0 引 言
随着矿井开采深度的加大，岩溶水害对煤层底板的威胁日益突出，据相关资料统计，全国煤矿有48%矿井受水害威胁，影响储量达250亿t[1]。特别是在工作面有导水断层发育的情形下，底板突水事故发生的风险将显著递增，据相关资料统计，工作面突水事故的80%与断层有关[2-3]。针对断层活化突水的机理国内外专家学者，从数值模拟、理论推导等多个角度作了大量的深入研究，张拥军等[4]、杨登峰等[5]运用数值模拟软件重点分析了不同形态的隐伏断层对工作面突水行为的影响；李海燕等[6]对断层滞后突水渗-流转化机制进行了深入分析，提出了“开采扰动-渗透弱化”双阶段理论模型，并通过对本构方程的完善运用ANASYS软件再现了断层突水的3个主要阶段；李连崇等[7]通过RFPA2D-Flow分析了断层从活化到突水通道最终形成各个阶段的应力、位移、渗流场分布特点；陈忠辉等[8]利用断裂力学理论,推导出了导水断层发生劈裂破坏的临界水压力以及影响因素。这些研究为深化对断层突水行为的认识、有效治理工作面水患做出了重要贡献。
近年来随着试验设备的革新，相似材料试验在研究断层突水领域也被广泛应用，张培森等[9]相似材料试验平台研究了逆断层这在工作面推进过程中顶底板及断层带岩层的应力演化规律进；弓培林等[10]研制了大型的三维流固耦合试验平台，通过在煤层底板内部布置应力及位移测点得到了工作面推进过程中底板的全空间应力及位移分布图；文献[11-13]通过对相似材料试验平台的改进及试验材料配比的革新实现了底板与承压水的两相耦合，并分别再现了隐伏构造发育底板、断层构造发育底板、完整结构底板的突水过程，但在试验过程中部分岩层还是发生了较为严重的崩解现象；张保良等[14]、朱光丽等[15]虽然也对承压水的导升特性进行了研究，但因设备本身的限制，导致采集的数据连续性较差、精度较低，并且在分析过程中也没有将应力、位移等常规参数与承压水的导升状况结合到一起。
因此，研发一种能够对底板承压水导升高度实现连续监测的试验设备，并将工作面回采过程中断层带附近岩层的应力演化规律、裂隙发育规律及承压水导升特性进行系统分析，对于深入揭示断层活化突水的机理，保证工作面的安全开采具有重要的理论和现实意义。
1 模拟对象
工作面西北部边界发育有规模较大的正断层，该断层紧邻工作面运输巷(图1)，断层倾角70°，落差30～150 m。为提高煤炭资源采出率，拟通过注浆改造工艺对断层上下盘灰岩含水层进行有效封堵，从而在此基础上对与断层相邻的运输巷进行外扩。
图1 断层与工作面运输巷位置关系
Fig.1 Relationship between faults and position of roadway
2 承压水导升系统设计
承压水导升系统的原理如图2所示，该系统主要由立方体气囊、柔性履带、导升管、保压管、取水管、单片机、声呐探测器等关键部件组成(图3)。
图2 承压水导升系统结构示意
Fig.2 Structural sketch of pressurized hydraulic lift system
图3 承压水导升系统关键部件
Fig.3 Key components pressurized hydraulic lift system
试验前，在试验台底座上表面的前后两侧安装前护板和后护板，前、后护板的两端均与模拟试验台的左右立柱固定连接，形成安装槽。模型铺设前先将长方体气囊内注入额定压力的空气，气压值与试验所模拟的含水层水压值相等，然后将气囊嵌挤平铺在安装槽内,上部铺装柔性履带。导升管根据试验要求埋设在模型内部，在分层铺设过程中需保证压实闭合。导升管底部通过变径及管路控制阀与保压管连接，保压管长度根据试验所模拟的含水层水压力不同可进行调整。保压管在与取水管连接的过程中必须保证其密封性，水流导升高度的动态监测由取水管顶部的超声波传感器完成，并实时回传到电脑。
图4 承压水导升系统安装装置
Fig.4 Installation device of pressurized hydraulic lift system
