應(yīng)力恢復(fù)對采動裂隙巖體滲透性演化的影響

王文學(xué),隋旺華,董青紅

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008)

應(yīng)力恢復(fù)對采動裂隙巖體滲透性演化的影響

王文學(xué)1,2,隋旺華1,2,董青紅1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008)

研究了采動巖體應(yīng)力恢復(fù)對斷裂帶滲透性的影響并將其應(yīng)用于分層開采和殘煤復(fù)采導(dǎo)水?dāng)嗔褞У挠?jì)算。通過試驗(yàn)對側(cè)限作用下裂隙巖體在軸向分級加載條件下滲流變化規(guī)律進(jìn)行了研究,以模擬應(yīng)力恢復(fù)作用對裂隙巖體滲透性的影響;依據(jù)實(shí)測的采動裂隙巖體體積膨脹系數(shù)的對數(shù)分布規(guī)律,對采動裂隙巖體滲透性分布規(guī)律進(jìn)行了描述,計(jì)算了應(yīng)力恢復(fù)作用下,裂隙巖體內(nèi)裂隙開度及滲透性演化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明:軸向加載條件下裂隙模塊開度及滲透性均顯著下降,加載初期應(yīng)力較小但其對裂隙模塊的開度及滲透性影響更顯著,后期應(yīng)力增大但其對裂隙試塊的滲透性影響程度降低,在20 MPa壓力作用下裂隙很難完全閉合;理論計(jì)算結(jié)果表明:應(yīng)力恢復(fù)作用下采空區(qū)上覆裂隙巖體內(nèi)下部大開度裂隙滲透性有降低但仍為較好的導(dǎo)水通道,上部裂隙開度較小層段滲透性也有明顯降低。根據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范將滲透系數(shù)小于0.01 m/d的層段視為不透水層,采空區(qū)上覆導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨仍趹?yīng)力恢復(fù)后較初始實(shí)測最大值減小了約26%。依據(jù)研究結(jié)果對傳統(tǒng)的分層開采覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扔?jì)算公式進(jìn)行了修正,采用修正公式計(jì)算下分層煤或殘煤開采防水(砂)煤柱的留設(shè)方案更為合理。

煤層復(fù)采;裂隙;應(yīng)力恢復(fù);滲透系數(shù);導(dǎo)水?dāng)嗔褞?/p>

地下煤層的采動打破圍巖原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài),引起圍巖的應(yīng)力重分布、變形、破裂運(yùn)動,這部分巖體稱為采動巖體[1]。采動巖體的應(yīng)力釋放、垮落、破裂等運(yùn)動導(dǎo)致其內(nèi)部裂隙發(fā)育,在采空區(qū)上覆巖體內(nèi)形成垮落帶、斷裂帶及整體彎曲下沉帶。隨著采動時(shí)間、距離的延長,采空區(qū)上覆裂隙巖體內(nèi)應(yīng)力將逐漸恢復(fù),并隨時(shí)間延續(xù),巖體內(nèi)的自重應(yīng)力將逐漸趨向于開采前的原巖應(yīng)力的垂直分量。本文中“應(yīng)力恢復(fù)”是指采動巖體中的重分布應(yīng)力在開采結(jié)束后隨著時(shí)間逐步恢復(fù)到上覆地層的自重應(yīng)力的過程。應(yīng)力恢復(fù)將對裂隙開度有壓縮減小的作用,從而影響到采動巖體的滲透性的變化。

現(xiàn)階段對采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)規(guī)律的研究是采動巖體力學(xué)研究的薄弱環(huán)節(jié),針對應(yīng)力恢復(fù)對裂隙巖體滲透性演化規(guī)律的研究鮮見報(bào)道。開采覆巖裂隙巖體的后期滲透性演化規(guī)律對厚煤層的下分層開采、殘煤的復(fù)采等覆巖斷裂帶的再次發(fā)育演化規(guī)律有著重要的影響,此外采后采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)過程中裂隙的壓縮減小對突水潰砂的發(fā)生也有著抑制作用。本文首先對在應(yīng)力作用下裂隙巖體滲透性的演化規(guī)律進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合山東某礦采后15 a覆巖裂隙探測資料,對采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)對裂隙巖體滲透性影響的演化進(jìn)行理論分析,該研究結(jié)果將為水體下煤層分層開采及殘煤的復(fù)采的評價(jià)提供參考。

