煤層底板采動破壞機制的巖性效應研究

張 風 達

（1.中煤科工開采研究院有限公司, 北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院, 北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部, 北京 100013）

0 引 言

隨著我國華北礦區(qū)淺部煤炭資源的日趨枯竭，煤層開采深度逐漸增加，深部煤炭資源安全開采面臨著強采動擾動影響和高承壓水威脅。國內(nèi)專家學者針對煤層底板破壞形態(tài)及其特征開展了大量研究，取得了較為豐碩的研究成果。彭蘇萍等[1]借助斷裂力學模型，分析了采場端部形成的應力集中區(qū)域，并依據(jù)摩爾-庫倫準則確定了煤層底板破壞深度。張金才等[2]運用滑移線場理論揭示了超前支承壓力擠壓煤層底板巖體向采空區(qū)方向產(chǎn)生剪切滑移破壞的機理，并在采空區(qū)內(nèi)達到最大底板破壞深度；張風達等[3-4]在此基礎(chǔ)上，對采場端部塑性區(qū)范圍進行了修正，并推導了煤層底板采動破壞深度力學模型。孟祥瑞[5]、王連國[6]、劉偉韜等[7]運用半無限體理論分析了采動影響下的煤層底板應力分布特征，并借助摩爾-庫倫準則確定了煤層底板破壞深度。近年來，部分學者構(gòu)建了煤層底板采動卸荷破壞力學模型，進一步揭示了位于采空區(qū)后方的煤層底板變形破壞機理。李春元等[8]分析了不同埋深條件下煤層底板采動卸荷破壞特征，對煤層底板破壞區(qū)域進行了分區(qū)。馮強等[9]構(gòu)建了采空區(qū)卸荷應力影響下的煤層底板破壞力學模型。李家卓等[10]分析指出采動后圍巖最大、最小主應力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，采動卸荷作用影響下底板巖體易產(chǎn)生拉應力，加劇了底板巖體變形破壞程度。部分學者針對底板采前、采后破壞特征，提出了煤層底板“原位張裂、零位破壞”概化模型[11]。隨著煤層底板研究精細化程度的不斷提升，部分學者將底板巖性組合對煤層底板破壞深度的影響進行了分析。魯海峰等[12]運用瑞典條分法給出了底板穩(wěn)定系數(shù)，分析了煤層底板不同巖性的占比對底板穩(wěn)定系數(shù)的影響。魯海峰等[13-14]運用半無限體理論對橫觀各向同性底板應力分布特征進行了分析，研究得出平行彈性模量與垂直彈性模量的比值正相關(guān)于底板剪應力峰值，平行泊松比與垂直泊松比的比值正相關(guān)于底板水平應力擴散程度。朱術(shù)云等[15]通過現(xiàn)場實測研究得出軟弱巖層對煤層底板應力傳遞起到一定程度的緩沖作用，有利于控制煤層底板破壞深度。張玉軍等[16]將底板采動導水破壞帶劃分為導水裂隙帶、應力應變帶、物性差異帶。以上研究為煤層底板破壞特征及其破壞機理提供了重要支撐，但是關(guān)于不同巖性對煤層底板破壞特征的作用機制研究較少。

煤層底板巖體在采動應力作用下易發(fā)生剪切破壞，根據(jù)摩爾-庫倫準則[17]易知，巖體的內(nèi)聚力是評價巖體抗剪強度的定量因素；而內(nèi)摩擦角的正切值則是巖體所受法向應力的系數(shù)，是影響底板巖體承載能力的動態(tài)影響系數(shù)。因此，筆者從巖體內(nèi)摩擦角對煤層底板變形破壞特征影響的角度出發(fā)，運用莫爾圓初步揭示了內(nèi)摩擦角對煤層底板巖體力學響應特征的影響；分別構(gòu)建了采場端部的斷裂力學模型和采空區(qū)后方的滑移破壞力學模型，進一步闡釋了巖體內(nèi)摩擦角對煤層底板破壞形態(tài)的影響；在理論分析的基礎(chǔ)上，以內(nèi)摩擦角、黏聚力、抗拉強度、剪切模量和體積模量等因素為參量，將巖石劃分為極軟巖、軟巖、中硬巖和硬巖4 種類型，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬了不同巖性的煤層底板破壞深度數(shù)值模擬模型，分析了采場端部附近的剪應力分布特征、煤層底板塑性區(qū)分布特征；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了煤層底板采動破壞概化模型；最后，結(jié)合平朔礦區(qū)19110 工作面實測數(shù)據(jù)，驗證了底板巖體巖性對煤層底板破壞形態(tài)的影響。

