0.   引言

矿井突水是与瓦斯突出、顶板来压等并列的煤矿开采中的五大灾害之一。近年来,随着煤矿开采深度及强度的日益加大,煤矿突水事故时有发生^[1]。统计结果表明,煤矿采场工作面底板突水事故绝大多数与断裂构造有关^[1-3]。因此,近年来,人们广泛开展了断层突水行为及机理的现场和试验研究^[4-8]。断裂构造的存在不仅改变了岩体的力学性质,降低其强度指标和变形模量,同时也严重影响岩体的渗透性^[7]。但与断层相关的突水,也必须是在自然水位高于工作面数十米甚至数百米才可能发生,说明这些断层带存在一定的抵抗水压的能力,只不过这种能力相对于完整底板较小而已^[8]。

从典型矿井突水实例来看,断裂构造突水主要有3种模式,一是采掘揭露富导水断裂构造时,直接发生大流量突水,称为瞬时突水。含水层水压大、水量丰富,断层带阻渗性能差、导水性强,在超前探放不充分的情况下,直接揭露断裂导水通道,必将瞬时大流量突水。这种突水模式主要发生在20世纪,近年来随着国家对矿井防治水的重视,此模式突水极少发生。二是采掘揭露断裂构造初期不出水或少量出水,但后期出水量逐渐增加,发生流态转换,并演化为灾害性突水,称为管涌型突水,比如田庄煤矿8602工作面中顺槽过断层突水^[9]。管涌型突水断层带一般具有一定的阻渗性能,初期高承压水源仅在断层带渗流,但渗流过程中发生类似管涌现象,细颗粒被冲刷,断裂带导水性能增强,逐渐演化为裂隙流、管道流^[10],发生突水。三是断层带原生阻渗性能较好,但由于采掘活动导致其阻渗性能劣化,发生滞后突水,比如赵各庄矿9水平东1石门突水事故^[11]。滞后突水主要为采掘活动改变了断裂带的应力状态^[11],致使其阻渗性能大幅降低,进而发生突水事故。当然矿井断裂构造突水也可能是上述模式的复合形式^[12]。

目前,对突水机理的研究主要通过理论分析、数值分析和室内试验方法^[13]。但由于地质条件复杂,这些方法难以获得准确的结果^[14]。另外,现场测试也被广泛应用于断层的渗透率表征和演化^[15-17]。钻孔注水试验是一种在钻孔中进行的原位渗透试验,其主要目的是测定岩体的透水性,为评价岩体的渗透性能和防渗措施提供基本资料^[18]。目前中国的《水利水电工程岩石试验规程》（SL264－2001）所推荐的最大注水水压为1.0 MPa^[19]。而目前煤矿的开采深度普遍在几百米,甚至千米以上,此时仍采用压力低于1.0 MPa的注水试验已不能准确反映实际水头压力作用下岩体的渗透特性,所以需要对裂隙岩体进行高压注水测试^[20]。高压注水试验在真实反映岩体渗透特性的同时,还可以评价各类岩体抵抗水力劈裂破坏的临界压力值大小,为评价工程的安全性提供依据^[21]。本文依据煤矿巷道底板断层破碎带现场高压注水试验成果,研究断层破碎带在高水压条件下的渗透特性。

1.   断层破碎带高压注水设计

1.1   断层概况

现场注水试验选择山东省兴隆庄煤矿FP2断层进行（图1）,FP2为正断层,断距约为7.5 m,倾角约70°,近NS走向,断层破碎带厚度约为1.0 m,破碎带两侧地层以泥岩、砂岩为主,结构较完整,导水性较差。具体测试地点位于埋深470 m左右的巷道中,巷道倾角12°。测试前巷道已揭露断层破碎带,破碎带主要由极度破碎的泥岩、砂岩和断层泥组成,未见出水现象,破碎带结构较为密实且较潮湿,巷道揭露断层点沿断层面与十_下灰、奥灰含水层的距离分别约为25,83 m。

图  1  测试孔布设图

Figure  1.  Design drawing of test boreholes

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1.2   测试钻孔布置

共设计了3个测试孔C1、C2、C3。测试孔开孔位置如图1所示,孔间距6.5 m,测试孔延伸方向与断层面垂直。测试孔先采用φ108 mm钻头钻进至接近断层破碎带位置,安装φ89 mm的孔口套管,再采用φ75 mm钻头钻穿断层破碎带,破碎带段为裸孔。

