地應(yīng)力對(duì)煤層開(kāi)采底板破壞控制效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

田 干

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077； 2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710177)

煤炭是我國(guó)的主要基礎(chǔ)能源，在一次性能源構(gòu)成中其占70%左右。隨著我國(guó)淺部煤層開(kāi)采日趨枯竭，礦井開(kāi)采深度不斷增加。資料顯示，1980—2010年我國(guó)煤礦開(kāi)采深度平均約700 m，且每年在以100～250 m的開(kāi)采深度不斷增加[1-4]，很多礦井深部煤層受到底板高壓水害的威脅，且煤炭?jī)?chǔ)量較大[1]，埋深大于1 000 m的煤炭資源約有2.95萬(wàn)億t，占我國(guó)現(xiàn)有發(fā)現(xiàn)煤炭資源總量的53%。因此，未來(lái)我國(guó)深部煤炭資源的開(kāi)發(fā)利用勢(shì)在必行。

但縱觀以往礦井底板突水水害研究，人們往往重點(diǎn)考慮充水水源、充水途徑以及充水強(qiáng)度這3個(gè)礦井充水要素，而對(duì)煤層底板突水危險(xiǎn)性分析評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)也主要利用傳統(tǒng)的突水系數(shù)法，通常只考慮煤層底板含水層水壓力的大小和底板隔水層的特性等方面。實(shí)際上，在開(kāi)采煤層底板含水層水壓力、隔水層性質(zhì)相同的條件下，即使其突水系數(shù)相同，但煤層在不同的埋深條件下進(jìn)行開(kāi)采時(shí)其突水的幾率和危險(xiǎn)程度是不同的。如煤層底板隔水層承受水壓力為3 MPa，底板隔水層厚度為50 m，其突水系數(shù)是相同的，但是如果1個(gè)煤層埋深為400 m，而另一個(gè)煤層埋深為800 m，那么煤層采動(dòng)后其底板突水的概率和危險(xiǎn)程度是不一樣的。通常情況下，煤層埋深越大，煤層底板圍巖的原巖應(yīng)力就越大，煤層回采后底板圍巖變形和能量釋放相應(yīng)就越大，開(kāi)采煤層底板隔水巖層擾動(dòng)破壞深度也就會(huì)越大，在相同開(kāi)采條件下其突水的危險(xiǎn)性就相對(duì)較大。因此，對(duì)于深部煤炭開(kāi)采不能再單純地考慮水壓力、底板隔水層性質(zhì)，而忽視了地應(yīng)力對(duì)底板突水的控制效應(yīng)，這對(duì)礦井實(shí)際采掘生產(chǎn)底板突水危險(xiǎn)性、危害程度的分析評(píng)價(jià)及監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)存在一定的誤導(dǎo)和安全隱患，在防治水技術(shù)理論上也同樣存在一定的缺陷。

1 地應(yīng)力與底板突水的關(guān)系

1.1 地應(yīng)力分布規(guī)律分析

地應(yīng)力是在地殼中沒(méi)有受采掘工程等擾動(dòng)條件下的原巖應(yīng)力。其主要是在重力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的共同作用下而形成的，并且與地球的各種動(dòng)力運(yùn)動(dòng)過(guò)程有關(guān)，主要包括板塊邊界擠壓、地心引力、地幔熱對(duì)流、巖漿浸入、地球內(nèi)應(yīng)力、地球旋轉(zhuǎn)和地殼非均勻擴(kuò)容等[2]。另外，由于地層溫度分布不均、水壓梯度的大小、地表剝蝕等也可引起相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和自重應(yīng)力場(chǎng)是地應(yīng)力場(chǎng)的主要組成部分[2]。而通常情況下，在同一礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力基本變化不大，再加上構(gòu)造應(yīng)力測(cè)定難度較大，因此，我們這里研究的地應(yīng)力主要為垂直應(yīng)力。

通常情況下，垂直應(yīng)力基本上等于上覆地層巖體的重量。1978年，E．Brown和E.Hoek統(tǒng)計(jì)歸納了世界各地地應(yīng)力的實(shí)測(cè)結(jié)果，根據(jù)數(shù)據(jù)擬合總結(jié)出垂直應(yīng)力與地層的埋藏深度成正比。近年來(lái)，我國(guó)許多學(xué)者對(duì)我國(guó)地應(yīng)力進(jìn)行了大量地測(cè)試研究，也同樣得出垂直應(yīng)力隨著地層埋深增加逐漸增大。

