近奧灰薄隔水層底板巖體變形破壞機(jī)制研究

李見波，尹尚先,2

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 三河 065201；2.華北科技學(xué)院 河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201)

0 引 言

近奧灰承壓水和薄隔水層條件給礦井的安全生產(chǎn)造成威脅，為更好地開展礦井防治水工作，開展該地質(zhì)條件下的底板巖體變形破壞機(jī)制研究。在我國，受到奧灰水威脅的礦井有很多，有的礦區(qū)煤層距奧灰較遠(yuǎn)，隔水層厚，但中間夾有薄層灰?guī)r含水層，深部開采時(shí)突水災(zāi)害威脅很大[1]，如邯邢、開灤、焦作、山東甚至兩淮礦區(qū)的深部帶壓開采都屬于此類情形；有的隔水層薄，距奧灰近，如龍王溝礦屬于此類情形，而且煤層厚度巨大(20 m以上)，底板破壞劇烈、中間薄隔水層、底部奧灰極容易導(dǎo)通，而且在遇到破碎帶及斷層時(shí)，危險(xiǎn)性增加，這給礦井安全生產(chǎn)帶來很大威脅，需對(duì)底板巖體變形破壞機(jī)制進(jìn)行研究，為防治水工作提供支撐。在底板巖體破壞方面，相關(guān)研究成果很多。如文獻(xiàn)[2-3]提出了最早的“下三帶”理論；黎良杰等[4]建立了采場底板突水的KS理論；文獻(xiàn)[5-7]分析裂隙變形與突水的關(guān)系，研究了采動(dòng)對(duì)巖體孔隙-裂隙類型升降變化的影響；王作宇等[8]提出原位張裂與零位破壞理論等。即使如此，受到復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，具體問題還應(yīng)具體分析，理論應(yīng)用時(shí)需要考慮具體邊界條件。因此，以近奧灰、厚煤層和薄隔水層為背景開展底板巖體變形破壞機(jī)制研究。分析巖層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建近奧灰薄隔水層底板巖層變形薄板模型，分析巖層在彈塑性條件下動(dòng)變形特征和變形機(jī)制；分析地質(zhì)力學(xué)環(huán)境確定應(yīng)力邊界條件，對(duì)底板巖體位移進(jìn)行數(shù)值求解，得到了基于底板巖層變形的全程位移曲線、巖板受力分布和變形破壞形態(tài)，為礦井防治水工作提供支持。

1 地質(zhì)概況

龍王溝礦內(nèi)煤層距離奧灰近，開采時(shí)受到突水威脅，需要研究底板破壞規(guī)律，為防治水工作提供依據(jù)。該礦位于準(zhǔn)格爾煤田水文地質(zhì)單元中部，是我國大型煤炭基地。主采煤層厚度在20 m以上，寒武奧陶系巖溶裂隙水至主采6號(hào)煤的平均距離為48 m，減去底板破壞深度后中間隔水層非常薄，底板巖層層位如圖1所示。中間巖層以砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，煤層距馬家溝組灰?guī)r近。而且，在巖溶水發(fā)育區(qū)，巖溶水可通過封閉不良鉆孔、斷層構(gòu)造破碎帶、底板擾動(dòng)裂隙帶、巖溶陷落柱進(jìn)入礦坑，是礦井最危險(xiǎn)的充水水源，具有水量巨大、不易疏干的特點(diǎn)。而且煤層開采厚度大，底板破壞劇烈，隔水層薄、距奧灰近，給開采帶來很大的困難，需要進(jìn)行底板巖層移動(dòng)破壞研究。

圖1 礦井地層結(jié)構(gòu)

2 近奧灰薄隔水層底板巖體變形破壞特征與機(jī)制

2.1 底板巖層變形破壞形態(tài)

煤層開采導(dǎo)致底板巖層發(fā)生移動(dòng)破壞，奧灰頂部風(fēng)化條件下底板巖層變形破壞形態(tài)如圖2所示。以風(fēng)化帶和底板破壞區(qū)為分界層，底板巖層從上而下可分為底板破壞區(qū)、中間巖層、奧灰頂部風(fēng)化巖層和奧灰含水層。

圖2 近奧灰薄隔水層底板破壞形態(tài)

底板破壞區(qū)是支承壓力作用下壓剪破壞區(qū)，其下方是中間較完整巖層，在煤層開采后，底板上方垂向應(yīng)力解除，導(dǎo)致底板巖體狀態(tài)的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換，由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為兩向應(yīng)力狀態(tài)或者單向應(yīng)力狀態(tài)。中間巖層受到擾動(dòng)時(shí)間滯后煤炭開采。奧灰頂界面風(fēng)化巖層是在成巖過程中形成的，風(fēng)化巖層原是奧灰?guī)r層，約從晚奧陶紀(jì)至中石炭紀(jì)，長期遭受風(fēng)化剝蝕。奧灰含水層，巖性堅(jiān)硬，強(qiáng)度大，裂隙發(fā)育不均，具有導(dǎo)水性。

2.2 底板破壞區(qū)