1.3   测试设备

注水采用2ZBQ-3/21型风动注水泵进行,额定泵压21 MPa,活塞推进式；水压观测选用振弦式水压传感器,采用GSJ-2A型智能检测仪进行水压值采集,注水压力采用压力表记录。压水测试系统如图2所示。

图  2  注水及水压观测设备实物图

Figure  2.  Water injection and observing equipments for water pressure

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1.4   测试方法

注水试验方法为单孔注水,其它孔水压监测。注水时采用阀门调整注水泵进风量来控制注水流量,通过记录单位时间内注水泵的活塞推进次数计算注水流量。先逐级增加注水流量,再逐级减小流量,注水过程中连续记录注水压力、注水流量及监测孔水压力值。

2.   试验过程及结果

2.1   注水试验过程

现场注水试验在11月22—27日间进行,试验前钻孔均灌满水,先期施工完成C1、C2孔,22日进行了C2孔注水,C1孔水压监测；23日进行了C1孔注水,C2孔水压监测及C2孔注水,C1孔水压监测；25日C3施工完成,26日进行C3孔注水,C1、C2孔水压监测；27日进行C2孔注水,C1、C3孔水压监测。

2.2   注水试验结果

根据试验采集的注水压力、注水流量、监测压力数据绘制的相关曲线如图3～7所示。

图  3  C2孔第一次注水试验数据

Figure  3.  Test data of first water injection in borehole C2

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图  4  C1孔注水试验数据

Figure  4.  Test data of water injection in borehole C1

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图  5  C2孔第二次注水试验数据

Figure  5.  Test data of second water injection in borehole C2

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图  6  C3孔注水试验数据

Figure  6.  Test data of water injection in borehole C3

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图  7  C2孔第三次注水试验数据

Figure  7.  Test data of third water injection in borehole C2

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11月22日进行C2孔注水,C1孔监测,试验数据如图3所示。注水试验初始阶段C2孔注水压力快速增大,而C1孔监测水压无明显响应。至27 min时注水压力增大至5.1 MPa,随后出现突然降低现象,同时C1孔监测压力明显增加（0～30 min为第一阶段）。由于C1孔安装水压传感器量程不足,随后C1孔换用大量程水压传感器,间隔约3 h后,总时间210 min时进行第二阶段注水试验。注水压力响应过程与试验开始阶段基本一致,快速增长至5.0 MPa后（224 min）,出现突然降低现象,但此时C1监测孔并为出现类似于27 min时的压力增大现象。后续试验过程中注水流量逐级增大,注水压力出现一定的波动,但始终小于4.7 MPa。注水流量逐级降低过程中,注水压力整体呈现降低趋势。重新试验的整个过程中C1孔监测压力始终呈现慢速增长,增长幅度不明显。注水试验后期在巷道底板揭露断层破碎带处有明显集中出水现象,水质较浑浊。

间隔1 d后,11月23日进行C1孔注水,C2孔监测,试验数据如图4所示。C1孔注水试验初期注水压力快速增加,至11 min时达到2.1 MPa,随后出现明显降低现象。后续注水流量逐级增加的过程中注水压力整体呈现小幅增加趋势,最大流量21 L/min阶段结束时（55 min）,注水水压达到最大值2.4 MPa。试验过程前期60 min内C2孔监测压力一直呈现慢速增长状态,后期缓慢降低。注水试验过程中巷道揭露断层带处无明显出水现象。

11月23日在C1孔注水试验完成约2 h后,第二次进行C2孔注水、C1孔监测试验,试验数据如图5所示。由于间隔时间短,C1水压未完全消散,初始值为0.5 MPa。初始注水阶段注水压力快速增大,至16 min时,增大至5.0 MPa,随后出现快速降低现象,同时C1孔监测水压快速增长；注水压力至20 min时降低至4.1 MPa,随后随着注水流量的逐级增加,至32 min时注水压力达到5.0 MPa。后续注水流量增加、降低过程中,注水压力整体呈现降低趋势。C1孔监测压力在55 min增长至最大值2.1 MPa,随后呈现降低现象。注水试验中巷道揭露断层带处无明显出水现象。

