, 刘洪磊, 赵永川东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2016-06-06
基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(2013CB227902);国家自然科学基金资助项目(51574059, 51404067)。
作者简介：师文豪(1988-), 男, 河南洛阳人, 东北大学博士研究生;
杨天鸿(1968-), 男, 辽宁抚顺人, 东北大学教授, 博士生导师。
摘要：以中关铁矿采动断层突水为例, 对连续开挖过程断层活化顶板突水进行有限元模拟, 从力学角度研究断层带应力和损伤区迁移过程, 分析断层活化机制.研究表明:连续开挖是造成断层损伤区产生、累积扩展到贯通的主要诱因; 随着开挖推进断层带内剪应力集中区域沿断层从上到下逐渐向顶板转移, 断层损伤区状态由压剪变为拉剪, 并不断扩展; 损伤区在断层揭露时完全贯通, 形成导水通道并诱发突水灾害.因此, 对于工作面前方的非导水断层, 采用水平超前钻孔未必能查明断层活化导水情况, 为确保安全, 需补充斜向上钻孔, 探查更高位置断层的导水性.
关键词：开挖断层活化突水数值模拟中关铁矿
Numerical Simulation on the Mechanism of Fault Reactivation Induced Water Inrush Associated with the Excavating Process
SHI Wen-hao, YANG Tian-hong
, LIU Hong-lei, ZHAO Yong-chuanSchool of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Abstract: A case of water inrush through fault induced by mining in Zhongguan iron mine was studied by the finite element simulation. The fault stress and damage zones were analyzed to study the mechanism of fault reactivation-induced water inrush. The simulation results illustrate that the excavating process is the cause of damage zones initiation, accumulation, extension and coalescence. The fault shear stress concentration moves from the top downward to roof gradually. The compression-shear damage zone in the fault changes to tension-shear damage zone and grows gradually. When the fault is fully exposed, the connected damage zone provides a channel for the groundwater outburst and finally causes the inrush incident. Therefore, the conductivity of the natural waterproof fault cannot be completely confirmed by horizontal cover hole before excavations. To be safe, more acclivitous cover holes should be drilled to probe the conductivity of the fault in the higher positions for the further confirmation.
Key Words: excavationfault reactivationwater inrushnumerical simulationZhongguan iron mine
断层突水是威胁矿山安全的重要灾害类型之一, 在断层突水中, 又有许多是采动影响下断层活化突水.据统计[1], 在全国范围内突水量大于600 m3/h的突水案例中, 导水断层引起的占38.7 %, 采动作用下断层活化导水引起的占20 %.例如, 莱芜潘西矿发生的11次与断层有关的突水中, 5次是采动影响下断层活化突水.因此, 研究连续开挖诱导作用下断层活化突水机制对于指导矿山过断层巷道开挖及断层突水预测具有重要意义.
断层活化突水较一般导水断层更难以防范, 主要原因是断层活化导水具有较大的隐蔽性, 常规的勘探工作难以查明断层是否具有活化导水趋向, 也难以对断层是否发生活化导水进行预测[2-5].学者们采用不同的方法对断层活化导水机理进行了大量的研究[6-10]:李利平等[8]基于应力-渗流-损伤耦合效应对承压水上充填型断层活化突水机制进行了模拟研究, 认为导水断层倾角越小、断距越大, 越容易发生突水, 非导水断层突水则主要受控于充填介质的活化程度, 并划分了4种典型的突水通道形式, 同时认为突水受断层活化程度影响最为明显.煤矿开采中常采用预留一定宽度的防水煤柱来防范断层活化突水.Li等[9]采用基于损伤的强度折减法对临近断层的煤层巷道突水过程进行了数值模拟; Zhu等[10]基于损伤渗流模型对范各庄煤矿断层结构的导水特征进行了数值模拟, 针对不同的断层导水特性提出了安全的防水煤柱宽度.金属矿开采和巷道施工过程中不可避免要穿过断层带, 通常矿山对大型导水断层的勘察、突水安全评价和防治有足够的重视, 能够避免相应突水灾害的发生[11], 然而对隐伏断层尤其是非导水隐伏断层的活化过程认识不清, 重视程度明显偏低, 这也是导致非导水断层突水事故多发的重要原因之一[12].
中关铁矿于2013年9月27日工作面掘进揭露X1断层时发生突水淹井事故, 文献[12]从突水构造条件和地下水位监测结果两方面进行了研究, 对中关铁矿突水机理有了一定认识, 但由于未考虑连续开挖作用, 缺乏对连续开挖诱导作用下中关铁矿突水力学机制的深入分析, 因此, 本文以中关铁矿-260 m施工过程中顶板断层突水为例, 基于有效应力方程对连续开挖过程断层突水数值模型进行有限元分析, 从力学角度解释断层带应力和损伤区迁移过程, 深入研究非导水断层活化突水力学机制, 为非导水断层突水机理研究及突水预测提供参考.
