復(fù)合采動損傷對層間隔水控制層穩(wěn)定性的影響

馮國瑞，白錦文,，楊文博，王善勇，康立勛

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024; 2.山西省綠色采礦工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030024; 3.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590; 4.The University of Newcastle，Priority Research Centre for Geotechnical Science & Engineering，Callaghan NSW 2308,Australia)

保水開采是我國綠色開采的重要組成部分[1-2]。保水開采是指通過控制巖層移動維持含水層(巖組)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或水位變化在合理范圍內(nèi)，尋求煤炭開采量與水資源承載力之間最優(yōu)解的煤炭開采技術(shù)[3]。保水開采不僅可以優(yōu)化煤炭資源開采和水資源供需平衡之間的矛盾，還能實現(xiàn)資源開發(fā)與水環(huán)境保護的協(xié)調(diào)統(tǒng)一[4-5]。

隔水層的穩(wěn)定性控制是實現(xiàn)保水開采的關(guān)鍵。王雙明等[6]分析了隔水巖組厚度和采高對隔水層穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)上覆隔水巖組厚度≤18倍采高時，煤層開采會引發(fā)隔水層的破壞;黃慶享等[7-10]研究了淺埋煤層開采覆巖隔水層的變形破壞特征，揭示了隔水層“上行裂隙”和“下行裂隙”的發(fā)育規(guī)律，提出了隔水層穩(wěn)定性的判據(jù)，分析了基巖運動對隔水層穩(wěn)定性的影響機理;繆協(xié)興等[11-13]提出了保水開采隔水關(guān)鍵層的基本概念，確定了隔水關(guān)鍵層位置的判別流程，建立了隔水關(guān)鍵層的力學(xué)模型，分析了隔水關(guān)鍵層的受力與變形特征，得到了隔水關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和滲流失穩(wěn)的臨界判別條件;張東升等[14]分析了我國西北煤炭開采時阻隔巖層變形破壞過程中裂隙的分布特征，構(gòu)建了“上位隔水層-中位阻隔層-下位基本頂結(jié)構(gòu)”協(xié)同變化模型和漸序變化模型，揭示了采動覆巖結(jié)構(gòu)與隔水層穩(wěn)定性的時空演變規(guī)律;劉建功等[15]構(gòu)建了充填開采隔水層采動沉降結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，推導(dǎo)了隔水層穩(wěn)定的邊界條件，分析了充填密實率和充填率等因素對隔水層穩(wěn)定性的影響規(guī)律;郭文兵等[16]揭示了薄基巖厚松散層下充填開采覆巖裂隙的發(fā)育規(guī)律，分析了隔水關(guān)鍵層的穩(wěn)定性;李文平等[17]分析了采動破裂前后和采后應(yīng)力恢復(fù)蠕變等條件下隔水關(guān)鍵層N2紅土的隔水性能與穩(wěn)定性;姚邦華等[18]研究了破碎巖體支撐作用下四邊固支隔水薄板的應(yīng)力分布特征和臨界載荷變化規(guī)律，并分析了覆巖隔水層的穩(wěn)定性;劉偉韜等[19]建立了底板隔水層的薄板力學(xué)模型，分析了隔水層的最大撓曲位置和最大主應(yīng)力方向，得到了底板隔水層突水機理的力學(xué)判據(jù);呂廣羅等[20]分析了巨厚砂礫巖含水層下特厚煤層開采隔水層的破壞特征;孫建等[21]建立了條帶充填覆巖結(jié)構(gòu)隔水層的力學(xué)模型，推導(dǎo)了隔水層穩(wěn)定性的力學(xué)判據(jù)和影響因素;師本強等[22]分析了淺埋煤層砂土基型礦區(qū)開采隔水土層中裂隙的破壞深度和導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，計算了隔水保護層的厚度;徐智敏等[23]采用類比法估算了哈密煤田生態(tài)脆弱區(qū)采動條件下導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，分析了隔水關(guān)鍵層的穩(wěn)定性;黃存捍等[24]應(yīng)用尖點突變理論建立了組合隔水層的突變模型，探討了其失穩(wěn)非線性特征和力學(xué)充要條件。