11月25日C3孔施工完成,26日进行C3孔注水,C1、C2孔监测,试验数据如图6所示。C3孔注水试验初期注水压力快速增加,至23 min时达到最大值6.3 MPa,随后出现突然降低现象,至25 min降低至5.1 MPa。随后注水流量逐级增加的过程中注水压力在5.1～5.6 MPa区间小幅波动；后续注水流量逐级降低过程中,注水压力呈现明显减小现象。整个注水试验过程中,C1孔、C2孔监测压力始终呈现慢速增长,无特殊突变现象。注水试验后期在巷道帮部揭露断层破碎带处有明显集中出水现象,初期水质较浑浊。

11月27日第三次进行C2孔注水试验,C1、C3孔水压监测,试验数据如图7所示。注水试验初期C2孔注水压力快速增加,至27 min时增加至最大值4.9 MPa,随即出现明显的水压降低现象,同时C1孔监测水压呈现快速增加现象,而C3孔水压无明显变化。在随后的注水流量逐级增加过程中,35 min时注水压力降低至3.6 MPa,后期始终未超过4.0 MPa,而C1孔监测水压一直呈现快速增长状态,至注水流量增大阶段结束时（50 min）,C1孔监测水压达到2.6 MPa。后续注水流量逐级降低过程中,注水压力、监测压力也呈现减小现象。至70 min第一阶段注水结束,暂停约55 min后直接用最大泵量25.71 L/min进行试验。C1孔注水压力急速增加至4.0 MPa,同时C1孔监测压力也呈现快速增长状态,随后注水压力逐渐减小,至151 min后相对稳定在2.6 MPa；C1孔监测压力至135 min增长至2.6 MPa,随后呈现降低现象,至148 min后相对稳定在1.6 MPa。注水试验后期在巷道底板揭露断层破碎带处有明显出水现象,初期水质较浑浊,但出水点与22日的不同。

3.   注水试验结果分析

3.1   注水压力变化过程

如图3～7所示的注水压力响应曲线可知,在注水流量增加阶段,注水压力整体呈现“快增→突降→小幅波动”的变化过程。注水初始阶段注水压力快速增加,到一定压力值后,压力迅速降低,发生突变,后续小幅波动。此变化过程符合典型水力劈裂压力曲线特征,说明断层破碎带发生劈裂,渗透特性突变,同时也说明试验断层带具有一定胶结强度。对比而言更靠近巷道底板的C1孔处断层带的胶结强度明显低于C2、C3孔。C1、C3孔注水试验劈裂压力分别为2.1,6.3 MPa,C2孔3次注水试验劈裂压力依次为5.1,5.0,4.9 MPa。C2孔3次劈裂压力变化幅度小,说明已经劈裂的断层带在停止注水情况下能基本恢复其原有特性,即劈裂裂隙具有较强愈合能力,此特点与常规相对完整岩体不同。另外,断层带劈裂后注水流量逐级增加的过程中,注水压力以小幅波动为主,仅部分孔有小幅增大的现象,说明在超过断层带劈裂压力的高水压条件下,断层的出水量主要受制于充水含水层的供给量。

3.2   劈裂裂隙扩展模式

如图3～7所示的注水压力及监测压力响应曲线可知,在C2孔进行第一次第一阶段、第二次、第三次注水试验时,C1监测孔水压在C2孔注水压力突变（发生劈裂）时增速突然增大,即监测压力也发生突变,说明在C2孔注水形成的劈裂通道贯通C1孔。同时也说明C2孔第一次第二阶段、C1、C3孔注水形成的劈裂通道没有贯通相应监测孔。另外,5次注水试验中的3次,在断层破碎带位置有集中出水现象,但每次出水的位置均不同。上述现象说明,在断层破碎带进行多次注水试验,后续重复注水试验产生了新的劈裂通道,也印证了上节中分析获得的断层带在停止注水情况下能基本恢复其原有特性的结论。图8为高压注水试验形成的劈裂通道示意图。根据22日进行的C2孔注水试验曲线（图3）可判定,第一阶段形成的劈裂裂隙已经贯通了C1孔,但仅间隔约3 h后的恢复注水就产生了新的劈裂裂隙,同样说明断层带具有较强愈合能力。