1 煤層底板破壞巖性效應理論分析

煤層開采后，上覆巖層應力不能完全通過煤層傳遞至煤層底板，而需通過采空區(qū)周邊巖體傳遞部分應力，勢必在其內(nèi)部形成一定范圍的應力集中，當其應力超過巖體自身承載能力時，將發(fā)生剪切破壞，并形成一定的塑性區(qū)。煤層開挖導致采空區(qū)內(nèi)部分煤層底板應力處于卸壓狀態(tài)，在超前支承壓力作用下，將擠壓采場端部已發(fā)生塑性破壞的底板巖體向采空區(qū)方向滑移?？紤]到內(nèi)摩擦角為影響底板巖體承載能力的動態(tài)影響因素、是影響采動應力傳遞及塑性區(qū)演化范圍的重要影響因素，筆者重點以內(nèi)摩擦角為研究對象，通過構(gòu)建理論模型，揭示不同巖性對煤層底板變形破壞形態(tài)的影響。

1.1 不同內(nèi)摩擦角對底板巖體變形破壞特征影響的莫爾圓解

根據(jù)煤層底板滑移線場理論可知，煤層底板塑性區(qū)可劃分為主動極限區(qū)aa'b、過渡區(qū)abc及被動極限區(qū)acd，具體如圖1 所示。

圖1 底板采動破壞深度力學模型Fig.1 Mechanical model of floor mining failure depth

根據(jù)滑移線場理論模型，滑移線可分為α族和β族。在考慮底板巖體內(nèi)摩擦角φ的影響下，α族和β族兩族滑移線的夾角為π/4+φ/2。其中aa'b和acd兩個區(qū)域滑移線均為直線，屬于均勻應力場。α族和β族是由塑性區(qū)內(nèi)最大剪切應力方向連接起來的，即每一條連接的滑移線上，剪切應力大小是相同的。根據(jù)Henchy 應力方程[18]可知

其中：σm為巖體所處的平均應力；ω為滑移線轉(zhuǎn)角；ξ、η分別為α族、β族滑移線上的常數(shù)。

筆者以臨界滑移破壞線（a'bc）為研究對象，分析不同區(qū)域的底板巖體應力分布狀態(tài)，并借助莫爾圓研究內(nèi)摩擦角對煤層底板破壞影響的力學機制。在工作面超前支承壓力作用下，煤層底板應力處于高圍壓狀態(tài)；隨著工作面不斷推進，煤層底板巖體由主動極限區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡區(qū)，對應的煤層底板巖體應力狀態(tài)也由應力集中狀態(tài)向應力卸荷狀態(tài)轉(zhuǎn)變。在應力狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，位于臨界滑移破壞線底板巖體剪切應力保持不變，根據(jù)式（1）可知，巖體所處的平均應力σm呈逐漸減小的變化趨勢，即巖體所處的最大主應力和最小主應力呈現(xiàn)等額減小的特點，具體如圖2 所示。

圖2 不同內(nèi)摩擦角對巖體破壞影響的莫爾圓解Fig.2 Mohr circle solution of rock mass failure with different internal friction angles

假定巖體在主動極限區(qū)所處的最大、最小主應力分別為σ1、σ3，在該應力狀態(tài)下，若煤層底板巖體的內(nèi)摩擦角φ1較?。ㄋ{色線）時，煤層底板巖體處于剪切破壞狀態(tài)；而內(nèi)摩擦角為φ2（紅色線）的煤層底板巖體未發(fā)生破壞。假定煤層底板變形破壞是連續(xù)的，則在巖體由主動極限區(qū)向過渡區(qū)變化的某一時刻，巖體所受的最大、最小主應力分別為σ1′、σ3′（紅色虛線圓圈），內(nèi)摩擦角為φ2（紅色線）的底板巖體將發(fā)生剪切破壞。綜上分析，巖體處于高圍壓應力狀態(tài)時，軟弱巖體相比于堅硬巖體更易發(fā)生剪切破壞；底板巖體所處的應力在得到一定程度釋放時，堅硬巖體存在進一步破壞的可能性。即在采場端部或工作面周邊的應力集中區(qū)域，內(nèi)摩擦角較小的煤層底板更易發(fā)生破壞；位于采空區(qū)的、內(nèi)摩擦角較大的底板巖體，在卸荷過程中仍存在進一步破壞的可能性[19]。