1 應(yīng)力恢復(fù)對裂隙巖體滲透性作用的試驗(yàn)研究

采動覆巖破壞裂隙發(fā)育多以大傾角為主,采用鉆孔電視探測統(tǒng)計(jì)分析傾角＞45°的裂隙占裂隙發(fā)育總量的80%以上[8],且裂隙開度及數(shù)量分布隨距煤層距離增大呈減小趨勢。裂隙巖體在應(yīng)力恢復(fù)至原巖應(yīng)力的過程中,在泊松效應(yīng)的條件下會對覆巖裂隙產(chǎn)生壓縮閉合作用。通過在水泥砂漿內(nèi)預(yù)制裂隙,制備裂隙模塊,在軸向加載條件下測試滲透性的變化,可以反映裂隙巖體在應(yīng)力恢復(fù)過程的滲透性變化規(guī)律。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

滲透裝置為自行設(shè)計(jì)加工,滲透裝置外壁厚20 mm,材質(zhì)選用普通45號鋼進(jìn)行全淬火處理,以提高硬度防止側(cè)向變形。滲透試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示,模型內(nèi)直徑為100 mm、高240 mm,其主要有上部加壓活塞、上下濾水板、底蓋及滲透缸體構(gòu)成,底蓋留取進(jìn)水口并通過裂隙模塊后由加壓活塞出水口排出,軸向荷載通過伺服加載系統(tǒng)完成。最大滲透壓力為0.5 MPa,由穩(wěn)壓水源提供。裂隙模塊采用水泥砂漿按不同配比制備,模塊直徑為100 mm、高200 mm,其內(nèi)部裂隙長度80 mm、高200 mm,裂隙兩側(cè)留取10 mm完整試塊防止向側(cè)壁滲流,裂隙試塊形狀如圖2所示。裂隙制備過程中在水泥砂漿中預(yù)設(shè)不同厚度(代表裂隙開度)、寬80 mm、高200 mm的鋼板,待試塊有一定強(qiáng)度后將鋼板拔出,并將磨具去掉,放在水中養(yǎng)護(hù)21 d,再將試塊放入滲透模型中進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中對進(jìn)水口壓力、出水口壓力、滲流量、軸向載荷以及試塊的應(yīng)力-應(yīng)變等進(jìn)行監(jiān)測。

圖1 滲透試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic graph of the set up for permeability test

圖2 裂隙試塊示意Fig.2 Schematic of the block with a fracture

本文選擇裂隙傾角為90°,開度為0.80 mm。完整試塊平均單軸抗壓強(qiáng)度為9.53 MPa的裂隙試塊,在軸向加載過程中的滲透性變化規(guī)律進(jìn)行分析,完整試塊的單軸抗壓試驗(yàn)的應(yīng)力位移曲線如圖3所示。對裂隙試塊在側(cè)限作用下分級施加軸向荷載,直至軸向壓力為20 MPa,每次施加軸向荷載后測定裂隙巖塊的滲透系數(shù)。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3 水泥砂漿完整試塊的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力-位移曲線Fig.3 The curves of stress via displacementof the cemented sand in UCS testing

試驗(yàn)中對多級荷載作用下不同滲透壓差的滲流量進(jìn)行監(jiān)測,圖4給出了在軸向應(yīng)力小于8 MPa時(shí),不同荷載條件下的滲流量與滲透壓差的關(guān)系,可見二者呈較好的線性關(guān)系。當(dāng)軸向應(yīng)力大于8 MPa時(shí),由于在軸向荷載作用下,裂隙開度變得很小,低滲透壓差下滲流量較小,主要對高滲透壓差條件下滲流量進(jìn)行了觀測。圖4可以看出同一級荷載作用下滲流量隨滲透壓差的增加呈線性增加,且隨著軸向加載強(qiáng)度的增加同一滲透壓差作用下滲流量在逐漸減小。圖5為滲透壓差分別為100～400 kPa時(shí),滲流量與軸向應(yīng)力間的關(guān)系,可以看出裂隙試塊隨著軸向應(yīng)力的增加滲流量逐漸減小,采用y=A e-Bx+C的形式擬合,R2均大于0.96,說明裂隙試塊滲流量與軸向應(yīng)力呈很好的負(fù)指數(shù)關(guān)系。

圖4 不同等級荷載作用下滲流量與滲透壓差的關(guān)系Fig.4 The relationship between the seepage discharge and seepage pressure under different axial loads