山西潞安、陽(yáng)泉、霍州、汾西等礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)試成果[3]繪制的地層垂直應(yīng)力大小隨地層埋深的變化曲線如圖1所示。從曲線可以明顯看出，垂直應(yīng)力與地層埋深具有很好的線性關(guān)系，垂直應(yīng)力大小隨地層埋深逐漸增大。垂直應(yīng)力與上覆巖層的重量基本相等。

圖1 山西礦區(qū)垂直應(yīng)力與埋深關(guān)系Fig.1 Relation between vertical stress and buried depth in Shanxi mining area

1.2 地應(yīng)力與礦山壓力關(guān)系分析

煤層在回采過(guò)程中，采場(chǎng)圍巖原巖應(yīng)力場(chǎng)平衡將會(huì)被打破而重新分布，相應(yīng)的煤層底板的圍巖應(yīng)力也隨之變化，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)底板巖體產(chǎn)生位移、變形、甚至破壞等現(xiàn)象。這種由于地下煤巖采掘活動(dòng)而在井巷、硐室及回采工作面等周圍煤巖體及相關(guān)支護(hù)物上產(chǎn)生的力被稱為礦山壓力。其中支承壓力是礦山壓力的重要組成部分。

在煤層回采過(guò)程中，由于工作面采空區(qū)頂板巖層懸頂?shù)淖饔煤土严稁r層在取得平衡前的下沉，工作面推進(jìn)前方的煤體一方面要承受本身的上覆巖層重量，另外還要承受裂隙帶巖層傳遞來(lái)的采空區(qū)上方一部分上覆巖層的重量，從而在煤體內(nèi)便形成了隨工作面同時(shí)移動(dòng)的支承壓力。煤體內(nèi)的這種支承壓力常以原巖應(yīng)力為基數(shù)而成倍增加，且其絕對(duì)量隨煤層開(kāi)采深度的增加而增大，當(dāng)達(dá)到一定量值后，長(zhǎng)壁工作面推進(jìn)前方煤體則就會(huì)出現(xiàn)極限平衡區(qū)，情況嚴(yán)重時(shí)煤壁就會(huì)出現(xiàn)底鼓、片幫等現(xiàn)象[4]。

礦山壓力產(chǎn)生的根源在于地應(yīng)力的存在，其實(shí)質(zhì)是由于煤層在采掘過(guò)程中造成圍巖原巖應(yīng)力場(chǎng)受到破壞而相互疊加、重新自我平衡的結(jié)果，在回采工作面底板圍巖形成膨脹區(qū)、壓縮區(qū)、剪切區(qū)等，導(dǎo)致圍巖體發(fā)生變形、破壞、塌落和支護(hù)物的變形、破壞、折損等動(dòng)力現(xiàn)象。礦山壓力造成的這種擾動(dòng)破壞對(duì)底板突水的發(fā)展、發(fā)生過(guò)程將產(chǎn)生直接影響。因此，研究和預(yù)測(cè)不同埋深不同應(yīng)力條件下深部煤層采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布和變化規(guī)律對(duì)于超前預(yù)測(cè)和防治采煤工作面底板突水災(zāi)害具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1.3 地應(yīng)力與底板突水關(guān)系分析

隨著煤層采掘深度的不斷增加，地應(yīng)力對(duì)深部煤層開(kāi)采影響越來(lái)越突出，因此，地應(yīng)力對(duì)深部煤層底板突水控制效應(yīng)也愈加明顯。地應(yīng)力與煤層底板突水的關(guān)系一般體現(xiàn)在2個(gè)方面。