1.2 不同巖性對煤層底板破壞的力學響應機制

1.2.1 采場端部煤層底板剪切破壞力學模型

工作面開采之后，沿工作面推進方向，可視為一個近似矩形的開采空間，由于工作面煤層的開采厚度相對于工作面推進距離小得多，所以，可以將采場假設(shè)為圖3 所示的力學模型，令工作面推進距離為Lx=2a，在采場遠處受原始應力σ=γH及側(cè)向壓力λσ的作用。

圖3 采場應力分布計算Fig.3 Calculation of stope stress distribution

其中：γ為上覆巖層的容重；H為采深；λ為側(cè)壓系數(shù)；r、θ為采場端部巖體中單元體在極坐標x-y′下的極徑、極角。

1）應力函數(shù)。為計算采場端部的應力值，在利用復變函數(shù)及彈性力學半逆解法建立的Westergaard 應力函數(shù)的基礎(chǔ)上增加一項[1]，即

式（3）根據(jù)柯西-黎曼條件求得應力分量：

2）邊界條件。根據(jù)圖3 建立的力學模型，可以得出相應的邊界條件，采場的上下表面不受應力的作用（y=0，｜x｜a時，σy>σ，且x越接近a，σy越大）；在采場遠處，采場的應力集中效應消失（y=0，x→±∞時，σx=λσ，σy=σ）。

通過計算可以得出：

由于r<

根據(jù)彈性力學[20]可得：主應力的求解公式為

聯(lián)立式（4）、式（5），并將采場簡化為平面應力狀態(tài)，即σ3=0?？梢缘玫剑?/p>

將Mohr-Coulomb 準則[17]作為煤層底板巖體破壞的計算依據(jù)。

其中，σc為單軸抗壓強度，

按照平面應力模型，并假定煤層底板巖體與煤體的力學參數(shù)相同，則聯(lián)立式（8）、式（9）可得

令θ=0，計算得出采場端部煤體塑性區(qū)范圍為

根據(jù)煤層底板破壞深度與采場端部塑性區(qū)破壞范圍的幾何尺寸關(guān)系，計算得出采場端部的煤層底板破壞深度hd為

令dhd/dθ=0，可求得采場端部煤層底板最大破壞深度。

基于斷裂力學模型提出的采場端部剪切破壞力學模型，旨在揭示工作面端部形成的應力集中作用下煤層底板巖體發(fā)生的剪切破壞。采場端部的部分巖體由于沒有足夠的應力卸載或變形滑移空間，而主要呈現(xiàn)高角度、閉合的剪切裂隙。

1.2.2 采空區(qū)后方底板剪切滑移破壞力學模型

采空區(qū)后方的煤層破壞深度計算模型是基于太沙基理論[21]提出的，當支承壓力達到部分巖體破壞的最大載荷時，支承壓力作用區(qū)域周圍的巖體塑性區(qū)連成一片，產(chǎn)生滑移的巖體將形成一個連續(xù)的滑移面。如圖1 所示，采空區(qū)內(nèi)煤層底板最大破壞深度位于過渡區(qū)內(nèi)。過渡區(qū)內(nèi)涉及2 組滑移線，一是對數(shù)螺線，另一組是以a為起點的輻射線。其中對數(shù)螺線方程[18]為

式中：r′為從a到bc曲線段的距離；r0為ab之間的距離；α為r0線與r線之間的夾角；φ為底板巖層的內(nèi)摩擦角。

采空區(qū)內(nèi)底板最大破壞深度的計算需涉及煤壁塑性區(qū)范圍，為對比采場端部煤層底板最大破壞深度與采空區(qū)內(nèi)煤層底板剪切滑移最大破壞深度的相關(guān)關(guān)系，將式（11）計算得出的煤壁塑性區(qū)范圍作為煤層底板剪切滑移破壞范圍計算參數(shù)r0，并將Mohr-Coulomb 準則作為煤層底板巖石是否發(fā)生破壞的理論判據(jù)。經(jīng)計算整理得到煤層底板破壞深度hh為

