sigma_{\mathrm{n}}=P_{\mathrm{y}}+\frac{\sigma_{1}-\sigma_{3}}{2} \cos 2 \beta_{\mathrm{y}}-\frac{\sigma_{1}+\sigma_{3}}{2}$

式(15)中:P_y为承压含水层对原生裂隙下部裂纹表面的渗透压力,MPa。

隔水层原生裂隙下部岩石充水后将软化,其摩擦角和内聚力都会发生变化,因此,原生裂隙下部裂纹表面有效剪应力可表示为

(16)$\tau_{\mathrm{n}}=\frac{\sigma_{1}-\sigma_{3}}{2} \sin 2 \beta_{\mathrm{y}}-\sigma_{\mathrm{n}} \tan \varphi_{\mathrm{n}}-C_{\mathrm{n}}$

式(16)中:τ_n为水岩作用下原生裂隙下部有效剪应力,MPa;ϕ_n为水岩作用下原生裂隙下部摩擦角,(°);C_n为水岩作用下原生裂隙下部充填物的内聚力,MPa。

原生裂隙下部Ⅰ型、Ⅱ型的强度因子可分别表示为

(17)$K_{\mathrm{I}}=\left(P_{\mathrm{y}}-\frac{\sigma_{1}+\sigma_{3}}{2}+\frac{\sigma_{1}-\sigma_{3}}{2} \cos 2 \beta\right) \sqrt{\pi a}$

(18)$K_{\text {II }}=\left(\frac{\sigma_{1}-\sigma_{3}}{2} \sin 2 \beta-\sigma_{\mathrm{n}} \tan \varphi_{\mathrm{n}}-C_{\mathrm{n}}\right) \sqrt{\pi a}$

由复合裂纹断裂准则可知,当K_Ⅰ+K_Ⅱ=K_Ⅱc时,原生裂隙下部裂纹扩展,即ΔH₂=L₂cosβ_y,其中L₂可表示为

(19)$L_{2}=\frac{\left(\frac{K_{\text {II } \mathrm{c}}}{K_{\mathrm{I}}+K_{\mathrm{II}}}\right)^{2}}{\pi}$

式(19)中:L₂为原生裂隙下部在采动和承压水水压影响下的扩展长度,m。

当H₁+ΔH₁+ΔH₂+H₃大于煤层底板隔水层厚度M时,原生裂隙与导水破坏带、承压水导升带相互导通,从而造成煤层底板突水事故。

3 数值模拟与物理模拟(相似材料)

3.1 数值模拟

3.1.1 模型建立

根据峰峰矿区九龙矿15252N工作面实际地质、水文地质条件,基于FLAC^3D有限差分程序,建立九龙矿15252N工作面数值模型,如图6所示。数值模型中的顶底板岩层力学参数与实际15252N工作面基本一致,如表1所示。通过研究煤层底板隔水层原生裂隙及断层带塑性破坏区的发育特征,以及开采过程中煤层底板有效隔水层厚度的转化关系,揭示了九龙矿15252N工作面的底板突水机理。

数值模型沿走向(X)、倾向(Y)和垂向(Z)的尺寸分别为900 m×240 m×400 m,共划分出15 144个单元,18 853个节点。为了抵消边界效应,沿X轴、Y轴各留设100 m、50 m煤柱。数值模拟2^#煤厚2.4 m,F_15-1断层倾角45°,宽度为30 m。根据现场调查资料,将隔水层中发育的原生裂隙理想概化为倾角60°、宽度1 m、倾斜长度35.8 m的裂隙体。裂隙体在材料属性赋值方面,采用与完整岩体不同的弱化参数,包括体积模量、剪切模量、内聚力、抗拉强度、内摩擦角等,以模拟其更易变形、开裂、剪切破坏的特性。为更加精细地表征裂隙扩展及导水通道形成过程,对2^#煤层、煤层底板完整岩层带、底板隔水层原生裂隙及F_15-1断层区域进行单元加密划分,确保能够捕捉其在开采扰动下的力学响应和渗流路径变化(图7)。

结合工作面现场实际情况设定模型边界初始条件,将模型的底部边界设定为固定位移面,顶部边界为位移自由面,侧部边界施加位移为零的水平约束。模型顶部施加10.64 MPa的均匀载荷,以等效模型顶板边界上层岩土层的自身重力,模型底部奥陶系灰岩含水层设置9.2 MPa的初始水压。模型中15252N工作面2^#煤层采用沿走向分步开采的方式,一次采全高,顶板管理采用全部垮落法,每步开采长度为25 m,共计推进20步,累计长度模拟 500 m。为了更好地监测工作面推进时煤层底板隔水层原生裂隙扩展贯通和承压水渗流导升协同突水的情况,主要在煤层底板、隔水层原生裂隙和F_15-1断层带内处网格式布置多个监测点(图8)。