1 工程背景概述中关铁矿位于河北省沙河市白塔镇中关村附近, 矿区地表标高+200~+270 m, 矿区地层自老至新发育有:下古生界奥陶系、上古生界石炭系、二迭系及新生界第四系.中关铁矿矿床赋存于燕山期闪长岩与奥陶系中统石灰岩接触带, 为隐伏式接触交代矽卡岩型磁铁矿, 详见文献[12].
奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙极其发育, 是主要含水层, 平均厚度约350 m, 分布于整个矿区, 根据埋藏条件为潜水含水层, 2013年矿区平均地下水位标高约为0.2013年9月27日, -260 m中段水仓中央变电所掘进施工过程, 揭露X1隐伏断层, 诱发突水淹井事故, 最大瞬时突水量480 m3/h[12].由于石灰岩含水层水量大, 围岩裂隙发育, 突水危险性较高, 中关铁矿基建过程中一直采用先探后掘的施工原则, 虽然突水前工作面超前钻孔探水曾探测到X1断层, 但因未发现突水水源, 所以没有引起足够的重视.
2 开挖诱导断层活化突水机制数值模拟2.1 有效应力本构模型中关铁矿奥陶系石灰岩水压力约2.2 MPa, 孔隙水压力对岩体应力的影响不容忽视, 根据Terzaghi有效应力原理, 岩体的有效应力本构方程可表示为
 | (1) |
 | (2) |
2.2 强度准则采用带抗拉强度的Mohr-Coulomb强度准则, 该准则是传统Mohr-Coulomb剪切强度准则与抗拉强度准则相结合的复合强度准则, 在地下围岩稳定性分析中广泛应用[8-10, 13-14], 剪切强度准则和抗拉强度准则分别表示为
 | (3) |
 | (4) |
 | (5) |
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 数值计算模型Fig.1 Numerical model (a)－数值模型；(b)－开挖方案. |
应力和位移边界条件:模型的两侧和底部边界均约束法向位移; 根据上覆岩体自重, 在模型顶部边界施加垂直向下的5.2 MPa均布载荷; 开挖巷道边界均为自由边界.
渗流边界条件:石灰岩顶部和两侧边界均为定水头边界, H=220 m; 下部闪长岩的两侧和底部边界均为不透水边界, 即▽p=0;开挖边界均为大气压力, 即pΓ=0.1 MPa[10].根据中关铁矿巷道施工现场的地质勘查、岩石力学室内试验和结构面测试数据, 采用岩体质量分级方法确定此次模拟的物理力学参数如表 1所示.本文着重研究开挖诱导断层结构的活化机制, 因此在断层损伤区未完全贯通形成导水通道之前暂不考虑损伤与渗流的耦合效应, 即保持渗透系数为常数; 在断层损伤区贯通形成导水通道之后, 将断层的渗透性提高3个量级[13], 模拟断层导水性的突变.采用COMSOL有限元软件对模型进行模拟计算, 为方便分析, 将巷道以上断层统称为上部断层, 巷道以下断层统称为下部断层.
表 1(Table 1)
 表 1 岩体物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of rock masses
| 表 1 岩体物理力学参数 Table 1 Physico-mechanical parameters of rock masses |
2.4 模拟结果分析模拟结果如图 2和图 3所示, 其中图 2为不同开挖时步的剪应力和损伤区分布云图(其中黑色表示损伤区), 图 3为-195 m至-255 m标高内上部断层中轴线(AA’位置)的剪应力、第三主应力和位移分布曲线.从图 2可以看出, 随着工作面的不断推进, 断层损伤区作为导水通道形成的重要指标表现出一定的演化规律, 下面对模拟结果进行具体分析:
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 不同开挖时步的剪应力和损伤区分布(单位:MPa)Fig.2 Shear stress and damage zone distribution induced by each step excavation (Unit: MPa) (a)－初始情况; (b)－第一步开挖; (c)－第二步开挖; (d)－第三步开挖; (e)－第四步开挖; (f)－第五步开挖. |
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 不同开挖时步下上部断层中轴线(AA’)上的应力和位移分布曲线Fig.3 Stress and displacement distribution of the profile AA' in fault X1 during the five-step excavation (a)－剪应力分布; (b)－第三主应力分布; (c)－位移分布. |
1) 在已有88 m×5 m巷道空间的初始情况下, 围岩损伤区主要集中在巷道周围, 分布于巷道的顶底板; 巷道两端局部剪应力集中, 存在大约11 m高的剪切损伤区, 对称分布于巷道端部的上下围岩内.在待开挖方向上, 围岩剪应力集中现象表现出向断层方向发展的趋势, 下部断层局部产生损伤区, 距底板垂直高度约25 m, 上部断层未产生任何损伤区(图 2a).