令dhh/dα=0，可求得α=π/4+φ/2，計算得出煤層底板最大破壞深度

1.2.3 不同巖性對煤層底板最大破壞深度分布特征的影響

為分析不同巖性對煤層底板破壞深度分布特征的影響，對比式（13）和式（17），得出煤層底板采場端部的破壞深度和采空區(qū)后方的底板破壞深度之間的關(guān)系

采用單一因素法，繪制了煤層底板采場端部的破壞深度與采空區(qū)后方的底板破壞深度的比值和內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系，具體如圖4 所示。

圖4 hd,max/hh,max 與φ 的關(guān)系Fig.4 Relationship between hd,max/hh,max and φ

由圖4 可知，隨著煤層底板巖體內(nèi)摩擦角不斷增大，hd,max/hh,max逐漸減小。在煤層底板巖體內(nèi)摩擦角為30°時，采場端部最大煤層底板破壞深度與采空區(qū)后方的較為接近。根據(jù)巖石破壞準則可知，巖體內(nèi)摩擦角不斷增大，其巖石抗剪切破壞能力也相應的提升。即底板巖體為軟巖時，煤層底板破壞深度最大值多分布在采場端部，底板巖體為硬巖時，煤層底板最大破壞深度多集中在采空區(qū)后方。為分析煤層底板破壞深度分布特征，采用數(shù)值模擬的方法，進一步剖析不同巖性條件下的煤層底板采動破壞深度分布特征。

2 不同巖性對煤層底板采動破壞影響機制的數(shù)值模擬研究

2.1 構(gòu)建數(shù)值模型

為分析不同巖性對煤層底板塑性區(qū)分布特征的影響，參考文獻[22]將煤層與煤層底板力學參數(shù)均按照極軟巖、軟巖、中硬巖、硬巖4 種類型進行分別賦值（表1），采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，煤層底板沿x、y、z方向分別按照4 m×4 m×2 m 的網(wǎng)格進行劃分，分別模擬了埋深為200、400、800 m 的底板破壞深度。對比分析埋深800 m 條件下對應的不同巖性底板破壞形態(tài)差異性較為明顯，由于篇幅原因，選擇底板破壞形態(tài)差異較為明顯的埋深800 m 的結(jié)果進行分析，模型的其他參數(shù)均保持不變。煤層傾角0°、工作面斜長200 m，開采步距為30 m，重點研究頂板初次來壓前后，沿工作面推進方向的煤層底板破壞形態(tài)及其破壞深度。底板巖性由極軟巖不斷變化至硬巖，內(nèi)摩擦角不斷增大，見表1。

表1 巖體力學參數(shù)[22]Table 1 Mechanical parameters of rock[22]

2.2 煤層底板采動破壞特征

為揭示煤層底板破壞形態(tài)，以工作面中部的煤層底板塑性區(qū)分布圖為研究對象，分析不同巖性對應的煤層底板破壞特征，具體如圖5 所示。

圖5 不同巖性的煤層底板破壞特征Fig.5 Failure characteristics of coal seam floor with different lithology

由圖5 可知，隨著煤層底板巖性由極軟巖向硬巖變化，煤層底板承載能力不斷增強，采場端部的煤層底板破壞深度及范圍隨之減小，而且最大破壞深度對應采場端部的位置也逐漸由煤壁前方轉(zhuǎn)移至采空區(qū)后方。相比于堅硬巖體，軟弱巖體對相同采動應力的力學響應程度更為敏感，并需要更大范圍的巖體承載相應的采動應力。

2.3 煤層底板剪應力分布特征

為進一步探究不同巖性對煤層底板巖體應力分布特征的影響，以煤壁為原點，沿工作面推進方向分別按照0°（圖6 中藍色虛線）、45°（圖6 中粉紅色虛線）、90°（圖6 中紅色虛線）的夾角做剖面，分析距工作面煤壁不同距離的最大剪切應力分布特征。

圖6 工作面最大剪切應力測線布置示意Fig.6 Layout diagram of maximum shear stress measuring line surrounding working face