图  8  高压注水形成的劈裂通道示意图

Figure  8.  Schematic diagram of fractures caused by water injection

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3.3   断层带初始渗透性

根据断裂带高压注水试验曲线,可分为劈裂前、后两个阶段,劈裂前破碎带处于初始渗透阶段。设断层破碎带试验前处于不饱和状态,孔隙率为n,断层破碎带初始渗透系数为K,断层破碎带厚度为L,以流量q进行注水,$q=f(t)$,则注水持续时间t时,注水渗流半径R为^[20]

根据达西定律：

式中,$J=\frac{\text{d}H}{\text{d}r}，A=2\text{π}rL$,则有

从而得到

式中q为注水流量（m³/s）；K为渗透系数（m/s）；J为水力梯度；A为过流断面面积（m²）；r₀为注水孔半径（m）；R为注水渗流半径（m）；H₀为注水孔水头高度（m）；n为孔隙率。

计算获得测试断层破碎带在初始渗透阶段的渗透系数如图9所示,随着注水量的增加,渗透系数整体呈降低趋势,在初始注水阶段渗透系数降低速率快,后逐渐减慢并趋于稳定。初始注水阶段渗透系数较大可能由于钻探成孔过程中对近孔壁位置破碎带扰动造成的。在初始渗透阶段C1、C2、C3测试点渗透系数相对稳定阶段的均值分别为0.00423,0.00102,0.00118 m/d。

图  9  初始渗透阶段渗透系数计算结果

Figure  9.  Permeability coefficients at initial stage

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3.4   劈裂后断层带渗流特征

假设断层带高压注水劈裂形成了两面光滑的平板状裂隙,裂隙贯通了测试钻孔。根据钱家忠等^[22]、蒋中明等^[23]的研究,岩体在高水压条件下,特别是岩体发生水力劈裂现象后,岩体裂隙中的水流速度远远大于低压条件下的流速,裂隙水流远远超出层流范围而应为紊流。

苏联学者洛米捷^[24]和法国学者路易斯^[25]分别在实验室对单个裂隙进行了大量试验,当水流运动进入紊流状态,他们提出了本质一致的计算公式^[26]：

则

式中,b为等效水力隙宽（m）,H₁为监测孔水头高度（m）,v为水的运动黏滞系数（m²/s）,d为注水孔与监测孔距离（m）。

通过式（6）计算获得的劈裂后两组压水等效水力隙宽如图10所示。断层破碎带等效水力隙宽随着注水流量的增加而增加、减小而减小。对比流量增加、降低阶段的等效水力隙宽可知,在同等注水流量条件下,流量减小阶段的水力隙宽明显大于流量增加阶段,同样说明了注水试验破碎带劈裂后形成的裂隙在注水过程中被冲蚀,进而导致其渗透性增强。另外,从巷道揭露断层位置集中出水点水的浑浊状态也验证了这一点。

图  10  破碎带等效水力隙宽

Figure  10.  Equivalent hydraulic widths of fracture zone

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图11绘制了C2孔3次增流量注水试验阶段注水流量与注水压力曲线,可大致分为3个阶段：AB阶段初始注水阶段注水流量小,注水压力快速增长,此阶段断层带处于初始渗透状态；BC阶段随着注水试验的持续进行,注水流量增大,注水压力达到最大值时出现突降现象,此阶段断层带被水力劈裂；CD阶段断层带劈裂后的持续增流量注水,注水压力呈现相对平稳状态,此阶段为劈裂裂隙扩张阶段。

图  11  C2孔3次增流量试验阶段注水流量与注水压力数据

Figure  11.  Data of q and p in three increasing flow water injection tests on borehole C2

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3.5   劈裂压力与测试点位置关系

C1、C2、C3孔测试点与巷道底板最小距离依次为6.6,9.5,12.4 m,沿断层面与底板距离依次为7.8,11.2,14.7 m,注水劈裂压力依次为2.1,5.0,6.3 MPa,劈裂前初始渗透系数依次为0.00423,0.00102,0.00118 m/d,整体表现为随着测试点与巷道底板距离减小劈裂压力减小、渗透系数增加的趋势。