龍王溝礦地面標(biāo)高+1 200.5～+1 274.8 m，開采工作面埋深352～395 m。經(jīng)典礦山壓力理論[9-10]中，支承壓力作用下，根據(jù)地基破壞機(jī)理形成的底板破壞深度Dmax為

(1)

式中：L為極限平衡區(qū)寬度，m；φ為巖體內(nèi)摩擦角，(°)。

極限平衡區(qū)理論計(jì)算值偏小，采用數(shù)值解，參考工作面推進(jìn)到工作面長度1/2(120 m)時(shí)，支承壓力核區(qū)距煤壁約20 m，如圖3所示。代入式(1)計(jì)算得到最大底板破壞深度Dmax=33 m。

圖3 工作面開挖120 m支承壓力

2.3 中間層變形與破壞機(jī)制

2.3.1 中間層薄板變形機(jī)制

通過現(xiàn)場鉆孔的巖心特征分析得到肥城煤田距奧灰頂界面10 m的深度范圍內(nèi)，奧灰裂隙發(fā)育，巖心破碎，取心率低[11]，奧灰頂界面風(fēng)化巖層強(qiáng)度較低。龍王溝奧灰頂界面風(fēng)化帶按照5 m計(jì)算，薄板厚度約為10 m。工作面斜長250 m，當(dāng)工作面推進(jìn)到120 m時(shí)，中間巖層在幾何尺寸上符合薄板特征，按照薄板理論進(jìn)行分析。而且當(dāng)薄板的最大撓度小于薄板厚度的1/5時(shí)，屬于薄板小撓度彎曲問題。

設(shè)有矩形薄板，長為2a，寬為2b，假設(shè)四端為固定端約束，底部為分布力約束。忽略中間巖層上方的破壞巖體重力影響，中間巖層的簡化模型符合薄板彎曲模型，如圖4所示。開采后，壓剪破壞區(qū)下方的完整底板巖體為四邊固定的薄板，受到均布載荷作用(水平地應(yīng)力的分量σ′)。

圖4 工作面推進(jìn)120 m巖層變形實(shí)例

薄板的固定邊條件是(w)x=±a=0，(?w/?x)x=±a=0；(w)y=±b=0，(?w/?y)y=±b=0。取撓度表達(dá)式為

(2)

式中：Cm為互不依賴的待定系數(shù)；wm為滿足全部邊界條件的函數(shù)；m取1，2，……。

假設(shè)式(2)中只取一個(gè)系數(shù)C1，該式滿足薄板四周固定的位移邊界條件，用伽遼金法求解得到薄板的撓度方程為

(3)

取a=125 m，b=60 m，滿足薄板的特征。h=10 m，彈性模量E=30 GPa，泊松比μ=0.3。煤層開采后，不考慮巖層自身重力時(shí)，在坐標(biāo)系x′oy′中，采空區(qū)下方巖層僅受水平應(yīng)力的分量σ′的作用時(shí)，按照煤層傾角為5°，計(jì)算得到應(yīng)力分量為0.69 MPa，為計(jì)算方便暫視為彈性薄板基本微分方程中的均布分布載荷q。

2.3.2 裂紋型中間巖層破壞機(jī)制分析

一般條件下，地層巖體中有裂紋存在，或多或少，既與巖層的形成過程有關(guān)，又或是受到后期地應(yīng)力的作用影響。裂紋的存在大幅增加了突水的危險(xiǎn)性，若在底板巖層中存在裂紋，如圖5a所示。在局部坐標(biāo)系x′oy′中，在地應(yīng)力分量σ′作用下，按照橫力彎曲梁的正應(yīng)力計(jì)算公式σ=(M/Iz)y′，M為巖層承受彎矩，Iz為橫截面對(duì)中性軸的慣性矩，y′為至中性軸的距離。當(dāng)拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)應(yīng)力達(dá)到巖層強(qiáng)度時(shí)，巖層發(fā)生破壞。當(dāng)?shù)装鍘r層存在裂紋時(shí)，則更加危險(xiǎn)。

圖5 張拉型裂紋薄板巖層剖面

基于薄板結(jié)構(gòu)剖面模型，垂向上，受到底板垂向應(yīng)力作用的過渡區(qū)分為受拉區(qū)和受壓區(qū)，以梁的中性面為界，上方為拉應(yīng)力區(qū)，下方為壓應(yīng)力區(qū)，如圖5b所示。各區(qū)域中的裂紋受力不同，受拉區(qū)內(nèi)，巖體中的裂紋滿足I型張開型裂紋條件，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到閾值，裂紋擴(kuò)展。

3 近奧灰薄隔水層工作面開采數(shù)值模擬

3.1 應(yīng)力邊界與參數(shù)

龍王溝井田位于準(zhǔn)格爾煤田中北部，地層走向近SN，傾向W，傾角多在5°以下，在井田局部區(qū)域(標(biāo)高+700～+840 m)存在1個(gè)較大的撓曲帶(圖6)，其走向平行且近似SN，向西傾斜，由于前期受到水平地應(yīng)力的擠壓形成[12-14]。開采工作面空間位置如圖6所示。