為分析不同底板巖性、不同位置的煤層底板應力分布狀態(tài)，提取不同剖面的最大剪應力，0°剖面處剪切應力如圖7 所示。

圖7 不同巖性的0°剖面剪切應力分布Fig.7 Shear stress distribution of 0° section of different lithology

由圖7 可知，隨著距煤壁距離的不斷增大，采動影響產(chǎn)生沿煤層方向的剪切應力由16.37～16.76 MPa逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵紤顟B(tài)7.77～8.07 MPa。位于工作面?zhèn)认蛎褐酝獾膮^(qū)域，受采動擾動影響相比于工作面內(nèi)部的影響偏小，尤其是靠近煤壁附近的剪應力差異性更為明顯。不同底板巖性對應的煤層采動擾動影響范圍也存在一定的差異，底板巖體承載能力越大，采動影響后靠近煤壁的剪應力越大，且剪應力隨著距煤壁距離的不斷增加呈現(xiàn)較快衰減的現(xiàn)象，即底板巖性抗剪切破壞強度越大，靠近煤壁附近的巖體越易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。為對比分析不同底板巖性對應的煤壁附近應力集中程度，沿工作面推進方向分別提取不同巖性、鄰近煤壁的剪切應力，具體如圖8 所示。

圖8 臨近煤壁不同巖性0°剖面剪應力分布特征Fig.8 Distribution characteristics of shear stress in 0° section of different lithology nearby rib

由圖8 可知，受采動擾動影響下，尤其是煤層開挖后，煤壁附近的剪切應力明顯增大。底板巖性越堅硬，剪切應力集中程度越明顯，而且剪切應力變化梯度越明顯。相反底板巖性越軟弱，由于自身承載能力偏低，導致采動應力作用下剪應力集中程度不明顯。

為進一步明確不同底板巖性對煤層底板剪切應力分布特征的影響，對比分析不同巖性影響下45°、90°剖面的剪應力分布特征，具體如圖9、圖10 所示。

圖9 不同巖性的45°剖面剪切應力分布Fig.9 Shear stress distribution of 45° section of different lithology

圖10 不同巖性的90°剖面剪切應力分布Fig.10 Shear stress distribution of 90° section of different lithology

由圖9、圖10 可知，不同巖性對煤層采動后的力學響應特征呈現(xiàn)出較為明顯的差異。底板為極軟巖或軟巖時，受煤層采動影響后，靠近煤壁的煤層底板巖體剪切應力呈現(xiàn)出明顯的卸載，說明該區(qū)域由于采動影響已發(fā)生一定程度的變形破壞，導致巖體承載能力迅速降低，并將應力傳遞至更廣的范圍。隨著底板巖性的力學強度的不斷增加，靠近煤壁附近的剪切應力集中程度明顯增大。尤其是底板巖性為中硬巖或硬巖時，煤壁附近的底板巖體承受較大的剪切應力。此外，受工作面?zhèn)认蛎褐挠绊?，越遠離側(cè)向煤柱，底板巖體對采動應力的力學響應程度越明顯，即越靠近工作面中部的剪切應力集中程度越大。

由圖7、圖9、圖10 可知，在工作面附近，與工作面推進方向呈不同夾角的剖面剪切應力分布特征呈現(xiàn)出一定的差異性。在與工作面推進方向的夾角呈0～90°的范圍內(nèi)，隨著夾角的不斷增大，靠近工作面附近的極軟巖或軟巖的剪應力卸載范圍隨之增大，而且卸載程度越明顯，并向深部轉(zhuǎn)移范圍越廣，最終表現(xiàn)為煤層底板破壞范圍越大（圖5）。

2.4 不同巖性對應的底板彈性應變能分布特征

與煤層推進方向呈45°夾角的剖面不僅反映了水平方向的應力變化特征，而且在一定程度上也反映了垂直方向的應力變化趨勢，為此，選擇極軟巖和硬巖2 種類型的45°剖面作為研究對象，采用FISH語言編寫能量方程，分析2 種巖性下的彈性應變能量分布特征，具體如圖11 所示。

圖11 工作面附近45°剖面巖體能量分布特征Fig.11 45° rock mass energy distribution characteristics nearby working face

由圖11 可知，沿45°剖面方向，底板巖性為極軟巖、軟巖、中硬巖、硬巖時，底板巖體單位體積內(nèi)積聚的彈性應變能量峰值分別為1.69×104、1.72×104、1.95×104、1.99×104J。

