煤田露头火区引起的地表塌陷形式及基岩破坏分析

张 培 王文才

(内蒙古科技大学矿业研究院,内蒙古自治区包头市,014010)

煤田露头火区引起的地表塌陷形式及基岩破坏分析

张 培 王文才

(内蒙古科技大学矿业研究院,内蒙古自治区包头市,014010)

为了得到煤田露头火区地表塌陷和上覆岩层破坏机理,通过火区实地考察结合理论分析的方法,揭示了地表塌陷的实质是火区上覆岩层的移动,且分为连续变形破坏和非连续变形破坏,将火区上覆岩层的破坏形式归纳为弯曲变形、移动垮落、岩体滑动、滑落充填、基岩滑移,并划分了煤田露头火区的“三带”,其高度的确定可依据采空区“三带”的计算方法进行判定。运用弹性力学方法分析得出了火区上下盘岩体的应力分量表达式,以及最大剪应力作用面的方位变化规律。

地表塌陷 基岩破坏 煤田火区 火区“三带” 岩体弹性

煤田露头煤层由于氧化蓄热自燃,随着火区不断蔓延,烧空区不断增大,露头煤层的围岩受温度场和重力场的共同作用,将会产生不同程度的变形和破坏,导致地表形成裂隙、覆岩体滑动,从而形成了火区的进回风通道,为火区复合氧化燃烧提供必备条件,促进了火区的燃烧及发展,周而复始煤田火区形成燃烧—裂隙—供氧—再燃烧恶性循坏,最终致使地表产生各种塌陷现象,给人类赖以生存的自然环境带来严重的破坏和巨大的资源浪费。因此,研究煤田露头火区围岩破坏与地表塌陷机理具有十分重要的意义。

文献通过理论分析和数值模拟对煤田露头火区燃烧的自然通风系统及其机理进行了分析,研究表明火区进出风通道气体运动规律符合达西定律和布西涅斯基窄缝流体规律,并且对火区燃烧动力风压进行了计算,运用数值模拟方法研究得出了火区自然通风的影响因素;通过自主设计相似模拟试验,对煤田火区不同燃烧时期的标志性气体进行了确定,并且反过来利用火区标志性气体对火区的燃烧状态判定进行了研究;对煤田火区塌陷破碎岩块的渗透系数计算进行了研究。本文将基于以上研究运用实地考察和理论分析的方法对煤田露头火区地表塌陷的实质和覆岩破坏机理进行揭示。

1 煤田露头火区地表塌陷分析

1.1 地表塌陷现象与实质

在煤田露头火区燃烧的过程中,露头煤层的覆岩体会产生大量不同程度的裂隙,长期破坏可导致地表下沉和塌陷。烧空区、烧变岩、燃烧裂隙和地面塌陷虽然是由于煤层自燃造成的,但是这些岩层的破坏影响却又为火区燃烧提供了漏风流,促使火灾的发展,形成了一个明显的煤田火灾地质效应,即燃烧→塌陷→燃烧的恶性循环,地表裂缝、下沉、塌陷等现象的实质是煤田露头火区上覆岩层的移动。

从空间和时间两个方面考虑,煤田露头火区引起的地表破坏可以分为岩层连续性的变形破坏和岩层非连续性的变形破坏两大类。火区上覆岩层连续性的变形破坏是指地表受火区燃烧损坏影响导致连续性沉降形成簸箕状盆地的地表变化。在缓倾斜和倾斜煤层的赋存条件下,当露头煤层厚度较大和燃烧深度较深时,火区上覆岩层地表破坏多表现为岩层连续变形破坏的下沉盆地分布特征。火区上覆岩层非连续性的变形破坏是指地表受火区燃烧损害影响致使产生大尺度裂缝、台阶式沉降、塌陷井等破坏形式的地表变化。非连续性地表变形破坏一般发生在缓倾斜和倾斜煤层燃烧厚度和燃烧深度较小或存在较大的地质破碎构造带或较大断层等地质条件下。