圖5 滲流量與軸向壓力的關(guān)系Fig.5 The relationship between the seepage and the axial loads

穩(wěn)定流裂隙滲流符合立方定理,如式(1)所示,根據(jù)式(1)可以推導(dǎo)計(jì)算裂隙的水力開度的變化規(guī)律,如圖6(a)所示。由圖6(a)可以看出裂隙開度隨著軸向荷載的增加逐漸減小,初始加載階段裂隙開度的減小速率較大。對其進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn),裂隙開度隨軸向荷載增加符合負(fù)指數(shù)變化的規(guī)律。

圖6 軸向荷載與裂隙水力開度、裂隙滲透系數(shù)的關(guān)系Fig.6 The relationship between the fracture aperture,thepermeability coefficientand axial load

Witherspoon P A等[8]指出裂隙滲透系數(shù)與裂隙開度的關(guān)系滿足

根據(jù)式(2)及不同荷載對應(yīng)的裂隙水力開度可對其滲透系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,應(yīng)力-滲流耦合關(guān)系如圖5所示,可以看出側(cè)限作用下裂隙試塊的滲透系數(shù)變化與軸向應(yīng)力呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。裂隙滲透系數(shù)在軸向加載前期迅速減小,后期逐漸變緩。該結(jié)果表明軸向荷載對裂隙試塊的滲透性有著重要的影響,裂隙試塊在應(yīng)力較小的情況下,滲透性隨應(yīng)力的變化敏感;而當(dāng)應(yīng)力較大時(shí),裂隙已經(jīng)閉合到一定程度,再同樣增大軸向應(yīng)力對裂隙試塊開度變化及滲透性的影響逐漸減弱,由此可以推斷,采動裂隙巖體應(yīng)力的恢復(fù)對裂隙巖體內(nèi)開度及滲透性有著重要的影響,應(yīng)力恢復(fù)初始階段對裂隙巖體的影響更為顯著,將導(dǎo)致其滲透性顯著降低,應(yīng)力恢復(fù)后期對裂隙巖體滲透性的進(jìn)一步改變較弱。

2 開采覆巖裂隙簡化模型及應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概述

山東省某礦區(qū)3號煤層厚度為7.9～9.2 m,煤層傾角3.5°～8.0°,含煤地層被第四系直接覆蓋,第四系厚度在178.4～196.2 m,平均186.18 m?；鶐r上被2～3層中粗砂覆蓋,單位涌水量0.005 473～0.045 890 L/(s·m),屬弱含水層。煤層采高為2.2 m,采用全垮落長壁開采,頂板垮落充分。煤層開采覆巖裂隙充分發(fā)育時(shí)實(shí)測垮落帶、斷裂帶最大發(fā)育高度分別為7.3和20.8 m。開采區(qū)域裂隙巖體經(jīng)過15 a的下沉變形后,再次采用鉆孔電視、沖洗液漏失量、RQD等方法對該區(qū)域采空區(qū)上覆垮落帶和斷裂帶巖體探測,結(jié)果表明由于上覆地層的沉降、裂隙內(nèi)充填物的充填、破碎巖體遇水膨脹等因素的影響,垮落帶巖體已經(jīng)壓密壓實(shí),裂隙巖體內(nèi)裂隙開度明顯減小甚至閉合,觀測研究表明最大導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葴p小近40%,采動巖體內(nèi)自重應(yīng)力已經(jīng)基本恢復(fù)[9]。

2.2 斷裂帶裂隙及滲透性分布規(guī)律

現(xiàn)場實(shí)際觀測表明采空區(qū)垂直方向垮落帶及斷裂帶巖體體積膨脹系數(shù)服從對數(shù)分布[10]。Shao等[11]指出垮落帶破碎巖體體積膨脹系數(shù)垂直方向變化不大,可看為定值,斷裂帶巖體體積膨脹系數(shù)垂直方向服從對數(shù)遞減,斷裂帶與彎曲下沉帶接觸位置體積膨脹系數(shù)為1,但未考慮斷裂帶形成過程中垮落帶壓縮變形量?；诖?本文對斷裂帶形成過程垮落帶的壓縮變形量進(jìn)行考慮,指出采空區(qū)上部裂隙巖體體積膨脹系數(shù)分布規(guī)律如式(3)所示。