由圖12 可知，沿工作面推進方向，底板巖性為極軟巖、軟巖、中硬巖、硬巖時，底板巖體單位體積內(nèi)積聚的彈性應變能量峰值分別為2.31×104、2.37×104、2.68×104、2.70×104J，工作面超前能量集中范圍為16.17、15.15、14.87、14.96 m。

圖12 工作面沿推進方向剖面巖體能量分布特征Fig.12 Rock mass energy distribution characteristics along propulsion direction of the working face

綜合看來，底板巖體抗破壞能力越大，煤壁前方能量集中程度越明顯，采動影響范圍越有限。主要較軟弱的底板巖體自身的能量承載能力偏小，采動應力積聚的能量超過了其自身承載能力時，則以變形破壞的形式釋放部分能量，并將能量向深部轉(zhuǎn)移，增大了煤層底板的能量積聚范圍。底板巖體能量積聚范圍與其自身承載能力呈負相關(guān)變化。

3 煤層底板采動破壞概化模型

相同采動影響強度下，底板巖性越軟弱，巖體對采動應力的力學響應越敏感，而且由于較軟弱的巖體自身承載能力偏小，易發(fā)生剪切破壞。剪切破壞后的巖體承載彈性應變能的能力進一步減小，并將剩余能量向更深部的巖體轉(zhuǎn)移，致使工作面采動應力在底板巖體內(nèi)的力學響應范圍增大，煤層底板破壞范圍也隨之增大。為此，構(gòu)建煤層底板采動破壞概化模型，并將煤層底板劃分為能量釋放區(qū)、能量承載區(qū)、能量平衡區(qū)，用于揭示不同巖性影響下的煤層底板變形破壞特征。

能量釋放區(qū)是指采動應力積聚的能量大于底板巖體自身承載能力時，底板巖體以剪切破壞、拉伸破壞的形式釋放部分能量的區(qū)域；該區(qū)域的底板巖體處于峰后應力狀態(tài)。能量承載區(qū)是指與能量釋放區(qū)相鄰、并具有較強的能量承載能力的區(qū)域；該區(qū)域的底板巖體由塑性應力狀態(tài)過渡到彈性應力狀態(tài)。能量平衡區(qū)是指與能量承載區(qū)相鄰，受采動應力積聚能量影響較小的區(qū)域；該區(qū)域底板巖體處于彈性狀態(tài)。各個能量分區(qū)與巖體所承受的應力狀態(tài)、塑性區(qū)狀態(tài)密切相關(guān)，與應力分布基本保持一致，呈漸進式變化。

通過不同巖性的底板巖體應力分析知，底板巖性為軟弱或極軟弱類型時，由于巖體自身承載能力偏小，較高的采動應力擾動作用下，煤層底板巖體發(fā)生剪切破壞，并產(chǎn)生較為明顯的變形，底板巖體自有的承載結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，巖體內(nèi)部積聚的能量得以釋放，從而形成了一定范圍的能量釋放區(qū)。能量釋放區(qū)的底板巖體在一定程度上為限制能量承載區(qū)巖體變形提供了應力環(huán)境，因此，能量平衡區(qū)的底板巖體承載能力得到提升，且隨著距煤層底板距離的不斷增大，巖體內(nèi)部能量積聚程度逐漸減小，當其小于巖體承載變形能時，底板巖體進入能量平衡區(qū)（圖13）。底板巖性為堅硬或極堅硬類型時，靠近煤壁附近的底板巖體較好的承載了采動應力傳遞至煤層底板的能量，并較快的由能量釋放區(qū)過渡到能量平衡區(qū)；煤壁附近靠近采空區(qū)的底板巖體以剪切破壞為主。

圖13 底板巖體變形破壞特征概化模型Fig.13 Generalization model of deformation and failure characteristics of floor rock mass

通過數(shù)值模擬可知，中硬巖或硬巖類型下的煤層底板巖體具有較強的抗剪切變形能力，并在煤層底板的淺部區(qū)域形成能量承載區(qū)，即中硬巖或硬巖類型下的煤層底板能量釋放區(qū)分布范圍較小甚至缺失，主要通過能量承載區(qū)和能量平衡區(qū)實現(xiàn)采動擾動能量的平衡。采空區(qū)內(nèi)部的底板巖體在采場端部的集中應力與采空區(qū)卸載應力的聯(lián)合作用下，呈現(xiàn)出剪切-拉伸復合破壞特征。