煤层开采前需将保压管及承压水模拟管内注满水，在采动应力与含水层水压力的叠加影响下，当导升管所在部位有裂隙产生时，导升管内的水位会沿着裂隙向工作面方向上升，从而造成储水管中的水位的下降，超声波传感器不断监测储水管中的水面位置，利用管径和体积计算得到承压水上升的高度，从而实现煤层开采过程中导升管所在部位承压水导升高度的实时监测。
3 测点布设及开采方案
试验首先从距模型左侧边界15 cm处开挖到断层防水煤柱宽度为40 cm的位置，每2 h开采一次，每次推进5 cm。然后从断层防水煤柱宽度为40 cm处开始同样每2 h开挖一次，但推进步距缩短为2 cm。本次试验共布设20个应力传感器主要集中在断层带防水煤柱附近,及断层上下盘的一灰～四灰含水层的顶部(图5)。
图5 试验方案设计
Fig.5 Test scheme design
试验分别在断层带内、距离断层上盘边界15、30 cm处各放置一根导升管，敷设方向与断层倾角相同。导升管一直从灰岩含水层埋设到煤层的直接底中。断层下盘灰岩含水层的水压用特制的小型水囊进行模拟，分别埋设在一灰～四灰含水层厚度的1/2处。注浆管从距断层上盘40 cm的煤层中开始一直延伸到其对盘的灰岩含水层中。
4 试验结果分析
4.1 采动对底板岩层破坏规律的影响
因篇幅限制，笔者仅以测点1—测点4为例研究煤层采动过程中断层带附近底板岩层的应力演化规律。测点1从工作面开挖开始先后经历了采前压缩、采后膨胀、应力恢复3个基本阶段，因推过该测点10 cm后顶板便发生垮落，所以该测点卸压后的应力值仍为0.02 MPa，从应力值维持在正值状态可以间接推断出该区域内底板岩层的整个应力释放过程并不是特别的充分。测点2的变化趋势与测点1基本类似，但在具体数值上也存在部分差异，如在工作面从65 cm推进到100 cm的过程中测点2的应力值均大于测点1。产生这一现象的主要原因是测点2与测点1相比距离断层带较近，断层带作为一种不连续的地质弱面隔断了应力在岩层中传播。
图6 底板岩层应力演化规律
Fig.6 Stress evolution law of floor strata
4.2 采动对断层活化及对盘灰岩含水层扰动规律
当工作面从开切眼一直推进到距离断层带40 cm的过程中，整个断层带界面并未出现明显的离层或者滑移迹象如图7a所示，这说明40 cm(实际40 m)防水煤柱可有效抑制断层活化。当防水煤柱宽度为36 cm时，断层带下盘界面及对盘三灰、四灰所在位置出现了小范围的裂隙(图7b)，从裂隙大的分类角度判断主要是层向裂隙与纵向张拉裂隙，纵向裂隙发育角度与断层倾角平行高度为13 cm并且突破了三灰与四灰之间的粉砂岩，加大了二者发生水力联系的风险性，L1裂隙在四灰含水层附近向断层带发生了明显的偏转，甚至有1 cm的部分深入到了断层破碎带中，但并未切穿断层。所以在此时通过预埋的注浆管对整个断层带与下盘一灰至四灰贴临的部分进行注浆改造，浆液配料主要包括石膏、粉煤灰、河沙、水泥。
图7 不同防水煤柱尺寸条件下断层带附近岩层裂隙
Fig.7 Rock fracture near fault zone under different sizes of waterproof coal pillar
注浆模拟设备为活塞注射器模拟如图8a所示，注浆管入口与注射器的出口连接，以恒定速度挤压注射器活塞直至裂隙发育部位有浆液渗出。为保证注浆改造的效果从注浆完成到下次开挖中间间隔12 h，最终的注浆改造效果如图8b所示。
图8 试验注浆改造
Fig.8 Experimental grouting modification
在注浆改造完成后工作面又向前推进了6 cm(防水煤柱宽度变为30 cm)，在此过程中断层带及对盘灰岩含水层之间都没有新的裂隙发育，被浆液封堵的裂隙虽然有部分张开的现象，但是开度仅有2 mm，不可能对工作面安全生产带来实质性的影响。在30 cm防水煤柱宽度的基础上工作面再向前开挖2 m，此时断层带下盘区域离层量陡增，并且原先被浆液封堵的裂隙也再次张开(图9)。因此对断层带的注浆改造可缩短防水煤柱尺寸的宽度，但不能小于30 cm。