3.1.2 模拟结果分析

随着九龙矿15252N工作面开采2^#煤,工作面前后两端应力重新分布形成集中应力。集中应力会打破煤层底板隔水层原生裂隙和F_15-1断层原有的应力状态,当煤层底板原生裂隙和F_15-1断层带附近集中应力的强度大于其自身的临界值时,就会发生损伤破裂进而出现塑性破坏区。为了研究不同开采步距条件下煤层底板隔水层原生裂隙和F_15-1断层带塑性区破坏特征,特选取关键节点的塑性区图进行分析(图9)。

如图9所示,随着工作面的推进,煤层顶底板、切眼、工作面前端和F_15-1断层内部破坏形式以剪切破坏为主,断层外侧和采空区顶底板破坏形式以拉伸破坏为主。工作面推进50 m时,采空区右下侧岩层发生剪切破坏,塑性破坏深度为4 m,原生裂隙下方发生剪切破坏18.47 m,F_15-1断层受采动影响下部也发生剪切破坏;推进300 m时,煤层底板塑性破坏深度达到20 m,原生裂隙从上而下扩展3 m,原生裂隙下部的山、伏青灰岩发生破碎;推进325 m时,煤层底板导水破坏带与原生裂隙上部相连接,但原生裂隙尚未扩展贯通;工作面推进350 m时,原生裂隙完全贯通,煤层底板塑性区破坏深度进一步增大;推进375 m时,F_15-1断层左侧和原生裂隙下部的山、伏青灰岩发生破碎,但承压水递进导升带尚未完全贯通;推进450 m时,煤层底板导水破坏带、原生裂隙和承压水递进导升带相连接,此时有效隔水层厚度为零,造成突水事故的发生。

通过分析不同开采步距条件下煤层底板隔水层原生裂隙和F_15-1断层带塑性区破坏特征,结合导水破坏带和承压水导升带厚度发育规律,得出了开采过程煤层底板有效隔水层厚度转化关系表(表2)。根据开采过程中煤层底板塑性区破坏特征和有效隔水层厚度转化关系,将九龙矿15252N工作面突水过程划分为煤层底板导水破坏带形成、原生裂隙扩展、承压水渗流导升三个灾变演化阶段。第一阶段在采动应力作用下,随着工作面开采(0~150 m),煤层底板导水破坏带深度逐渐增加,并稳定在20 m;第二阶段随着工作面开采(300~350 m),原生裂隙受超前压力的影响不断扩展,与周围局部剪切贯穿裂隙带相连接,进一步减小煤层底板有效隔水层厚度;第三阶段随着工作面开采(100~450 m),在采动矿压和承压水水压的共同作用下,奥灰含水层承压水沿着F_15-1断层渗流导升。当承压水导升带与剪切贯穿裂隙带、底板导水破坏带联通,共同组成奥灰水进入工作面的突水通道。

3.2 物理模拟(相似材料)

3.2.1 模型建立

根据九龙矿15252N工作面实际的地质条件,建立九龙矿15252N工作面相似材料模拟模型(图10)。确定模拟试验几何相似比为500,容重相似比为1.5,时间相似比为10,应力相似比110,渗透系数相似比为0.1。模型上部和水平施加均布载荷模拟实际围岩的受力状态,模型前后为透明的亚克力板,可以清晰地观察试验过程中煤层底板隔水层原生裂隙扩展和承压水沿断层渗流导升情况。本次模拟试验采用石蜡作胶结剂,抗磨硅油作调节剂,云母片作分层材料,河砂、砾石、碳酸钙、水泥和石膏为骨料制作满足顶底板岩石性质的相似模拟材料。相似材料模拟模型制作之前对膏砂比和灰砂比对渗透系数的影响进行了正交试验,按照不同的比例配置的相似材料均满足试验中岩石力学和水理性质的变化要求。底板隔水层原生裂隙采用倾斜插设云母片的方式模拟裂隙面,在裂隙区域使用较高渗透性的材料填充,清晰展示裂隙在应力扰动和水压作用下的张开、扩展和导通过程。模型煤层顶底板、原生裂隙、F_15-1断层带的岩性参数及相似材料配比如表3所示。