1.2 地表塌陷破坏形式

由煤田露头煤层自燃烧空引起的地表塌陷的表现形式具有变化复杂多样性,按照塌陷规模和塌陷程度可以分为地表裂缝塌陷、地表台阶塌陷、地表井坑塌陷3大类。

(1)地表裂缝塌陷。地表裂缝塌陷是由煤层燃烧引起覆岩塌陷或是由烧变岩富裂隙构成的,此种地表塌陷形式一般是因为地表水平拉伸位移变形造成的。地表裂缝塌陷往往发生在露头煤层埋藏较浅、燃烧厚度较小的条件下和多个煤层燃烧引起的复合破坏条件下。

(2)地表台阶塌陷。对于赋存深度和煤层倾角较大的自燃煤层,其上下盘岩层在火区高温和重力场的共同作用下,岩体开始发生弹性变形,随着燃烧深度的加深和烧空区顶板暴露面积不断增大,当变形一旦达到弹性变形的极限后即会发生脆性断裂破坏,从而地表可形成大裂缝,裂缝的烧空区一侧覆岩下滑与另一侧基岩形成落差,因此地表呈现出台阶塌陷形式。

地表塌陷的台阶落差高度和台阶步距以及台阶间裂缝宽度取决于两个方面因素,一是煤层赋存的地质条件,包括煤层厚度、倾角、煤质、埋藏深度以及上覆岩层的力学特性等;二是煤层燃烧的特性,包括煤层燃烧的厚度、速度、深度及燃烧程度等因素。

(3)地表井坑塌陷。地表井坑塌陷往往出现在自燃煤层倾角较大的急倾斜露头煤层区。地表井坑塌陷在地表破坏中表现为高度非连续性移动变形破坏,按塌陷的深度可分为塌陷坑和塌陷井两种形式。塌陷坑发生在煤层燃烧深度较浅的时候,而塌陷井则多发生在煤层深度燃烧后。

地表塌陷井多为漏斗形状,普遍出现在煤层露头处附近,偏离煤层露头的距离会受煤层倾角、上下盘岩性、岩层露头风化程度、覆岩破坏程度以及火区燃烧速度等多方面因素影响。

1.3 火区上覆岩层破坏形式

自燃煤层烧空区的直接顶板在自身重力、上覆岩层应力和烧变影响的共同作用下,依次经历离层、断裂、破碎和冒落4个阶段,这与采空区直接顶垮落基本相同,而烧空区的基本顶则以悬臂梁的形式经历离层、移动、断裂和垮落等过程,最终引起地表的塌陷,与工作面初次来压不同,但与采空区形成后的周期来压相似。

露头煤层火区上覆岩层的破坏形式可归纳为以下5种情况:

(1)弯曲变形。对于近水平露头煤层发生自燃时,火区烧空区上覆岩层受重力和烧变影响自下而上沿岩层面法向依次发生弯曲变形。在弯曲变形岩层局部应力会超越弹性变形极限而产生少量细小裂隙,但基本上会保持原来的层状结构与连续性。

(2)移动垮落。移动垮落是弯曲变形进一步严重的破坏形式。当烧空区直接顶板暴露区达到一定范围,逐渐发生离层,一旦拉应力大于岩石抗拉强度时,直接顶自发垮落且破碎,充填烧空区,构成多孔介质区,成为火区漏风供氧通道。

(3)岩体滑动。在倾斜煤层燃烧直接顶板垮落后,烧空区的基本顶受重力作用发生弯曲变形,岩体内部拉伸应力和剪切应力在增大,当超过抗剪极限后岩体发生脆性破坏,沿纵向裂隙断裂并下滑移动向烧空区,在地表形成台阶破坏。

(4)滑落充填。在烧空区顶板垮落充填后,煤田火区进一步燃烧加深而形成新的烧空区,此时充填区部分石块受自重作用会沿岩层面向火区方向滑落再充填,这一过程称为煤田露头火区覆岩滑落充填。滑落充填一般发生在自燃煤层倾角较大的条件下。

(5)基岩滑移。对于自燃煤层倾角较大且底板岩层为软岩的煤田露头火区,当火区燃烧到一定深度时,烧空区底板岩层同样受烧变破坏和自身重力影响,其水平拉应力加大,有时底板基岩失稳向烧空区隆起,严重时会发生滑移。

1.4 露头煤层烧空区的“三带”