地表產(chǎn)生沉降前,開采煤層空間完全由垮落帶和斷裂帶空隙和裂隙空間組成,如下:

式中,bz為垂直方向位置z處體積膨脹系數(shù);b為垮落帶初始體積膨脹系數(shù);b′為垮落帶壓縮Δh后體積膨脹系數(shù);hc為垮落帶高度;hf為斷裂帶高度;ck為垂直方向體積膨脹系數(shù)衰減系數(shù);=1為垮落帶和彎曲帶接觸位置體積膨脹系數(shù)。

均勻孔隙介質(zhì)的孔隙率可由式(7)求得。

根據(jù)Blake-Kozeny方程式(8),可對孔隙介質(zhì)滲透率k進(jìn)行計(jì)算:

式中,φ為垮落帶巖塊直徑;k0為垮落帶初始滲透率; n0為初始孔隙率;k為滲透率。

將式(3)和(7)代入式(8)得到不同高度裂隙巖體滲透系數(shù)與體積膨脹系數(shù)的關(guān)系,如下:

孔隙介質(zhì)滲透率可以按式(10)可轉(zhuǎn)換為滲透系數(shù),即

式中,K為滲透系數(shù);γ為流體容重。

垮落帶高度與初始體積膨脹系數(shù)關(guān)系如式(11)所示:

孔隙與裂隙介質(zhì)間可以通過對應(yīng)寬度內(nèi)滲流量相等進(jìn)行轉(zhuǎn)換[12],即Qp=Qf,轉(zhuǎn)換過程中將裂隙間完整巖塊視為不透水,孔隙介質(zhì)視為均勻滲透,如圖7所示。如圖7所示假定在垂直方向孔隙介質(zhì)滲透系數(shù)為Kp,在其寬度為s范圍內(nèi)的滲流量Qp可通過式(12)表示:

孔隙介質(zhì)寬度為s范圍的垂直滲流量,可以通過單裂隙開度為d的滲流量Qf表示,如果單裂隙與水平方向夾角為α則單裂隙垂直方向滲流量可以通過式(13)表示:

式中,Kf為裂隙介質(zhì)滲流系數(shù);I為水力梯度;s為孔隙介質(zhì)單位寬度即轉(zhuǎn)化后裂隙間距;d為裂隙的開度。

式(12)與(13)對應(yīng)相等可以得到

圖7 孔隙介質(zhì)與裂隙介質(zhì)轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.7 The transformational relationship between theporous and fractured medium

聯(lián)立式(2)和(14)可以求得裂隙介質(zhì)的裂隙開度:

根據(jù)式(11)計(jì)算垮落帶初始體積膨脹系數(shù)為1.3,將垮落帶巖塊直徑取值為0.5 m,按照式(8)計(jì)算其初始滲透率為3.42×10-5m2,對應(yīng)滲透系數(shù)為342 m/s;γ為1×104N/m3,μ為1×10-3N·s/m,將上述參數(shù)代入式(9)和(10)計(jì)算分析,導(dǎo)水?dāng)嗔褞?nèi)滲透系數(shù)分布規(guī)律如圖8(a)所示。

圖8 應(yīng)力恢復(fù)前、后導(dǎo)水?dāng)嗔褞?nèi)裂隙開度及滲透性分布規(guī)律Fig.8 The aperture and permeability distribution of the fractures in the water flow fractured zone before and after the stress re-establishment

假定裂隙傾角為90°,間距為0.4 m,根據(jù)式(15)計(jì)算斷裂帶內(nèi)裂隙開度分布規(guī)律如圖8(a)所示。由圖8(a)可以看出,導(dǎo)水?dāng)嗔褞?nèi)裂隙的開度及滲透性隨著距煤層距離的增加而減小,其滲透性減小更明顯。

2.3 采后應(yīng)力恢復(fù)對裂隙演化的作用

巖體受力情況下,在裂隙部位可能會產(chǎn)生大的變形,裂隙甚至閉合[13]。Bandis等[14]通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究提出法向應(yīng)力對裂隙閉合效應(yīng)的雙曲線計(jì)算方法如式(16)所示:

式中,σn為法向有效應(yīng)力;dnc為應(yīng)力作用下裂隙閉合度量;dmax為最大閉合度;kni為法向應(yīng)力作用下的裂隙剛度。

巖體裂隙剛度對其受力變形起著關(guān)鍵作用,裂隙面接觸面積、裂隙開度、裂隙粗糙度、裂隙巖塊的強(qiáng)度、裂隙間充填物的厚度、類型、物理力學(xué)性質(zhì)等均對裂隙的剛度有著重要的影響[15-17]。Gale[18]指出天然裂隙的法向應(yīng)力剛度要大于誘發(fā)裂隙剛度;不同的裂隙剛度測試手段及不同裂隙類型其剛度差別可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級,Philippe S等[15]首次采用Schmidt錘對裂隙巖體剛度進(jìn)行現(xiàn)場測試,發(fā)現(xiàn)張開裂隙、縫合線等裂隙剛度的量級為10-1GPa/m,封閉填充裂隙剛度量級為101～102GPa/m;Fransson?.等[19]通過注水試驗(yàn)和注漿數(shù)據(jù)估算淺部隧道開采誘發(fā)裂隙剛度為2～5 GPa/m;Griffith W A等[20]對斷層帶巖體裂隙剛度建立模型分析,將裂隙間距定為0.22 m時(shí)計(jì)算裂隙剛度為28 GPa/m。

研究區(qū)覆巖以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主且風(fēng)化程度高,強(qiáng)度較低,單軸抗壓強(qiáng)度在20～40 MPa之間屬于中硬偏軟巖。采動覆巖裂隙為擾動裂隙,裂隙內(nèi)未被充填,其裂隙剛度低,本文將覆巖裂隙剛度取值為上述文獻(xiàn)中裂隙剛度實(shí)測資料最小值10-1GPa/m。

簡化斷裂帶裂隙分布形式,假設(shè)裂隙按間距0.4 m均勻分布,傾角為90°,單裂隙受力模型如圖8(a)所示。在此,只考慮裂隙在泊松效應(yīng)的作用下產(chǎn)生的水平法向應(yīng)力的作用。

圖9為斷裂帶裂隙應(yīng)力恢復(fù)受力分析示意,其中σ1為垂直恢復(fù)應(yīng)力即上覆地層自重應(yīng)力,σ1=γH,σn為裂隙面法向應(yīng)力,τ為裂隙面剪切應(yīng)力,σ3為水平應(yīng)力。本文中的裂隙模型σn=σ3=λσ1,λ為泊松比,采動裂隙巖體破碎程度高,巖體質(zhì)量差,根據(jù)工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)GB 50218—94[21]該類巖體泊松比較大,本文計(jì)算時(shí)取值為0.3。

圖9 裂隙受力分析示意Fig.9 Schematic of the stress analysis on the fracture

研究區(qū)煤層開采結(jié)束已有15 a的時(shí)間,上覆地層沉降移動變形已基本結(jié)束,采空區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力基本恢復(fù)到自重應(yīng)力的垂直分量。采空區(qū)上覆巖層按平均厚度25 m、松散層厚度平均186.2 m計(jì)算,容重分別取值為22與20 kN/m3。導(dǎo)水?dāng)嗔褞б陨系貙幼灾貞?yīng)力完全作用在采動裂隙巖體上,在斷裂帶內(nèi)部垂直方向下部裂隙承受上部裂隙巖體的垂直荷載,斷裂帶內(nèi)裂隙自上而下逐漸增加,導(dǎo)水?dāng)嗔褞细驳貙幼灾貞?yīng)力為3.82 MPa。其內(nèi)部應(yīng)力增加可采用式(17)計(jì)算:

式中,H0為斷裂帶上覆地層厚度;HZ為距斷裂帶頂端的距離。

應(yīng)力恢復(fù)后裂隙巖體內(nèi)裂隙開度為

根據(jù)式(18)和(19)可以計(jì)算出應(yīng)力恢復(fù)后斷裂帶裂隙開度的分布規(guī)律,通過式(2)和(14)可對應(yīng)力恢復(fù)作用下的裂隙巖體滲透性進(jìn)行反演推算,其結(jié)果如圖8(b)所示。

由圖8(b)可以看出,應(yīng)力恢復(fù)作用對裂隙巖體的滲透性有明顯的減小作用,裂隙開度減小。導(dǎo)水?dāng)嗔褞虏苛严堕_度雖有減小但仍較大,滲透性較好;導(dǎo)水?dāng)嗔褞喜苛严堕_度減小,滲透性明顯減低,根據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范GB 50487—2008[22]將滲透系數(shù)小于0.01 m/d斷裂帶巖層段視為不透水層,應(yīng)力恢復(fù)后導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨葹?4.3 m,較斷裂帶初始最大高度減小26.0%。該分析結(jié)果小于現(xiàn)場探測結(jié)果40%[9],這說明其它因素如裂隙巖體的遇水膨脹、裂隙內(nèi)碎屑物的充填等對裂隙巖體的后期演化也有著重要影響。