(1)在煤層未被開(kāi)采的原巖狀態(tài)條件下，工作面煤層上覆地層巖體垂直應(yīng)力均勻地傳遞至底板隔水層，此時(shí)煤層底板隔水層在不同位置受力狀態(tài)基本均勻相等[5]，對(duì)煤層底板隔水層不會(huì)造成變形破壞。而隨著煤層埋藏深度的不斷增加，底板隔水層圍巖壓力不斷增大，底板巖體裂隙和孔隙將不斷減小，則巖體的滲透性降低和其阻抗高壓水的能力隨之增強(qiáng)。因此，在原巖應(yīng)力狀態(tài)下，地應(yīng)力對(duì)煤層底板含水層水原始侵入導(dǎo)升發(fā)育高度具有一定的抑制作用。

(2)當(dāng)工作面煤層回采后，采空區(qū)上覆巖體垂直應(yīng)力將轉(zhuǎn)移至工作面四周的煤壁上，結(jié)果這些區(qū)域承受的垂直應(yīng)力明顯高于采空區(qū)，導(dǎo)致四周煤壁形成應(yīng)力增高區(qū)[5]，而在采空區(qū)則形成應(yīng)力釋放區(qū)。回采工作面四周煤壁處的集中應(yīng)力會(huì)通過(guò)煤壁傳遞至底板隔水層，造成煤層底板隔水層形成非均勻受力狀態(tài)，煤壁附近底板隔水層所承受的垂直應(yīng)力明顯高于周邊煤巖體，從而形成工作面煤層底板隔水層的壓應(yīng)力區(qū)及張應(yīng)力區(qū)[6-8]，應(yīng)力集中的結(jié)果導(dǎo)致煤層底板隔水層的變形破壞，且隨著煤層開(kāi)采深度的不斷增加這種現(xiàn)象更加明顯。而且隨著煤層埋藏深度的不斷增加，其上覆地層產(chǎn)生的垂直應(yīng)力逐漸增大，從而引起煤層采動(dòng)過(guò)程中由于開(kāi)采擾動(dòng)在底板隔水層產(chǎn)生的礦山壓力也隨之增大，礦壓顯現(xiàn)更加明顯，開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)煤層底板剪切和拉張等變形破壞更加嚴(yán)重，底板擾動(dòng)損傷破壞深度不斷增大，底板隔水層底界面高壓水侵入損傷導(dǎo)升發(fā)育高度也隨之增高，從而造成底板突水成為可能。因此，煤層采掘活動(dòng)過(guò)程中地應(yīng)力對(duì)底板突水具有一定誘發(fā)效應(yīng)。

2 實(shí)驗(yàn)研究

通常情況下，在不同埋深條件下，煤層底板隔水層圍巖壓力是不相同的。煤層埋藏越深其底板圍巖壓力就越大，煤層開(kāi)采后地應(yīng)力對(duì)底板變形破壞的影響也越大，這對(duì)研究深部煤層開(kāi)采底板突水機(jī)理至關(guān)重要。為了研究不同埋深應(yīng)力條件下地應(yīng)力對(duì)煤層底板隔水巖層的變形破壞等作用機(jī)制，采用美國(guó)產(chǎn)MTS815 Flex Test GT巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，在不同圍壓、不同孔隙水壓條件下，實(shí)驗(yàn)研究巖塊的強(qiáng)度變化、變形程度等受圍壓的影響變化規(guī)律，綜合分析應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巖體的變形破壞作用機(jī)制及變化規(guī)律。

試驗(yàn)方案：圍壓為5、10、20、30 MPa四個(gè)級(jí)別條件下灰?guī)r飽和巖塊試驗(yàn)和圍壓相同條件下孔隙水壓為4 MPa條件下灰?guī)r巖石峰后巖石試驗(yàn)。

峰后巖體試件是巖塊全過(guò)程試驗(yàn)所破壞的試件。由于試件已經(jīng)破壞，形成了裂隙網(wǎng)絡(luò)，成為裂隙透水介質(zhì)，故可以代表裂隙巖體的滲透特性，試驗(yàn)時(shí)對(duì)其施加不同圍壓和靜水壓力、滲透壓力，測(cè)試結(jié)果揭示了巖體強(qiáng)度、變形的圍壓效應(yīng)與水壓效應(yīng)。