2) 第一步开挖, 即工作面向前推进10 m, 随着剪应力集中区域向断层发展, 下部断层损伤区沿着断层逐渐上移; 上部断层的剪应力集中程度较低, 大约在1.95~2.3 MPa, 平均位移约7.0 mm(图 3a和图 3c), 仍未见损伤区出现, 表明在距离断层中心水平距离35 m外进行的开挖扰动对上部断层影响较小, 断层仍保持相对完好的隔水性能(图 2b).
3) 第二步开挖, 即工作面向前推进至20 m, 上部断层在石灰岩和闪长岩交界最先出现剪应力集中2.44 MPa(图 3a), 在剪应力和主应力共同作用下产生压剪损伤区, 上部断层局部活化导水, 活化段由含水层向下最大只扩展至-224 m标高, 距离巷道顶板垂直高度31 m(图 2c).
4) 第三步开挖, 即工作面向前继续推进至30 m, 上部断层的最大剪应力集中位置与第二步相同, 数值增大至2.86 MPa, 相比第二步增大了17.2 % (图 3a), 上部断层的损伤区以最大剪应力集中区域为中心沿着断层向两头扩展, 断层活化导水段高度进一步增大(图 2d).
5) 第四步开挖, 即工作面向前继续推进至40 m, 工作面距离断层中心水平距离5 m, 上部断层最大剪应力集中点下移, 发生在-234 m水平, 距离巷道顶板垂直高度21 m, 剪应力高达3.75 MPa(图 3a).虽然上部断层损伤区的扩展趋势与第三步类似, 但却存在本质区别, 此次开挖上部断层-196 m至-234 m标高内的最小主应力由之前的压应力转变为拉应力(图 3b), 在剪应力和拉应力共同作用下产生拉剪损伤区, 拉应力使得断层内裂隙张开, 为石灰岩地下水渗入断层提供了有利条件, 进一步增大了突水的可能性.虽然上部断层损伤区持续扩展, 有沟通含水层与巷道的趋势, 但始终未与巷道围岩损伤区贯通, 上部断层损伤区距离巷道顶板垂直高度约10 m, 这10 m高的断层岩体未被活化、破坏, 仍保持较好的隔水性能, 这也是实际开挖前工作面水平超前钻孔探水未见明显突水水源的根本原因.如果不继续开挖, 可以有效防止突水事故的发生(图 2e).
6) 第五步开挖, 即工作面向前继续推进至50 m位置, 完全揭露断层.开挖卸荷作用改变了断层的临空条件, 导致巷道顶板的位移急剧增大至76.4 mm(图 3c); 该步开挖扰动使得围岩应力重新调整, 对断层影响尤为显著, 上部断层最大剪应力集中点继续下移至-252 m水平, 距离巷道顶板垂直距离仅3 m, 剪应力集中高达11.6 MPa, 巷道顶板拉应力集中至5.35 MPa(图 3a和图 3b), 远远超出了断层的抗剪和抗拉承载能力范围, 最终导致顶板大范围垮塌[12].上部断层损伤区完全贯通, 沟通了石灰岩含水层和巷道的水力联系, 断层内大范围的拉应力导致断层内节理裂隙进一步张开, 充填物胶结程度从较密实到疏松, 孔隙度增大, 由原来的隔水断层活化为导水断层, 地下水在高水压力作用下, 沿上部断层涌入巷道, 并带走断层内的泥砂质充填物, 使断层空隙结构连通性更好, 石灰岩含水层与巷道相连的突水通道水流更加顺畅, 最终导致突水灾害发生(图 2f).
3 结论1) 中关铁矿非导水断层突水是连续开挖作用下断层损伤区累积贯通的结果.巷道开挖诱发上部断层损伤区最先产生在与含水层交界位置; 随着开挖推进, 断层带内剪应力集中区域沿断层带从上往下逐渐向顶板转移, 断层损伤区状态由压剪转变为拉剪, 并不断扩展, 使得断层活化导水段高度不断增加; 直到断层完全揭露, 断层损伤区最终贯通, 沟通了上部石灰岩含水层与巷道的水力联系, 导致突水事故.
2) 中关铁矿突水实例的模拟结果表明, 非导水断层在采动诱导作用下可以逐步转变为导水断层, 巷道或空区开挖前对围岩进行详细的地质结构探查非常必要, 尤其要加强对连接含水层的隐伏断层结构的勘察, 无论其导水与否.对于工作面前方的非导水断层, 采用水平超前钻孔探测断层导水性能未必能反映出断层真正的导水情况, 为确保安全, 需进一步采用斜向上的超前钻孔进行补充探查, 如探查顶板上方10 m或更高位置断层的导水性能.
3) 基于有效应力方程对连续开挖过程数值模型的有限元方法能够较好地模拟开挖诱导作用下断层损伤区发生、扩展到贯通的整个演化过程, 便于工程应用, 模拟结果对于揭示采动作用下断层活化突水机理, 非导水断层突水预测有一定指导意义.
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