2.4 應(yīng) 用

室內(nèi)試驗(yàn)與理論分析研究均表明,裂隙巖體的應(yīng)力恢復(fù)會造成斷裂帶裂隙開度、滲透性的減小。應(yīng)力恢復(fù)很難使裂隙完全壓縮閉合,但對于開度較小、剛度較低的裂隙在應(yīng)力恢復(fù)作用下其滲透性降低更明顯,可能會降低至小于0.01 m/d,屬于弱或不透水,具有良好的隔水性。該層段在下分層煤層開采覆巖破壞計(jì)算時(shí)可作為隔水巖層考慮,斷裂帶發(fā)育高度的再次計(jì)算可考慮從滲透性大于0.01 m/d巖層段疊加計(jì)算分析。

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[23]中水體下煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞в?jì)算公式為

式中,hf為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?A,B,C為常數(shù)參數(shù);h為采厚。

該公式在對分層開采過程中覆巖裂隙破壞高度的計(jì)算中未考慮頂分層采后應(yīng)力恢復(fù)對裂隙閉合作用的影響。實(shí)際很多煤層下分層開采在上分層采后較長時(shí)間才進(jìn)行,該階段上分層采后裂隙巖體應(yīng)力已基本恢復(fù)。

以頂分層開采應(yīng)力恢復(fù)以后二分層開采覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度計(jì)算為例,對該公式進(jìn)行修正。假設(shè)頂分層采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞Э蓾B透高度在應(yīng)力恢復(fù)作用下降低率為η,該值可以根據(jù)上文應(yīng)力恢復(fù)作用下裂隙閉合演化規(guī)律確定,本文該值為26%。因此應(yīng)力恢復(fù)后頂分層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨热缡?19)所示,為下面計(jì)算方便將修正參數(shù)C省略:

其中,h′f為應(yīng)力恢復(fù)后開采覆巖破壞導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?。該覆巖裂隙破壞高度對應(yīng)著相應(yīng)的煤層開采厚度h′,即

由式(20)對應(yīng)力恢復(fù)后的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葘ζ涞刃簩娱_采厚度h′反演計(jì)算:

在二分層開采覆巖裂隙破壞高度計(jì)算過程中可將h′與二分層開采厚度h疊加代入式(22)計(jì)算,即

該計(jì)算結(jié)果可更合理的確定下分層煤開采覆巖破壞高度,為防水煤柱的留設(shè)提供更科學(xué)合理的方法。

此外,采空區(qū)裂隙巖體的應(yīng)力恢復(fù)會降低突水潰砂事故發(fā)生的概率及突水過程的涌水量,開采初期最大導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育過程中未誘發(fā)突水潰砂事故,在后期其發(fā)生的可能性也不大。

3 結(jié) 論

(1)對側(cè)限作用下裂隙試塊軸向分級加載滲透性變化進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,初始加載階段裂隙的開度及其滲透性減小十分顯著,后期應(yīng)力增加但對裂隙的開度及滲透性影響不明顯。側(cè)限條件下平行裂隙面垂向加載對裂隙開度及滲透性的減小作用證實(shí)了垂直應(yīng)力恢復(fù)在泊松效應(yīng)下產(chǎn)生水平應(yīng)力對巖體裂隙的閉合效應(yīng)。

(2)根據(jù)采空區(qū)上覆裂隙巖體體積膨脹系數(shù)服從對數(shù)分布的規(guī)律,采用孔隙介質(zhì)模型對覆巖裂隙的滲透性進(jìn)行定量性描述,結(jié)果表明其滲透性隨距煤層底板距離的增加急劇降低;利用孔隙介質(zhì)與裂隙介質(zhì)間轉(zhuǎn)換關(guān)系,簡化采空區(qū)上覆裂隙巖體裂隙分布規(guī)律,結(jié)果表明斷裂帶內(nèi)裂隙開度隨距煤層底板距離增加快速減小。