根据相关理论,岩体劈裂压力、渗透性与岩体结构、所处应力环境密切相关。巷道掘进导致巷道底板应力环境发生变化,进而导致不同位置的渗透性及劈裂压力差异,距离底板越近扰动程度越高,应力变化幅度越大,渗透性、劈裂压力变化幅度越大。同理,由于巷道掘进对围岩应力的解放作用,断层带水力劈裂裂隙主要展布方向指向巷道,后续继续向前劈裂的过程中,裂隙前缘地应力逐渐变小,导致断层带劈裂后的注水压力曲线仅是小幅波动,并未呈现常规岩体那种周期性较大幅度增降的现象。

4.   研究成果工程意义

（1）断层活化

根据《煤矿安全规程》、《煤矿防治水细则》的规定,在巷道掘进揭露断层前,会严格对断层的导含水性进行探测。但从断层出水的典型实例来看,一般都是探测时断层不导含水,而掘进后断层出水。根据前序研究可知,其本质原因为掘进对围岩的扰动作用。巷道掘进将改变巷道围岩应力环境,致使其渗透性增强,抗水力劈裂能力减弱,进而可能出现渗流过程转换^[9-10]或劈裂出水问题,即断层活化。

（2）断层带防突水安全评价

地下工程揭露断层破碎带后,如含水层水位回升其水压值超过了断层带的水力劈裂压力,将造成破碎带被压裂,断层出水量突增。同时在断层出水过程中,水流对劈裂面产生冲蚀作用,将逐渐增大破碎带的渗透能力。如果含水层水量补给顺畅,则可能逐渐演化为突水事故。把断层带劈裂压力定义为断层带阻水强度,断层带防突水安全系数e定义为断层破碎带阻水强度P_f与含水层水压P_h的比值,即e=P_f/P_h。则开展断层带突水危险性评价时,可采用高压注水试验方法获得断层带阻水强度P_f,进而确定断层带的防突水安全系数e,e越大则断层带越安全。

（3）断层带突水防治方法

研究发现,劈裂后的断层带在停止注水情况下,具有相对快速恢复其原有阻渗强度的能力。则一旦出现含水层高水压致使断层带发生劈裂而渗透突变的情况下,可采用深部疏水降压措施,在降低充水含水层的水压、大幅减小断层带渗漏水量的情况下,使得断层带逐渐恢复其阻渗能力。后续仅需把含水层水压疏降至阻水强度之下即可预防突水事故的发生。

综上分析,针对断层带水害的防治主要有增加断层带阻渗强度及降低充水含水层水压值两方面措施。降低充水含水层水压可采用向深层施工钻孔,通过钻孔疏降作用来实现。采用注浆方式,通过浆液胶结作用提高断层带结构强度,浆液充填压实挤密作用提高断层带应力,此两个方面均能增加断层带阻渗强度。

5.   结论

采用现场高压注水试验研究了巷道底板断层破碎带的渗透特性。采用逐级增、降流量的注水试验路径,过程中连续记录注水压力及监测孔水压。通过对试验结果分析获得如下认识：

（1）在注水流量增加阶段,断层破碎带高压注水压力响应曲线整体呈现“快增→突降→小幅波动”的变化过程,符合典型岩体水力劈裂压力曲线特征。单孔多次高压注水劈裂压力差异较小,断层带劈裂裂隙具有较强愈合能力,重复注水试验产生新劈裂通道。

（2）巷道掘进导致巷道围岩应力环境发生变化,导致不同位置的渗透性及劈裂压力差异,断层带注水劈裂压力、劈裂前初始渗透系数整体分别表现为随着测试点与巷道底板距离减小而减小、增加的趋势。

（3）断层带发生劈裂后,形成裂隙的等效水力隙宽随着注水流量的增加而增加、减小而减小,在同等注水流量条件下,流量减小阶段的水力隙宽明显大于流量增加阶段,劈裂后注水会导致了破碎带被冲蚀,渗透性增强。

（4）断层带防突水安全系数e定义为断层破碎带阻水强度P_f与含水层水压P_h的比值即e=P_f/P_h,e越大则断层带越安全,增加断层带阻渗强度及降低充水含水层水压值是防止断层突水的主要途径。

展望：本次断层带注水试验是在巷道已经穿过断层带后进行的,断层处于掘进扰动状态。后续可选择典型断层,在巷道掘穿断层前、掘进过程中、掘进后分阶段进行多次注水试验,以更深入的研究巷道掘进对断层带渗透特性的影响。