試驗(yàn)時(shí)，強(qiáng)度參數(shù)及變形參數(shù)的測(cè)試過(guò)程中施加的水壓為靜水壓力(孔隙水壓力)。

2.1 圍壓對(duì)巖石強(qiáng)度作用機(jī)制

隨著煤層開(kāi)采深度的不斷增加，采場(chǎng)圍巖應(yīng)力隨之增大，在高地應(yīng)力和高水壓共同作用下，回采工作面煤層底板隔水層巖體的強(qiáng)度及變形特征與淺埋煤層底板常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)下圍巖的強(qiáng)度特征是不同的，因此，在煤層開(kāi)采過(guò)程中，不同的圍巖應(yīng)力對(duì)煤層底板突水的控制效應(yīng)也是不同的。

灰?guī)r巖塊在不同圍壓下飽和巖塊和4 MPa靜水壓作用下巖塊的強(qiáng)度測(cè)試成果數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，灰?guī)r巖塊在不同圍壓下強(qiáng)度變化曲線如圖2所示。

表1 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of strength test results

圖2 灰?guī)r巖塊在不同圍壓下強(qiáng)度變化曲線Fig.2 Strength change curves of limestone block under different surrounding pressure

從表1中數(shù)據(jù)和圖2可以看出，巖塊強(qiáng)度受圍巖壓力作用明顯，隨著圍壓的增大巖塊的強(qiáng)度逐漸變大。圍壓5 MPa時(shí)，飽和巖塊峰值強(qiáng)度為120.98 MPa；圍壓為30 MPa時(shí)，飽和巖塊峰值強(qiáng)度達(dá)到了283.52 MPa，圍壓從5 MPa增加到30 MPa巖塊飽和峰值強(qiáng)度增加了162.54 MPa，巖塊強(qiáng)度增加了134%，巖塊強(qiáng)度變化與圍壓之間基本呈線性關(guān)系。相應(yīng)的，圍壓從5 MPa增加到30 MPa巖塊峰后殘余強(qiáng)度從16.16 MPa增加到153.31 MPa，巖塊強(qiáng)度增加了137.15 MPa，強(qiáng)度增加了848%，巖塊強(qiáng)度受圍壓影響更大，巖塊強(qiáng)度變化與圍壓之間也同樣成正比線性關(guān)系。

不同巖性的巖塊在不同圍壓下飽和巖塊強(qiáng)度和3 MPa靜水壓作用下巖塊的強(qiáng)度測(cè)試成果數(shù)據(jù)如圖3和表2。

圖3 不同巖性巖塊在不同圍壓下強(qiáng)度變化曲線Fig.3 Strength change curves of different rock blocks under different confining pressure

表2 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.2 Test result statistics

從表2中數(shù)據(jù)和圖3可以同樣可以看出，細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖和灰?guī)r不同巖塊在4、8、12、16 MPa不同圍壓作用下巖塊強(qiáng)度變化規(guī)律是一致的。細(xì)砂巖在4 MPa和16 MPa圍壓作用下時(shí)其飽和強(qiáng)度分別為60.33、144.33 MPa，圍壓增加4倍巖塊強(qiáng)度增加了84 MPa，強(qiáng)度比原來(lái)增加了139%。同樣，其他巖塊強(qiáng)度隨著圍壓的不斷增加也隨之增大，巖石強(qiáng)度變化規(guī)律與圍壓變化基本呈正比線性關(guān)系，巖石強(qiáng)度受圍巖應(yīng)力控制效應(yīng)明顯。

以上巖塊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果證明，隨著開(kāi)采煤層埋藏深度的不斷增加，煤層底板巖體承受的圍巖應(yīng)力隨之增大，巖體強(qiáng)度受圍巖應(yīng)力控制效應(yīng)也逐漸增大，巖體抗破壞能力逐漸增強(qiáng)，同時(shí)也預(yù)示著巖體圍壓越大其儲(chǔ)存的勢(shì)能也就越大，其破壞后變形破壞嚴(yán)重程度相對(duì)會(huì)更大。另外，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在同一圍壓條件下，巖石的殘余強(qiáng)度隨著滲透壓增大而越低(圖4)，滲透壓與巖石的強(qiáng)度成反比關(guān)系。說(shuō)明煤層底板隔水巖層在高壓水的弱化作用下巖石強(qiáng)度將會(huì)減小，其阻抗水能力也隨之降低。