(3)采空區(qū)上覆裂隙巖體應(yīng)力恢復(fù)后,裂隙巖體的裂隙開度及滲透性均較應(yīng)力恢復(fù)前大幅度減低,下部裂隙開度仍較大且滲透性強(qiáng),上部開度較小裂隙在應(yīng)力恢復(fù)作用下其滲透性可降低至0.01 m/d以下,屬于弱或不透水層,按此分析實(shí)例中的最大導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨仍趹?yīng)力恢復(fù)后降低26.0%。裂隙巖體內(nèi)該滲透性降低至小于0.01m/d層段在下分層開采或殘煤復(fù)采過程中可作為隔水層段考慮,并據(jù)此對分層開采覆巖裂隙破壞計(jì)算公式做了修正,采用修正公式對下分層煤層開采覆巖破壞裂隙高度的計(jì)算可更合理的確定防水(砂)煤柱的留設(shè)。

[1] 錢鳴高,石平五,許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2010.

[2] Alan A Compoli,Timothy M Barton,Fred C Van Dyke.Gob and gate road reaction to longwallmining in bump-prone strata[R].Reportof Investigation(United states department of the interior,Bureau ofmines),1993:9445.

[3] King H J,Whittaker B N.A review of current knowledge on roadway behaviour,especially the problems on which further information is required[A].Proceedings of the Symposium on Strata Control in Roadways[C].London:Inst.Min.Met.1971:73-87.

[4] Choi D S,McCain D L.Design of longwall systems[J].Trans Soc.Min.Eng.AIME,1980,258:1761-1764.

[5] Mark C.Analysis of longwall pillar stability(alps):an update.proceedings of theworkshop on coal pillarmechanics and design[R].BuMines:Information Circular,1992:78-93.

[6] 王作宇,劉鴻泉.采空區(qū)應(yīng)力、覆巖移動規(guī)律與頂?shù)装鍘r體應(yīng)力效應(yīng)的一致性[J].煤礦開采,1993(1):40-46.

Wang Zuoyu,Liu Hongquan.Consistent of goaf stress,overlying stra-tamovement rule and roof and floor rock mass force effect[J].Coal Mining,1993(1):40-46.

[7] 徐連滿,潘一山,李忠華,等.深部開采覆巖應(yīng)力變化規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2011,22(3):61-66.

Xu Lianman,Pan Yishan,Li Zhonghua,et al.Similarity simulation experiment of deformation of deep mining-induced overburden stress [J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2011, 22(3):61-66.

[8] Witherspoon P A,Wang Y S Y,Gale JE.Validity of cubic law for fluid flow in a deformed fracture[J].Water Resources Research 1980,16:1016-1024.

[9] 王文學(xué),隋旺華,董青紅,等.松散層下覆巖裂隙采后閉合效應(yīng)及重復(fù)開采覆巖破壞預(yù)測[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(10):1723-1729.

Wang Wenxue,Sui Wanghua,Dong Qinghong,et al.Closure effect ofmining-induced fractures under sand aquifers and prediction of overburden failure due to re-mining[J].Journal of China Coal Society,2013,38(10):1723-1729.

[10] 郭廣禮,繆協(xié)興,張振南.老采空區(qū)破裂巖體變形性質(zhì)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2002,2(5):44-47.

Guo Guangli,Miao Xiexing,Zhang Zhennan.Research on ruptured rock mass deformation characteristics of Longwall goafs[J].Sci.Technol.Eng.,2002,2(5):44-47.

[11] Shao H,Jiang S G,Wang L Y,et al.Bulking factor of the strata overlying the gob and a three-dimensional numerical simulation of the air leakage flow field[J].Mining Science and Technology, 2011,21:261-266.

[12] Liu J,Elsworth D,Brady BH.Linking sress-dependenteffective porosity and hydraulic conductivity fields to RMR[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1991,36:581-596.

[13] Liu H H,Rutquist J,James G B.On the relationship between stress and elastic strain for porous and fractured rock[J].International Journal of Rock Mechanical&Mining Science,2009;46:289-296.

[14] Bandis S C,Lumsden A C,Barton N R.Fundamentals of rock joint deformation[J].Int.J.Rock Mech.Min.Sci.&Geomech, 1983:249-268.

[15] Philippe S,Aurélien B,Rodolphe C,et al.In-situ characterization of the effective elasticity of a fault zone,and its relationship to fracture spacing[J].Journal of Structural Geology,2011,33:1541-1553.