4 煤層底板破壞深度的實測分析

4.1 煤層底板巖性結(jié)構(gòu)統(tǒng)計分析

為驗證巖性對煤層底板破壞深度分布形態(tài)的影響，筆者以平朔某礦實測工作面為例，整理了工作面周邊的鉆孔，統(tǒng)計了距煤層底板15、30 m 范圍內(nèi)的巖性。為便于統(tǒng)計，根據(jù)巖石單軸抗壓強度[23]，將煤層、泥巖、砂質(zhì)泥巖等軟弱或極軟弱巖石歸為泥巖類，將砂巖、灰?guī)r等中硬或堅硬巖石劃歸為砂巖類，具體見表2。

表2 9 號煤層底板15、30 m 內(nèi)巖性結(jié)構(gòu)統(tǒng)計Table 2 Statistics of lithologic structure within 15 m and 30 m of No.9 coal seam floor

從表2 可以看出，距煤層底板15 m 范圍內(nèi)的巖層中，泥巖類平均占比達到75.28%，說明該部分巖層中泥巖類占比較大、整體塑性較強，在采動應力影響下易發(fā)生破壞，并吸收采動應力變形。距煤層底板30 m 范圍內(nèi)的巖層中，泥巖類占比為56.12%。與距煤層底板15 m 范圍內(nèi)的巖層相比，距煤層底板15～30 m 范圍內(nèi)的巖層中砂巖類占比明顯增大。

通過實驗室試驗，開展了不同圍壓下的巖石力學，獲取了相關(guān)試驗曲線（圖14）。

圖14 不同圍壓下的巖石力學試驗曲線Fig.14 Rock mechanics test curves under different confining pressures

借助摩爾-庫倫準則和莫爾圓，擬合得出不同巖性的抗剪強度包絡線，得到了不同巖性的內(nèi)摩擦角及黏聚力，不同巖性的抗剪強度包絡線擬合公式如下：

距離煤層底板15～30 m 的范圍內(nèi)，巖石內(nèi)摩擦角多為35°～40°，根據(jù)理論分析1.2.3 節(jié)可知，若該層位巖體發(fā)生破壞，則煤層底板破壞最大深度應當分布在采空區(qū)后方。

4.2 煤層底板采動應變監(jiān)測

結(jié)合現(xiàn)場實測距終采線1 150 m 處，煤層開采過程中應變變化進行分析，具體如圖15 所示。

圖15 應變監(jiān)測曲線和巖層柱狀圖對應示意Fig.15 Correspondence of strain monitoring curve and rock column diagram

從圖15 中鉆孔柱狀圖的巖性分布來看，煤層底板下方10.52 m 范圍內(nèi)的巖層以泥巖、煤層、泥巖夾層為主；在工作面距鉆孔10 m 處，主要受超前支承壓力作用，煤柱壓縮并將應力傳遞至煤層底板淺部，最大約-200×10-6的壓縮變形；煤層下方10.52～23.92 m 為砂巖類地層，作為采動應力的主要承載結(jié)構(gòu)，其上覆的11 號煤和砂質(zhì)泥巖層起到應力“襯墊”作用，并呈現(xiàn)出一定的拉伸變形，最大值約為400×10-6。距煤層底板12.62～23.92 m 的細粒砂巖、中粒砂巖，在工作面距離鉆孔5 m 時，應變曲線和工作面距離鉆孔10 m 時的應變曲線基本持平；當工作面推過鉆孔5 m 時，底板巖層中的壓力出現(xiàn)卸載，巖體基本表現(xiàn)為拉伸變形。距煤層底板23.92～31.22 m 的部分砂質(zhì)泥巖以剪切破壞的形式，較好地緩解了上覆采動對傳遞至煤層底板的應力集中程度；距煤層底板31.22 m 的細粒砂巖在工作面采動前后呈現(xiàn)出一定的應變變形波動。

綜合分析，工作面推過鉆孔后，距煤層底板7.57～31.22 m 的巖體應變量隨之發(fā)生變化，即由原有的壓縮變形轉(zhuǎn)變?yōu)槔熳冃?。說明位于采空區(qū)后放的深部底板巖體產(chǎn)生相應的變形，其力學破壞機理發(fā)生變化，由原有的雙軸壓縮、剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閲鷫盒遁d、滑移剪切破壞。