圖4 灰?guī)r巖塊不同圍壓下殘余強(qiáng)度隨滲透壓變化曲線Fig.4 Variation curve of residual strength of limestone block with osmotic pressure under different confining pressure

2.2 圍壓對(duì)巖體變形作用機(jī)制

研究圍壓對(duì)巖體的變形作用機(jī)制采用的試驗(yàn)方法為三軸壓縮試驗(yàn)方法。通過(guò)分析不同巖性巖塊在不同圍壓下的變形特征，研究圍壓對(duì)巖塊峰后變形特征的影響效應(yīng)。

本文用彈性模量E和泊松比μ來(lái)描述不同巖塊在不同圍壓下的變形特征。在三軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)對(duì)試驗(yàn)巖塊加載同一水壓、不同圍壓下巖塊的變形特征。 根據(jù)三軸實(shí)驗(yàn)成果資料，我們可以計(jì)算巖塊彈性模量E和泊松比μ這2個(gè)基本變形參數(shù)，計(jì)算公式為：

式中，E為試驗(yàn)巖塊彈性模量；μ為巖塊泊松比；σ1為軸壓；σ3為圍壓；ε1為軸向應(yīng)變；ε3為橫向應(yīng)變。

灰?guī)r巖塊在飽和狀態(tài)和4 MPa靜水壓力作用下彈性模量和泊松比測(cè)試成果見(jiàn)表3。

表3 變形試驗(yàn)成果Tab.3 Results of deformation tests

從表3和圖5可以看出，飽和灰?guī)r巖塊在圍巖5、10、20、30 MPa作用條件下，灰?guī)r巖塊的彈性模量逐漸增大。當(dāng)圍壓為5 MPa時(shí)，巖塊的彈性模量為65.68 GPa；圍壓為30 MPa時(shí)，巖塊的彈性模量為86.07 GPa，彈性模量增加了14.39 GPa；同樣，巖塊在4 MPa靜水壓力和不同圍壓作用下其彈性模量也隨之增大。巖塊的彈性模與圍壓之間基本呈線性關(guān)系。

圖5 灰?guī)r在不同圍巖作用下彈性模量變化曲線Fig.5 Variation curves of elastic modulus of limestone under different surrounding pressure

灰?guī)r在不同圍壓作用下泊松比變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出，飽和灰?guī)r巖塊在圍壓5、10、20、30 MPa作用條件下，巖塊的泊松比開(kāi)始變化較大，但隨著圍壓的最大泊松比逐漸趨于穩(wěn)定，泊松比的圍壓效應(yīng)降低或消失。同樣，巖塊在4 MPa靜水壓力和不同圍壓作用下其泊松比開(kāi)始變化較大，隨著圍壓的最大泊松比也逐漸趨于穩(wěn)定。巖塊的泊松比在圍壓增大后其圍壓控制效應(yīng)逐漸降低或消失。試驗(yàn)說(shuō)明，在深部煤層底板隔水巖層高圍壓作用下，巖層的縱橫向可壓縮性逐漸減小，強(qiáng)度逐漸增大。

圖6 灰?guī)r在不同圍壓作用下泊松比變化曲線Fig.6 Poisson ratio variation curves of limestone under different confining pressure

不同巖性巖塊在飽和狀態(tài)和3 MPa靜水壓力作用下彈性模量和泊松比測(cè)試成果見(jiàn)表4，彈性模量與圍壓的關(guān)系曲線如圖7所示，泊松比與圍壓的關(guān)系曲線如圖8所示。

從表4和圖7可以看出，細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖和灰?guī)r不同飽和巖塊在4、8、12、16 MPa不同圍壓作用下，各巖塊彈性模量隨著圍壓的增加而增大。在圍巖4 MPa時(shí)，細(xì)砂巖巖塊彈性模量為14.10 GPa，中砂巖彈性模量為9.00 MPa，粗砂巖彈性模量為11.60 GPa，灰?guī)r巖塊彈性模量為29.80 GPa，而在16 MPa圍壓作用下，各巖性巖塊彈性模量分別為20.70、18.60、19.60、41.80 GPa，分別比原來(lái)增加了46.81%、106.67%、68.97%和40.27%，彈性模量與圍壓基本成線性關(guān)系。圍壓對(duì)巖塊彈性模量具有很好的控制效應(yīng)。