在露头煤层自燃过程中,煤层上覆岩层的破坏形式以及破坏程度在时间和空间上连续发生变形、移动、滑落、滚动等变化,是一个复杂而无严格规律的岩层破坏过程。对于煤田露头燃烧深度较大的火区,烧空区上覆岩层的变形破裂可以借鉴工作面采空区上覆岩层的移动破坏规律进行研究。自燃煤层上覆岩层可以划分为煤田露头火区的“三带”:垮落带、裂隙带和弯曲下沉带,如图1所示。

图1 煤田露头火区覆岩“三带”示意

(1)垮落带。烧空区直接顶与基岩离层,受自重和烧变影响发生破裂,呈现不规则状岩块或层状巨石,并垮落充填至烧空区,这部分岩层称为垮落带。

垮落带岩层破碎具有碎胀性和可压缩性,岩块孔隙率较大,有利于烟气渗流,但随着时间延长或燃烧程度的加大,可得到一定程度的压实。

(2)裂隙带。垮落带上部具有与火区贯通裂隙而未垮落的岩层区域带称为煤田火区裂隙带。裂隙带岩层的裂隙按空间张列方位可分为垂向裂隙、斜交裂隙和平行裂隙。

垂向裂隙和斜交裂隙是所在岩层受重力拉伸弯曲而形成的,它们的开裂面一般是垂直或斜交岩层面,开裂深度不相同,或半穿层,或全穿层,裂隙两侧岩体无明显相对移动并保持层状结构。

平行裂隙是由于不同岩层的力学性质差异较大,当发生弯曲变形时各自的形变程度也存在差异,形成离层,也称为离层裂隙。平行裂隙的明显特征是下部岩层的发育程度往往强于上部,平行裂隙一般与垂向裂隙和斜交裂隙错落相交,形成复杂的富裂隙网,且与燃烧区贯通,为火区的气体流动提供了运移通道。

(3)弯曲下沉带。弯曲下沉带是指裂隙带以上的岩层区域,它的变形破坏一般表现为整体变形弯曲,当域内岩层为软岩时,与裂隙带接触那部分岩层也可能存在离层现象,且具有离层裂隙,但与裂隙带不连通。

虽然煤田露头火区“三带”的岩层特征各自不同,但是带与带之间是逐渐过渡的,没有明显的分界线,所以对火区“三带”的划分是比较困难的。例如在煤田火区燃烧深度较浅时,可能就没有弯曲下沉带,甚至只存在垮落带。

煤田露头火区“三带”的高度取决于煤田火区的燃烧厚度和燃烧面积以及上覆岩层的力学特性。火区“三带”高度的确定方法可参考前人对采空区“三带”划分研究成果,根据文献,地下开采垮落带的高度一般为采空区高度的3～5倍,当采煤厚度较小时为1.5～2倍;垮落带和裂隙带合称导水裂隙带,这两带的高度与采高和覆岩岩性有关,一般情况下,软岩为采高的9～12倍,中硬岩12～18倍,坚硬岩层18～28倍。火区“三带”高度的确定可依据上述值进行判定。

2 自燃煤层上下盘岩体弹性分析

以倾斜煤层露头火区为研究对象,依据弹性力学理论分析方法,对自燃煤层的上下盘岩体受重力作用内部应力分布规律进行理论研究。煤田倾斜煤层火区示意如图2所示。

图2 煤田倾斜煤层火区示意图

2.1 火区上盘岩体的应力分析

假设弹性介质为上盘岩体,如图3所示,建立xoy坐标系,设岩体密度为ρ,岩体在x轴上的体力分量为X＝0,在y轴上体力分量为Y＝ρg(即岩体容重),岩体烧空面与y轴夹角α,运用弹性理论方法求岩体任意点应力分量。

图3 火区上盘岩体的应力分析

根据以上条件,运用因次分析法假设应力φ的函数表达式是x与y的纯三次多项式:

式中:a、b、c、d——均为假设的常系数。

根据弹性力学可得应力分量方程:

式中:σx——x方向的法应力;

σy——y方向的法应力;

τxy——xy平面的切应力。

将式(1)带入式(2),得:

在上述分析中,应力分量应满足以下边界条件:

式中:l、m——分别表示所在边界面外法向方向的余弦。

水平边界(y＝0)的面上无面力(即0),其外法线方向上余弦l＝0,m＝－1。斜面边界(x＝y·tgα)上也无面力其外法线方向上余弦l＝－cosα,m＝sinα。将式(3)带入式(4),便可解出式中待定系数,从而得出火区上盘岩体内任意点应力分量为:

2.2 火区下盘岩体的应力分析

假设弹性介质为下盘岩体,如图4所示,建立xoy坐标系,岩体密度区ρ,体力分量分别为X＝0,Y＝ρg,岩体烧空面与y轴夹角α,运用与上盘岩体应力分析同样的弹性力学方法求岩体任意点的应力分量并满足边界条件式(4)。

图4 火区下盘岩体的应力分析

水平边界(y＝0)的面上无面力其外法线方向上余弦l＝0,m＝－1。斜面边界(x＝－y·tgα)上无面力其外法线方向上余弦l＝－cosα,m＝－sinα。通过公式推导解出式中待定系数,从而得出火区下盘岩体任意点应力分量为:

2.3 火区盘体内最大剪应力作用面的方位变化分析

由文献可知,火区上下盘体内最大剪应力作用面的方位标志着岩体内可能剪切滑移方位。在上述求解岩体各点应力分量σx、σy、τxy基础上可得到各点各个方位截面上的应力分布。

根据弹性力学确定岩体内最大剪应力作用面,求得最大剪应力作用平面法向的表达式为:

式中:θ——最大剪应力作用面外法线与x轴夹角。

在图3和图4的坐标系中,规定x轴沿顺时针方向夹角为正,反之为负。

由式(5)和式(6)知,每式分别有两个角度值满足上式的解,且相差90°,故可推断岩体内各点处都存在一对最大剪应力垂直平面,其中一个最大剪应力作用面方向即为另一个作用面的外法线方向。

将式(5)和式(6)分别带入式(7),得出上下盘岩体内各点最大剪应力作用平面的外法向解析式:

从式(8)和式(9)中可知,当x和y取不同值时,即可得出岩体内该点的最大剪应力方向场,从而得到最大剪应力作用面的方位变化规律。

3 结论

(1)地表裂缝、下沉、塌陷等现象的实质是煤田露头火区上覆岩层的移动,可划分为岩层连续变形破坏和非连续变形破坏,包含地表裂缝塌陷、地表台阶塌陷、地表井坑塌陷3种破坏形式。

(2)露头煤层火区上覆岩层的破坏形式可归纳为弯曲变形、移动垮落、岩体滑动、滑落充填、基岩滑移等5种情况。

(3)自燃煤层上覆岩层塌陷区可以划分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带,煤田露头火区的“三带”高度的确定可依据采空区“三带”的计算方法进行判定。

(4)通过理论分析,得到火区上下盘岩体内任意一点的应力分量的解析式分别为式(5)和式(6),从而得出了最大剪应力作用面的方位变化规律。

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Analysis on ground subsidence types and bedrock failure induced by coalfield outcrop fire

Zhang Pei,Wang Wencai
(Mining Research Institute,Inner Mongolia University of Science&Technology,Baotou,Inner Mongolia 014010,China)

In order to understand the mechanism of ground subsidence and overlying rock strata failure in coalfield outcrop fire area,in-situ investigation,associated with theoretical analysis,disclosed that the nature of ground subsidence is the movement of overlying rock layer which could be divided into the continuous deformation failure and the discontinuous one.The types of overlying rock layer failure in fire area could be summarized as bending deformation,moving collapse,rockmass sliding,slide filling and bedrock sliding.In addition,＂three zones＂of coalfield outcrop fire area and their heights were defined according to calculation method for＂three zones＂in gob.Elastic mechanics was conducted to analyze stress component expression of hangingwall and footwall rockmass in fire area and azimuthal variation law of maximum shear stress plane.

ground subsidence,bedrock failure,coalfield fire area,three zones of fire area, rockmass elasticity

TD315

A

张培(1989－),男,河北平乡人,硕士研究生,主要从事煤田火灾及矿井瓦斯综合防治的学习和研究。

(责任编辑 张艳华)

国家自然科学基金资助项目(51364028,51064018)

张培,王文才.煤田露头火区引起的地表塌陷形式及基岩破坏分析[J].中国煤炭,2017,43(1):99－103. Zhang Pei,Wang Wencai.Analysis on ground subsidence types and bedrock failure induced by coalfield outcrop fire[J].China Coal,2017,43(1):99－103.