[16] Worthington M H,Lubbe R.The scaling of fracture compliance [J].Geological Society,London,Special Publications,2007,270: 73-82.

[17] Alireza B,Lanru J.Stress effects on permeability in a fractures rock masswith correlated fracture length and aperture[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2008,45: 1320-1334.

[18] Gale JE.The effects of fracture type(induced versus natural)on the stress-fracture closure-permeability relationship[A].Googman RE,Huze RE,editors.Proceedings of the 23rd Rock Mechanics Symposium[C].Berkeley:AIME,1982:290-298.

[19] Fransson?,Tsang C F,Rutqvist J,et al.Estimation of deformation and stiffness of fractures close to tunnels using data from single-hole hydraulic testing and grouting[J].In International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2010,47(6):887-893.

[20] Griffith W A,Pablo F S,David D Pollard.Influence of outcrop scale fractures on the effective stiffness of fault damage zone rocks [J].Pure appl.Geophys,2009,166:1595-1627.

[21] GB 50218—94,工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)[S].

[22] GB 50487—2008,水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[23] 國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[S].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.

Coal Industry Bureau of the Peop le’s Republic of China.Regulations for setting coal pillar and mining under buildings,water bodies,railways and main roadways[S].Beijing:China Coal Industry Publishing House,2000.

Influence of cover stress re-establishment on the permeability evolution of them ining-induced fractures

WANGWen-xue1,2,SUIWang-hua1,2,DONG Qing-hong1,2
(1.School ofResourcesand Geosciences,China University ofMining and Technology,Xuzhou 221008,China;2.State Key Laboratory forGeomechanics and Deep Underground Engineering,China University ofMining and Technology,Xuzhou 221008,China)

This paper presented an investigation of the influence of cover stress re-establishmenton the permeability of mining-induced fractured zone and its application to the calculation of the heightofwater flow fractured zone for slices mining and re-mining of abandoned coal seams.An experiment on the hydraulic conductivity of the fractures under axial loading with lateral restraintwas conducted to simulate influence of cover stress re-establishmenton the permeability of fractured zone.Based on the in-situ measured logarithmic distribution of the bulking factor with the distance from the gob in themining-induced fractured zone,the distribution of permeability in thewater flow fractured zone has been proposed,and the evolutions of permeability and aperture of themining-induced fractures under cover stress re-establishmentwere analyzed by the fractured rockmassmechanicsmethod.The experimental results show that the apertureand the hydraulic conductivity of the fracture decrease more significantly in the earlier stage of the axial loading than that in the later stage,even though the stress is smaller;the later stage of the axial loading plays a less role on the influence of the fracture’s permeability,and the aperture is hardly compressed to be closed under an axial loading of20 MPa.The theoretical calculation results show that the permeability of the fractures with larger aperture in the lower part of the water flow fractured zone has been decreased but still has a good permeable pathway for water flow;and the permeability of the upper part of the water flow fractured zone has been decreased obviously.According to the code for engineering geological investigation ofwater resources and hydropower,the hydraulic conductivity of 0.01 m/d is determined as the standard for impermeable layer,the maximum height of the water flow fractured zone after the cover stress re-establishment is decreased by 26%compared to the original one.The formula for calculating height of water flow fractured zone ismodified based on the research results,which would provide amore suitable approach to determine the size of safety pillars formining the lower slices of coal seam and re-mining the abandoned seams.

re-mining of coal seam;fracture;cover stress re-establishment;hydraulic conductivity;water flow fractured zone

TD313

A

0253-9993(2014)06-1031-08

王文學(xué),隋旺華,董青紅.應(yīng)力恢復(fù)對采動裂隙巖體滲透性演化的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(6):1031-1038.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0213

Wang Wenxue,SuiWanghua,Dong Qinghong.Influence of cover stress re-establishment on the permeability evolution of the mining-induced fractures[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1031-1038.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0213

2014-02-24 責(zé)任編輯:常 琛

國家自然科學(xué)基金委員會與神華集團(tuán)有限公司聯(lián)合資助項(xiàng)目(51174286);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2013CB227903);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(地質(zhì)資源與地質(zhì)工程)

王文學(xué)(1985—),男,江蘇徐州人,博士研究生。E-mail:wang603698305@163.com。通訊作者:隋旺華(1964—),男,山東臨沂人,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:suiwanghua@cum t.edu.cn