圖7 不同巖性巖塊在不同圍壓作用下彈性模量變化曲線Fig.7 Variation curves of elastic modulus of different rock blocks under different confining pressure

表4 變形試驗(yàn)成果Tab.4 Results of deformation tests

同樣，巖塊在3 MPa靜水壓力作用下和不同圍壓條件下，其彈性模量隨著圍壓增加而不斷增大，彈性模量與圍壓也基本成線性關(guān)系。圍巖對(duì)巖塊彈性模量也同樣顯示具有很好的控制效應(yīng)。

從圖8可以看出，飽和巖塊泊松比基本隨著圍壓的增加而增大，且開(kāi)始成線性變化增加。在圍巖4 MPa時(shí)，細(xì)砂巖巖塊泊松比為0.29，中砂巖泊松比為0.29，粗砂巖泊松比為0.34，灰?guī)r巖塊泊松比為0.23，而在16 MPa圍壓作用下，各巖性巖塊泊松比分別為0.30、0.30、0.30和0.28，分別比原來(lái)增加了3.45%、3.45%、-11.76%和21.74%，數(shù)值基本相等。而隨著圍壓的不斷增加巖塊泊松比變化逐漸趨緩，當(dāng)圍壓增大到一定程度時(shí)其對(duì)巖塊的泊松比的影響逐漸減弱，最終基本消失且趨于一常數(shù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，隨著巖塊圍壓的不斷增大，巖塊所承受的水應(yīng)力和垂直應(yīng)力也隨之增加，當(dāng)圍壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，巖塊水平和垂直應(yīng)力逐漸趨于相等，巖塊的橫向應(yīng)變和垂直應(yīng)變之比也逐漸趨于穩(wěn)定，巖塊的可壓縮性也隨之加大，巖塊強(qiáng)度也隨之增大。

圖8 不同巖性巖塊在不同圍壓作用下泊松比變化曲線Fig.8 Poisson ratio variation curves of different lithologic blocks under different confining pressure

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析，巖塊的圍壓在不斷增加的時(shí)其強(qiáng)度也不斷增加，相應(yīng)的其彈性模量也隨著增大，這說(shuō)明煤層底板隔水層在原巖應(yīng)力狀態(tài)下，隨著埋深的不斷增加其圍壓不斷增大，巖層所承受的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力逐漸趨于相等，巖層的強(qiáng)度和彈性模量也隨著增加，其抵抗變形和破壞的能力增強(qiáng)，同時(shí)巖體的勢(shì)能也隨著增大。但是，在煤層開(kāi)采后由于底板圍巖應(yīng)力場(chǎng)平衡被打破，在采空區(qū)底板應(yīng)力減小而發(fā)生膨脹變形，煤層埋藏深度越大底板應(yīng)力釋放后底板變形就越大，相應(yīng)的煤層回采后底板破壞深度也就越大，這充分說(shuō)明地應(yīng)力對(duì)煤層底板采動(dòng)變形具有明顯的控制效應(yīng)。

另外，從圖6—圖8可以看出，飽和巖塊和有水壓作用下的巖塊的強(qiáng)度參數(shù)存在明顯差別，飽和巖塊的彈性模量大于水壓作用下巖塊的彈性模量，而飽和巖塊的泊松比則小于有水壓作用下巖塊的泊松比。試驗(yàn)說(shuō)明，在深部煤層帶水壓開(kāi)采過(guò)程中，由于煤層回采擾動(dòng)引起煤層底板下伏高壓含水層水發(fā)生劈裂導(dǎo)升現(xiàn)象，在水壓的作用下導(dǎo)升帶內(nèi)巖層的強(qiáng)度將會(huì)降低，導(dǎo)升帶巖層的阻抗水性能也隨之減弱，甚至消失。

2.3 底板破壞深度實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析

為了進(jìn)一步研究煤層底板隔水層破壞深度與地應(yīng)力及圍巖應(yīng)力的關(guān)系，對(duì)全國(guó)67個(gè)煤礦的煤層底板巖層破壞深度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。實(shí)測(cè)底板巖層破壞深度與煤層埋深的關(guān)系散點(diǎn)如圖9所示。