現(xiàn)有研究成果針對不同賦存狀況和不同采動條件下隔水層的應(yīng)力分布、變形破壞、滲流特性和失穩(wěn)機理等開展了較為系統(tǒng)地分析，極大地促進了保水開采理論與技術(shù)的發(fā)展。然而，前述研究涉及的采動影響主要來源于單一煤層開采或分層開采，關(guān)注的對象多集中于覆巖隔水層或底板隔水層。

近距離煤層群下行開采在我國多個礦區(qū)應(yīng)用實踐[25]。上部煤層開采后，形成的大面積采空區(qū)中可能會賦存有大量的積水[25]。下部煤層開采時，上部采空區(qū)積水是否會向下方滲流擴逸是制約安全開采的主要問題之一。此時，層間巖體中隔水層的穩(wěn)定性至關(guān)重要。上下煤層復(fù)合采動影響下，若層間隔水層的穩(wěn)定性遭受破壞，會形成大量的積水滲流通道，進而誘導(dǎo)上方積水的瞬時涌出;若層間隔水層的穩(wěn)定性良好，則下部煤層開采受上方積水水患的威脅較小，安全性較好。因此，亟需開展復(fù)合采動影響下層間隔水層的穩(wěn)定性研究。

筆者提出了復(fù)合采動影響下層間隔水控制層的基本概念，構(gòu)建了復(fù)合采動影響下層間巖體損傷參量的計算模型，確定了損傷參量與層間巖體抗壓強度及破壞范圍之間的關(guān)系，分析了復(fù)合采動損傷對層間隔水控制層穩(wěn)定性的影響，從而為積水采空區(qū)下部煤層安全開采提供理論指導(dǎo)。

1 層間隔水控制層

隔水層是指隔水性能較高、能夠阻隔含水層水源滲流擴逸的巖層或土層[3-4,8-9]?？刂茖邮侵附嚯x煤層群開采時層間巖體中對局部或全部巖體的運動起主要承載作用的厚硬巖層[26-27]。借鑒了隔水層和控制層的基本定義，筆者提出了復(fù)合采動影響下層間隔水控制層的概念:復(fù)合采動影響下，層間巖體中不發(fā)生破斷失穩(wěn)，且能起到阻隔上方采空區(qū)中積水向下滲流擴逸的控制巖層，如圖1所示。圖1中上部煤層與隔水控制層之間的巖體稱為上位層間巖體，隔水控制層與下部煤層之間的巖體稱為下位層間巖體。

圖1 隔水控制層結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of water-resisting control strata

層間隔水控制層的穩(wěn)定性對于積水采空區(qū)下方煤層的安全開采至關(guān)重要。如果層間隔水控制層在復(fù)合采動損傷影響下不發(fā)生破斷，則其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好，能夠起到阻隔上覆采空區(qū)積水的作用;如果層間隔水控制層在單一或復(fù)合采動影響下發(fā)生破斷，則其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，會誘導(dǎo)上覆采空區(qū)積水的滲流擴逸，進而對下部煤層的安全開采形成威脅。因此，層間隔水控制層的穩(wěn)定性與上下煤層復(fù)合采動的疊加損傷密切相關(guān)。

2 層間巖體的損傷參量D

隨著上下煤層的逐漸開采，層間巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，進而誘導(dǎo)微裂紋的形成、擴展與傳遞，使其逐漸經(jīng)歷體積元的破裂、宏觀裂紋形成、裂紋的穩(wěn)定擴展和失穩(wěn)擴展等變化過程[28-29]，并最終引發(fā)層間巖體不同程度的損傷與破壞。

多重采動影響下，層間巖體的損傷破壞主要包括[30]:① 上部煤層開采對層間巖體的損傷破壞;② 下部煤層開采對層間巖體的損傷破壞。圖2為復(fù)合采動影響下層間巖體的損傷模型。圖2(a)為復(fù)合采動影響前層間巖體示意，其總體積為V;圖2(b)為復(fù)合采動影響后層間巖體的損傷示意，圖中陰影部分區(qū)域表示層間巖體發(fā)生了損傷破壞，其總體積為VD:

VD=V1+V2

(1)

式中，V1為上部煤層開采后層間巖體的損傷體積;V2為下部煤層開采后層間巖體的損傷體積。

根據(jù)應(yīng)變等效假設(shè)[31]易知:復(fù)合采動影響下，發(fā)生損傷破壞的層間巖體已經(jīng)喪失了承載能力。因此，覆巖自重與采動支承壓力產(chǎn)生的疊加載荷主要由層間巖體中未發(fā)生損傷破壞的巖體來承載，其有效體積為V′:

V′=V-VD

(2)

此時，可以用損傷參量D來衡量復(fù)合采動影響下層間巖體的損傷破壞程度。它表示單軸應(yīng)力狀態(tài)下材料單元體積內(nèi)存在的微裂紋(微孔隙、微缺陷)的比率[32]，即

(3)

一般地，煤巖材料損傷參量D的變化范圍為:0≤D≤1。通常認為:① 當(dāng)D=0時，復(fù)合采動影響下層間巖體完全沒有受到損傷;② 當(dāng)0

3 層間巖體抗壓強度與D的關(guān)系

筆者在分析復(fù)合采動影響下層間巖體的損傷破壞時，對層間巖體進行了假設(shè)[33-34]:① 連續(xù)介質(zhì);② 各向同性;③ 應(yīng)變等效。基于此，建立了復(fù)合采動影響下層間巖體的損傷破壞的本構(gòu)關(guān)系[32]:

(4)

式中，[σ*]為有效應(yīng)力矩陣;[σ]為名義應(yīng)力矩陣;D為復(fù)合采動影響下層間巖體的損傷參量。

由此可知，復(fù)合采動影響下層間巖體的抗壓強度RD與其原始強度R之間的關(guān)系[33]可表示為

RD=(1-D)R

(5)

根據(jù)式(5)，分別取層間巖體的原始強度R為1.5,2.0,2.5,3.0,3.5和4.0 MPa六種情況，損傷參量D為0～1，可以得到復(fù)合采動影響下層間巖體的抗壓強度RD與其損傷參量D之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 層間巖體的抗壓強度與損傷參量D的關(guān)系Fig.3 Relationship between the damage parameter (D) and the compressive strength

由圖3可以看出:① 當(dāng)損傷參量D一定時，復(fù)合采動影響下層間巖體的抗壓強度RD隨著原始強度R的增大而增強;② 當(dāng)原始抗壓強度R為定值時，復(fù)合采動影響下層間巖體的抗壓強度RD隨著損傷參量D的增大表現(xiàn)出線性遞減的變化趨勢;此時，層間巖體強度RD的折減系數(shù)為1-D。綜上，損傷參量D越大，復(fù)合采動影響下層間巖體內(nèi)部能夠起到承載作用的完整材料的體積V′越小，即其受到的損傷破壞越大，也更容易發(fā)生破斷失穩(wěn)。

4 層間巖體破壞范圍與D的關(guān)系

筆者通過分析計算上部/下部煤層開采對層間巖體的最大損傷深度/高度Hmax及其距工作面端部的距離Lmax來表征采動影響下層間巖體的破壞范圍[34-35]，如圖4所示。多重采動影響下，層間巖體的破壞范圍與其損傷參量D密切相關(guān)。

圖4 上部/下部煤層開采層間巖體的損傷破壞范圍示意Fig.4 Damage schematic diagram of interburden in upper/lower coal seam

一般地，采動應(yīng)力場是控制層間巖體損傷破壞的核心[36-37]。因此，非常有必要深入剖析采動影響下層間巖體的應(yīng)力分布狀況。運用彈性力學(xué)基礎(chǔ)理論[33]易知，平面應(yīng)變條件下層間巖體的主應(yīng)力為

(6)

將式(6)代入Mohr-Coulomb準則[37]，可以求得層間巖體損傷破壞的邊界方程:

(7)

(8)

式中，γ為層間巖體的平均容重;H為煤層的開采深度;a為遺留煤柱的寬度;b為工作面的長度。

根據(jù)式(8)，分別取層間巖體的原始強度R為1.5,2.0,2.5,3.0,3.5和4.0 MPa六種情況，損傷參量D為0.2～0.8，平均容重γ=25 kN/m3，開采深度H為100 m，遺留煤柱寬度a=8 m，工作面的長度b=24 m，可以得到采動影響下層間巖體的破壞范圍與其損傷參量D之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 層間巖體破壞范圍與損傷參量D的關(guān)系Fig.5 Relationship between the damage parameter (D) and failure range of interburden

由圖5可以看出:

(1)損傷參量D一定時，采動影響下層間巖體的最大破壞深度/高度Hmax及其距工作面端部的距離Lmax均隨著原始強度R的增大而逐漸減小。

(2)原始抗壓強度R一定時，采動影響下層間巖體的最大破壞深度/高度Hmax及其距工作面端部的距離Lmax均隨著損傷參量D的增大而增大，說明損傷參量越大，層間巖體受上下煤層開采的損傷影響越大;同時，原始強度R一定時，D越大，Hmax和Lmax的增幅也越大。

5 復(fù)合采動損傷對層間隔水控制層穩(wěn)定性的影響

筆者分別用DU和DB表示上位層間巖體和下位層間巖體的厚度，用HUmax和HBmax分別表示上部/下部煤層開采對層間巖體的最大破壞深度/高度，用LUmax和LBmax分別表示層間巖體最大破壞深度/高度的位置距工作面端部的距離，用M表示層間隔水控制層的厚度。根據(jù)采場煤巖體損傷破壞空間的分布形態(tài)和范圍[34-35]，筆者從以下6個方面來探討復(fù)合采動損傷對層間隔水控制層的影響，如圖6所示。

圖6 復(fù)合采動損傷對層間隔水控制層穩(wěn)定性的影響Fig.6 Influence of multiple mining on stability of water-resisting control strata

綜上，煤層群開采時，層間隔水控制層的穩(wěn)定性與復(fù)合采動影響產(chǎn)生的疊加損傷密切相關(guān)。在開展積水采空區(qū)下部煤層開采實踐之前，非常有必要綜合考量上下煤層多重開采后層間巖體損傷破壞范圍，進而全面了解不同條件下層間隔水控制層的穩(wěn)定性，并采取合理有效的控制措施來保障下部煤層的安全開采。

6 結(jié) 論

(1)提出了層間隔水控制層的基本概念:復(fù)合采動影響下，層間巖體中不發(fā)生破斷失穩(wěn)，且能夠起到阻隔上方采空區(qū)中積水向下滲流擴逸的控制巖層。

(2)損傷參量D可以衡量復(fù)合采動影響下層間巖體的損傷破壞程度。層間巖體抗壓強度RD與損傷參量D的關(guān)系為:當(dāng)原始抗壓強度R為定值時，損傷參量D越大，層間巖體內(nèi)部能夠起到承載作用的完整材料的體積V′越小，抗壓強度RD也越小，進而表現(xiàn)出線性遞減的變化趨勢，其強度的折減系數(shù)為1-D。

(3)層間巖體破壞范圍與損傷參量D的關(guān)系為:當(dāng)原始抗壓強度R一定時，層間巖體的最大破壞深度/高度Hmax及其距工作面端部的距離Lmax均隨著損傷參量D的增大而增大;同時，原始強抗壓強度R一定時，D越大，Hmax和Lmax的增幅也越大。

(4)層間隔水控制層的穩(wěn)定性與復(fù)合采動影響產(chǎn)生的疊加損傷密切相關(guān)。在開展積水采空區(qū)下部煤層開采實踐之前，非常有必要綜合考量上下煤層多重開采后層間巖體損傷破壞范圍，進而全面了解不同條件下層間隔水控制層的穩(wěn)定性，并采取合理有效的控制措施來保障下部煤層的安全開采。