4.3 煤層底板采動裂隙發(fā)育特征

為進一步明確工作面前后方的煤層底板巖體變形破壞特征，通過鉆孔窺視儀觀測工作面前方15 m處和工作面后方的30 m 處煤層底板采動裂隙發(fā)育深度及其特征，具體如圖16 所示。

圖16 工作面前、后煤層底板破壞鉆孔窺視圖Fig.16 Borehole view of coal seam floor failure before and after work

圖16a、圖16b 分別為工作面前方15 m 處鉆孔探測深度19.6～20.5、25.1～26 m 的窺視圖。由圖16a、圖16b 可知，該處產(chǎn)生均較大傾角的剪切裂隙。分析認為該處受超前支承壓力影響，底板砂巖內(nèi)部產(chǎn)生了圍巖擠壓變形導致的剪切破壞，裂隙延展長度為0.6～0.9 m，考慮鉆孔傾角的影響，對應的煤層底板最大破壞深度為20.02 m。

從圖16c 可以看出，工作面后方30 m、鉆孔探測深度27.7～28.4 m 處底板剪切破壞程度明顯增大，且呈現(xiàn)出較為明顯的位移變化，說明該區(qū)域底板巖體不僅存在剪切破壞，而且還存在拉伸變形破壞的作用。受距煤層底板31.22 m 以深的細砂巖影響，其上覆砂質(zhì)泥巖產(chǎn)生一定的剪切變形破壞，裂隙延展長度為0.6 m 左右，由圖16d 可知，工作面后方30 m、鉆孔探測深度為39.6～40.3 m 處底板巖體呈現(xiàn)出一定的剪切破壞特征，裂隙延展長度為0.4 m 左右，對應煤層最大底板破壞深度為27.99 m。對比工作面前方15 m 和工作面后方30 m 處的底板變形破壞深度和變形破壞特征可知，煤層底板巖體內(nèi)摩擦角為35°～40°時，隨著工作面推進，煤層底板巖體由超前支承壓力影響區(qū)逐漸過渡到采空區(qū)的過程中，煤層底板巖體呈現(xiàn)出由擠壓剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟?拉伸破壞，而且煤層底板破壞深度進一步增大，與理論分析和數(shù)值模擬獲取的規(guī)律較為接近。

5 結(jié) 論

1）分析得出軟弱巖體在高圍壓下易發(fā)生剪切破壞，堅硬巖體則在采空區(qū)后方仍存在剪切破壞的可能性；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了煤層底板內(nèi)摩擦角與采場端部最大底板破壞深度/采空區(qū)最大底板破壞深度數(shù)值的關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究得出隨著煤層底板內(nèi)摩擦角的不斷增大，煤層底板破壞深度最大值的位置則由采場端部逐漸向采空區(qū)后方轉(zhuǎn)移。

2）構(gòu)建了煤層底板變形破壞概化模型，研究得出軟弱類型的底板巖性因采場端部巖體發(fā)生剪切破壞，并喪失其承載部分能力，形成能量釋放區(qū)，同時將能量轉(zhuǎn)移到能量承載區(qū)和能量平衡區(qū)。隨著底板巖體承載能力不斷增強，底板能量釋放區(qū)逐漸減小甚至缺失，僅存在能量承載區(qū)和能量平衡區(qū)。

3）構(gòu)建了極軟巖、軟巖、中硬巖、硬巖4 種類型條件下的數(shù)值模型，受煤層開挖影響，底板巖性為極軟巖或軟巖類型時，靠近煤壁附近的底板巖體承受的剪應力存在明顯的衰減，剪應力峰值則向深部轉(zhuǎn)移，最終表現(xiàn)為采場端部產(chǎn)生較為明顯的塑性破壞范圍。

4）實測分析得出，距離煤層底板15～30 m 的范圍內(nèi)巖石內(nèi)摩擦角多為35°～40°，工作面前方15 m處的煤層底板最大破壞深度為20.02 m，工作面后方30 m 處的煤層底板最大破壞深度為27.99 m，底板呈現(xiàn)出明顯的剪切-拉伸復合破壞特征。