圖9 全國(guó)部分煤礦實(shí)測(cè)底板破壞深度隨埋深變化曲線Fig.9 Curves of damage depth change with buried depth of bottom plate measured in some coal mines in China

從圖9可以看出，煤層底板巖層破壞深度總體趨勢(shì)是隨著煤層埋深的增加而不斷增大。另外，從圖中數(shù)據(jù)分布看，在煤層埋深小于約400 m時(shí)，底板巖層破壞深度數(shù)據(jù)分布比較雜亂，規(guī)律不明顯，破壞深度數(shù)據(jù)相對(duì)比較集中，基本分布相對(duì)集中在10 m左右，這說(shuō)明在埋深小于400 m時(shí)煤層開(kāi)采底板巖層破壞深度受地應(yīng)力控制效應(yīng)不明顯。

埋深大于400 m時(shí)煤層開(kāi)采后底板巖層破壞深度與煤層埋深的關(guān)系散點(diǎn)如圖10所示。從圖10可以看出，煤層埋深在400～1 000 m時(shí)，隨著煤層埋深不斷增加煤層底板巖層破壞深度也隨之增大，底板巖層破壞深度與埋深基本成線性關(guān)系。這說(shuō)明煤層埋深大于400 m時(shí)，煤層開(kāi)采底板巖層破壞深度受地應(yīng)力控制效應(yīng)明顯。

圖10 煤層埋深大于400 m底板巖層破壞深度與埋深關(guān)系Fig.10 Relationship between rock damage depth and buried depth of coal seam buried greater than 400 m floor

通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，我們可以得到煤層埋深大于400 m時(shí)深部煤層開(kāi)采底板巖層破壞深度計(jì)算公式：

h1=0.031 6H+0.681 7

底板隔水巖層破壞深度計(jì)算公式只考慮了煤層埋深對(duì)底板巖層破壞深度的影響，而未考慮回采工作面斜長(zhǎng)、采高及煤層傾角對(duì)底板巖層破壞深度的影響，因此，公式不夠完善。但對(duì)于同一礦區(qū)煤層開(kāi)采來(lái)說(shuō)具有一定的指導(dǎo)意義。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)資料對(duì)比可以看出，回采工作面煤層底板隔水巖層擾動(dòng)破壞深度均隨著煤層埋深及圍巖應(yīng)力的增加而不斷增大，底板隔水巖層的擾動(dòng)破壞深度與埋深及地應(yīng)力成正比關(guān)系，理論分析結(jié)論與實(shí)測(cè)成果資料一致。

3 結(jié)論

(1)地應(yīng)力(垂直應(yīng)力)隨著煤層采掘深度的不斷加深而增大，與煤層埋深成正比。

(2)礦山壓力是由于煤層在采掘過(guò)程中造成圍巖原巖應(yīng)力場(chǎng)受到破壞而相互疊加、重新自我平衡的結(jié)果，且埋深越大煤層回采后所產(chǎn)生的礦山壓力越大，對(duì)煤層底板擾動(dòng)損傷破壞深度也不斷增大，煤層采掘活動(dòng)過(guò)程中地應(yīng)力對(duì)底板突水具有一定誘發(fā)效應(yīng)。

(3)根據(jù)不同圍壓條件下巖石強(qiáng)度和變形特征試驗(yàn)研究，煤層底板巖層采掘擾動(dòng)破壞深度隨其所受圍巖應(yīng)力的增加而增大，圍巖應(yīng)力對(duì)煤層底板塑性變形破壞具有明顯的控制效應(yīng)。煤層回采工作面頂板上覆垂直應(yīng)力值越大，煤層底板圍巖應(yīng)力也就也就越大，相應(yīng)的，煤層回采發(fā)生底板突水的危險(xiǎn)性也就越大。

(4)根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，在相同開(kāi)采技術(shù)條件下，煤層底板巖層破壞深度總體趨勢(shì)是隨著煤層埋深的增加而不斷增大，底板巖層破壞深度與埋深基本成線性關(guān)系，煤層開(kāi)采底板巖層破壞深度受地應(yīng)力控制效應(yīng)明顯。