圖6 應(yīng)力邊界與工作面位置

礦井酸刺溝(準(zhǔn)格爾煤田南部)煤礦地應(yīng)力測(cè)試表明[15]存在一種σHV型(σH>σV>σh)地應(yīng)力場，σH、σv、σh分別為最大水平主應(yīng)力，垂直主應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力。設(shè)以開采方向?yàn)榉ň€的斜截面的外法線n與主應(yīng)力方向夾角為α，參考酸刺溝最大水平主應(yīng)力，最大主應(yīng)力σ1取7.94 MPa，最小主應(yīng)力σ3取6.70 MPa，則該斜截面上的正應(yīng)力σn和切應(yīng)力τ分別為

(4)

(5)

地面標(biāo)高+1 200.5～+1 274.8 m，開采工作面埋深352～395 m。模型中選用的頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)見表1[16]。模型長度600 m，寬度500 m，數(shù)值模型如圖7所示。

表1 頂?shù)装鍘r體力學(xué)參數(shù)

圖7 底板破壞數(shù)值模型

3.2 模擬結(jié)果分析

1)巖層的受力狀態(tài)。煤層開采造成底板破壞，包括剪切破壞和拉破壞。設(shè)定底板變形0.5 m時(shí)，得到采空區(qū)下方直接底板巖層受力大小及狀態(tài)，如圖8所示。兩端受壓中間受拉，形成類似薄板結(jié)構(gòu)(圖8b)，巖層受到向上的最大垂向應(yīng)力1.18 MPa，加快了巖層的破壞。

圖8 巖層受力狀態(tài)

2)塑性破壞區(qū)特征。近奧灰特厚煤層開采的底板破壞形態(tài)(圖9)顯示，底板巖層破壞包括2部分：底板破壞區(qū)和風(fēng)化帶為中心的破壞區(qū)。風(fēng)化帶受擾動(dòng)容易破壞，而且破壞區(qū)會(huì)向上方發(fā)育。工作面開挖250 m×250 m時(shí)，底板巖層或發(fā)生拉破壞或剪破壞，破壞區(qū)貫穿風(fēng)化巖層上方的整個(gè)底板巖層。

圖9 塑性破壞區(qū)形態(tài)

3)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移分析。測(cè)點(diǎn)布置，沿著工作面推進(jìn)方向布置10條縱向測(cè)線，其中5號(hào)測(cè)線距離開切眼100 m，每條測(cè)線在垂直方向布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中，57、58號(hào)測(cè)點(diǎn)布置在風(fēng)化巖層中，風(fēng)化帶上方布置51～56號(hào)測(cè)點(diǎn)，下方布置59～512號(hào)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線如圖10所示。

工作面回采250 m時(shí)，5號(hào)測(cè)線12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)位移變化如圖10a所示，垂向上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線存在2個(gè)明顯的拐點(diǎn)，將12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移分為3段：[51,56]、[57,58]和[59,512]，3段曲線分別對(duì)應(yīng)著風(fēng)化段上方巖層、風(fēng)化段和奧灰層。56號(hào)位移0.196 m，57號(hào)位移0.137 m,58號(hào)位移0.09 m,59號(hào)位移0.012 m。奧灰頂部風(fēng)化段對(duì)底板巖層變形影響明顯。

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化曲線

監(jiān)測(cè)點(diǎn)開采前、開采中和開采后的全程位移曲線如圖10b所示。全程位移曲線與各點(diǎn)的位移曲線變化規(guī)律一致。根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移大小，12個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移曲線可分為3類。12個(gè)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)位移曲線以風(fēng)化帶為界分為3類：[51,56]、[57,58]和[59,512](圖10b)，亦分別對(duì)應(yīng)3種底板巖層：風(fēng)化段上方巖層、風(fēng)化段和奧灰?guī)r層。

4 結(jié) 論

1)構(gòu)建了風(fēng)化帶影響下底板巖體變形破壞模型，以垂向上底板巖層變形的差異性為基礎(chǔ)，計(jì)算得到了特厚煤層開采時(shí)底板破壞區(qū)深度，從理論上分析彈塑性條件下風(fēng)化帶上方完整巖層的擾動(dòng)變形特征和基于I型應(yīng)力強(qiáng)度因子的裂紋型巖層拉伸破壞機(jī)制。

2)計(jì)算結(jié)果表明巖層兩端受壓中間受拉，形成類似薄板結(jié)構(gòu)，巖層受到向上的垂向應(yīng)力，加快了巖層的破壞；巖層破壞通過底板破壞區(qū)和風(fēng)化帶破壞區(qū)向中間不斷發(fā)育貫通。特厚煤層開采時(shí)，破壞區(qū)能夠貫穿風(fēng)化巖層上方的整個(gè)底板巖層。

3)監(jiān)測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)位移變化表明監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線垂向上存在2個(gè)明顯的拐點(diǎn)，將12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線分為3段，分別對(duì)應(yīng)著風(fēng)化段上方巖層、風(fēng)化段和奧灰層，奧灰風(fēng)化帶對(duì)底板巖層變形影響明顯，需要采取相應(yīng)加固措施。