图9 防水煤柱尺寸为28 cm时裂隙发育
Fig.9 Fracture development map of waterproof coal pillar with 28 cm size
测点7距断层上盘界面的距离为5 cm所以采集到的数据基本可以反映煤层开采过程中断层带的受力特征。而L3导升管则埋设在断层带内将二者结合可以较为系统的反应断层带内承压水的导升特性。L3导升管内率承压水高的变化如图10所示。煤层开挖前L3管内的水流导升高度为4 cm，在工作面从5 cm推进到90 cm的过程中L3管内承压水的高度只增加了3 cm这说明在防水煤柱尺寸大于40 m的情况下可有效抑制断层活化。在此基础上工作面再向前开挖4 cm(此时防水煤柱尺寸为36 cm)水流高度已陡增到9.6 cm。在注浆改造完成浆液凝固12 h后又向前推进了6 cm(此时防水煤柱尺寸为30 cm)发现水流高度仍旧维持在9.6 cm，这说明在此条件下工作面的回采活动没有进一步刺激断层活化，但是在防水煤柱宽度为30 cm的基础上工作面再向前推进时水流导升高度又会陡增。
图10 L3导升管承压水高度变化
Fig.10 Variation of confined water height of L3 riser
工作面推进过程中断层下盘二灰～四灰顶部的应力变化曲线如图11所示，通过分析可知6个测点的应力变化趋势基本相同只是在数值上略有差异。在这里以测点15、测点16为例对灰岩含水层的应力演化过程进行分析。
图11 二灰～四灰含水层顶部应力变化曲线
Fig.11 Stress variation curve at top of lime-fly ash～lime-fly ash aquifer
当防水煤柱尺寸为40 cm时测点15的应力值仅为0.02 MPa，应力值偏小主要有2方面的原因：首先工作面距离测点较远所以二灰含水层受采动应力的影响较弱，其次断层的屏障作用在很大程度上削弱了峰值应力在煤层顶板岩层中的传递。当防水煤柱尺寸递减为36 cm时,测点15的应力已高达0.15 MPa，并且由图7b可知三灰～四灰之间的粉砂岩层已被导通，因此决定对断层采区注浆改造，注浆改造完成后当工作面在此基础上再向前开挖2 cm时，整个断层带的应力仍然保持在0.15 MPa，这说明注浆改造完成后二灰含水层已基本趋稳。当工作面在此基础上继续推进时，应力又出现了较大幅度的上升，当防水煤柱的宽度低于30 cm时，即使对相应区域的断层带进行注浆改造，断层发生活化突水的风险性仍是比较大的，结合图9b可知从防水煤柱及断层带裂隙发育规模判断继续缩短防水煤柱也是不可行的。
5 结 论
1)自主研发的承压水导升系统不仅使得含水层对底板岩体的力学效用得以体现，而且实现了煤层开采过程中断层带内水流导升高度的动态观测。
2)随着工作面的推进底板岩体会先后经历采前压缩、采后膨胀、应力恢复3个基本阶段，断层的“屏障”作用会造成其邻近区域底板应力集中、破坏范围加大。
3)随着防水煤柱尺寸的减小，断层带及对盘灰岩含水层受采动应力的扰动愈加明显，在煤柱尺寸为36 cm时断层带下盘界面及对盘三灰、四灰所在位置出现了小范围层向裂隙与纵向张拉裂隙，当工作面在30 cm防水煤柱宽度的基础上再向前推进时断层带下盘区域离层量陡增，并且原先被浆液封堵的裂隙也再次张开。
4)当防水煤柱尺寸小于36 cm后断层带内承压水的导升高度由原来的4 cm陡增到了9.6 cm，注浆工艺有效保证了煤柱宽度从36 cm缩减到30 cm的过程中水流导升高度仍维持在9.6 cm，但在煤柱宽度小于30 cm后，断层带内承压水的高度又会出现跃进式的递增。
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