模型在垂直方向利用垂直液压加载系统施加0.092 MPa均匀荷载,在侧边施加0.08 MPa均匀荷载,设置奥灰含水层水压为0.09 MPa。为避免在采动过程中边界效应的影响,在模型最左侧留设 25 cm 的煤柱。模型采用分布开采方式开采2^#煤,每步开采距离5 cm,共计开采20步,累计长度模拟100 cm。开采每次间隔1 h,重点观察煤层底板隔水层原生裂隙扩展和承压水沿F_15-1断层渗流导升等区域的变化现象。

3.2.2 模拟结果及分析

为了更直观地观察煤层底板隔水层原生裂隙在采动和高承压水作用下扩展过程,15252N工作面开采与监测底板损伤破裂、隔水层裂隙扩展、承压水渗流导升现象同时进行。通过分析煤层底板隔水层破裂、原生裂隙扩展和承压水导升高度三者之间的关系,揭示九龙矿15252N工作面突水机理,如图11所示。

如图11所示,随着工作面的开采,煤层顶板岩层出现离层、初次来压、垮落、周期来压。开切眼后,工作面后端顶底板岩层在应力集中作用下发生剪切破坏产生裂隙;开采10 cm后,顶板岩层出现离层;开采25 cm后,顶板岩层初次垮落;开采30 cm后,工作面顶板出现初次来压,老顶全部垮落,煤层底板隔水层原生裂隙不断扩展产生翼状次生裂隙,F_15-1断层带内的承压水高度进一步抬升;开采88 cm后,工作面出现周期来压现象,隔水层原生裂隙扩展的深度和承压水导升高度进一步增加,证明了煤层底板隔水层原生裂隙的扩展和承压水的渗流导升与顶板周期来压的规律密切相关;当工作面开采到90 cm时,导水破坏带、原生裂隙和承压水导升带相互沟通,工作面发生突水。

煤层底板隔水层在受到采动压力破坏后,从上而下可划分为:导水破坏带、有效隔水带、承压水导升带。随着工作面开采,导水破坏带的范围变大,在采动矿压作用下隔水层原生裂隙沿最薄弱的方向扩展,形成局部剪切贯穿裂隙带,同时在承压水流楔劈、软化作用下,原生裂隙与周围局部剪切贯穿裂隙带相互贯通,有效保护带的厚度逐渐减小。随着工作面的推进,在采动矿压和承压水水压的共同作用下,承压水沿断层渗流导升,承压水导升带范围进一步扩大,当承压水导升带与原生裂隙、导水破坏带相连接时,此时有效隔水层厚度为零,奥灰水通过突水通道进入工作面,导致煤层底板突水事故的发生。

4 隔水层原生裂隙扩展型突水模式

随着深部矿山条件愈趋复杂,采掘扰动愈加强烈,地应力、温度和水压逐步增大会改变深部岩体结构的有效应力分布,从而驱动煤岩体内原生裂隙发生损伤破裂、扩展贯通,形成良好的导水通道,此类模式极易引发煤层底板高承压水突水事故,为当前的深部矿井水害防治带来了很大挑战。因此,初步归纳了隔水层原生裂隙扩展型底板突水模式。该模式表现为:随着煤层开采的持续推进,在采动矿压与高承压水共同作用下,煤层底板隔水层内原生裂隙不断扩展并逐步贯通,最终形成导水通道,进而诱发煤层底板突水。九龙矿15252N工作面突水通道以隔水层原生裂隙为主,属于典型的隔水层原生裂隙扩展型底板突水。

通过力学分析、数值模拟和物理模拟(相似材料)等方法分析了隔水层原生裂隙扩展型突水模式致灾机理,即在开采扰动和高地应力作用下,煤层底板隔水层原生裂隙逐渐形成局部剪切贯穿裂隙带。由于深部煤层底板隔水层的原生裂隙在高承压水的压裂扩容作用下更易扩展,原生裂隙与周围的剪切贯穿裂隙带相互连接,隔水层完整岩层带的厚度不断减少。在强烈的开采扰动、矿压和高压奥灰水的联合作用下,原生裂隙与导水破坏带、承压水导升带相互导通时,煤层底板有效隔水层厚度为零,从而造成煤层底板奥灰突水事故的发生。

5 防控关键技术

随着深部煤层开采时代的到来,煤层底板突水呈现出一系列新的问题与特征。例如,埋深近千米条件下奥陶系灰岩含水层仍发育强径流带和富水区,强导水微型隐伏陷落柱突水通道相继被发现,深部原生裂隙在“三高一扰动”条件下也更易发生扩展与贯通。同时随着智能化煤矿建设^[24]步伐加快和《关于加强矿井水保护和利用的指导意见(发改环资[2024]226号)》^[25]的颁布,传统以“预防与治理”为核心的浅部和中等采深矿井防治水理念,已难以适应大采深、高水压条件下深部矿井水害防治的实际需求,亟需向以“预防-保护-治理-利用”协同并重为核心的全生命周期深部矿井防治水理念转变。

峰峰矿区煤系基底为厚约600 m的奥陶系灰岩,具备良好的补给条件、强富水性及高承压水头特征,为矿井突水提供了充足的物质基础与动力来源。即使在相对封闭滞流条件下,孤立、隐伏的强导水陷落柱、褶皱、断层带及原生裂隙等地质异常体的发育,仍可能构成奥灰强径流带涌入采掘空间的良好突水通道。针对异常地质体构造引发的突水风险,提出一种“立体识别-参数验证-超前治理”的防控技术路径,作为深部矿井开采水害防控的核心支撑技术。一是在工作面开拓前,采用三维地震、可控源音频大地电磁法、瞬变电磁法等综合物探手段,对异常地质体的空间分布、产状、充填状态和导水性进行宏观识别;二是在接近异常构造时,利用“长探长掘”结合钻探、观水、测压等手段开展水文地质参数验证,明确导水通道的位置、规模与导水能力^[26];三是依据“突出重点、兼顾一般”的原则,对导水通道及奥灰顶板裂隙带实施定向注浆、压密注浆等加固改造措施,从源头消除突水风险,提升底板隔水层的完整性与阻水能力^[27-28]。考虑到深部突水通道普遍存在断面小、埋深大、水力联系局限等特点,需进一步提升三维地球物理探测精度,发展高效定向钻探和智能注浆等手段,以实现对深部突水隐患的精准识别与高效治理。

6 结论

(1)基于岩石力学原理,从导水破坏带形成、原生裂隙扩展和承压水渗流导升三个方面建立隔水层九龙矿15252N工作面突水力学判据,当H₁+ΔH₁+ΔH₂+H₃大于煤层底板隔水层厚度M时,原生裂隙与导水破坏带、承压水导升带相互导通,从而造成煤层底板突水事故。

(2)采用数值模拟和物理模拟(相似材料)试验再现九龙矿15252N工作面突水过程,根据开采过程中煤层底板塑性区破坏特征和有效隔水层厚度转化关系,将九龙矿15252N工作面突水过程划分为煤层底板导水破坏带形成、原生裂隙扩展、承压水渗流导升三个灾变演化阶段。

(3)以峰峰矿区九龙矿15252N工作面煤层底板突水为例,通过力学分析、数值模拟和物理模拟(相似材料)等多方法分析了隔水层原生裂隙扩展型突水模式致灾机理。在采动矿压作用下导水破坏带的范围和深度变大,隔水层原生裂隙沿最薄弱的方向扩展,形成局部剪切贯穿裂隙带,同时在承压水楔劈、软化作用下,原生裂隙与周围局部剪切贯穿裂隙带相互贯通,进一步减小煤层底板有效隔水层厚度。在采动矿压和承压水水压的共同作用下,承压水沿断层渗流导升,承压水导升带范围进一步扩大,当承压水导升带与原生裂隙、导水破坏带相连接时,奥灰水通过导水通道进入工作面,导致煤层底板突水事故的发生。

(4)峰峰矿区已逐步形成以超前区域治理为代表的水害超前预防技术,以及以过水大通道控制注浆为代表的突水快速封堵技术。随着煤矿开采深度与开采强度持续增大,局部区域底板突水风险不断上升,且大量矿井闭坑后所面临的环境与安全问题日益显现,现有防治水技术体系已面临新的挑战。今后煤层底板水害防治研究应重点聚焦深部煤层底板岩溶含水层突水机理与危险性评价、开采过程底板突水监测预警、导水通道超前精准探查与治理,以及关闭(废弃)矿井风险评估与水环境污染防治等方向。

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基金资助

国家自然科学基金面上项目(42472326)

陕西省自然科学基础研究计划重点项目(2023-JC-ZD-27)

陕西省自然科学基础研究计划面上项目(2024JC-YBMS-230)

陕西省重点研发计划社会发展领域(2025SF-YBXM-510)

河北省自然科学基金面上项目(D2025402025)

中煤科工西安研究院(集团)有限公司科技创新基金(2023XAYJS29)

中煤科工西安研究院(集团)有限公司科技创新基金(2024XAYJS07)

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Received	Published	Revised
2025-09-25	2026-06-08	2025-11-27
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2026-08-07

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