近奥灰薄隔水层底板岩体变形破坏机制研究

2022-01-13李见波尹尚先

煤炭科学技术 2021年12期

李见波，尹尚先,2

(1.华北科技学院安全工程学院，河北三河 065201；2.华北科技学院河北省矿井灾害防治重点实验室，河北三河 065201)

0 引言

近奥灰承压水和薄隔水层条件给矿井的安全生产造成威胁，为更好地开展矿井防治水工作，开展该地质条件下的底板岩体变形破坏机制研究。在我国，受到奥灰水威胁的矿井有很多，有的矿区煤层距奥灰较远，隔水层厚，但中间夹有薄层灰岩含水层，深部开采时突水灾害威胁很大[1]，如邯邢、开滦、焦作、山东甚至两淮矿区的深部带压开采都属于此类情形；有的隔水层薄，距奥灰近，如龙王沟矿属于此类情形，而且煤层厚度巨大(20 m以上)，底板破坏剧烈、中间薄隔水层、底部奥灰极容易导通，而且在遇到破碎带及断层时，危险性增加，这给矿井安全生产带来很大威胁，需对底板岩体变形破坏机制进行研究，为防治水工作提供支撑。在底板岩体破坏方面，相关研究成果很多。如文献[2-3]提出了最早的“下三带”理论；黎良杰等[4]建立了采场底板突水的KS理论；文献[5-7]分析裂隙变形与突水的关系，研究了采动对岩体孔隙-裂隙类型升降变化的影响；王作宇等[8]提出原位张裂与零位破坏理论等。即使如此，受到复杂地质条件的影响，具体问题还应具体分析，理论应用时需要考虑具体边界条件。因此，以近奥灰、厚煤层和薄隔水层为背景开展底板岩体变形破坏机制研究。分析岩层结构特点，构建近奥灰薄隔水层底板岩层变形薄板模型，分析岩层在弹塑性条件下动变形特征和变形机制；分析地质力学环境确定应力边界条件，对底板岩体位移进行数值求解，得到了基于底板岩层变形的全程位移曲线、岩板受力分布和变形破坏形态，为矿井防治水工作提供支持。

1 地质概况

龙王沟矿内煤层距离奥灰近，开采时受到突水威胁，需要研究底板破坏规律，为防治水工作提供依据。该矿位于准格尔煤田水文地质单元中部，是我国大型煤炭基地。主采煤层厚度在20 m以上，寒武奥陶系岩溶裂隙水至主采6号煤的平均距离为48 m，减去底板破坏深度后中间隔水层非常薄，底板岩层层位如图1所示。中间岩层以砂岩和砂质泥岩为主，煤层距马家沟组灰岩近。而且，在岩溶水发育区，岩溶水可通过封闭不良钻孔、断层构造破碎带、底板扰动裂隙带、岩溶陷落柱进入矿坑，是矿井最危险的充水水源，具有水量巨大、不易疏干的特点。而且煤层开采厚度大，底板破坏剧烈，隔水层薄、距奥灰近，给开采带来很大的困难，需要进行底板岩层移动破坏研究。

图1 矿井地层结构

2 近奥灰薄隔水层底板岩体变形破坏特征与机制

2.1 底板岩层变形破坏形态

煤层开采导致底板岩层发生移动破坏，奥灰顶部风化条件下底板岩层变形破坏形态如图2所示。以风化带和底板破坏区为分界层，底板岩层从上而下可分为底板破坏区、中间岩层、奥灰顶部风化岩层和奥灰含水层。

图2 近奥灰薄隔水层底板破坏形态

底板破坏区是支承压力作用下压剪破坏区，其下方是中间较完整岩层，在煤层开采后，底板上方垂向应力解除，导致底板岩体状态的应力状态转换，由三向应力状态转换为两向应力状态或者单向应力状态。中间岩层受到扰动时间滞后煤炭开采。奥灰顶界面风化岩层是在成岩过程中形成的，风化岩层原是奥灰岩层，约从晚奥陶纪至中石炭纪，长期遭受风化剥蚀。奥灰含水层，岩性坚硬，强度大，裂隙发育不均，具有导水性。

2.2 底板破坏区

龙王沟矿地面标高+1 200.5～+1 274.8 m，开采工作面埋深352～395 m。经典矿山压力理论[9-10]中，支承压力作用下，根据地基破坏机理形成的底板破坏深度Dmax为

(1)

式中：L为极限平衡区宽度，m；φ为岩体内摩擦角，(°)。

极限平衡区理论计算值偏小，采用数值解，参考工作面推进到工作面长度1/2(120 m)时，支承压力核区距煤壁约20 m，如图3所示。代入式(1)计算得到最大底板破坏深度Dmax=33 m。

图3 工作面开挖120 m支承压力

2.3 中间层变形与破坏机制

2.3.1 中间层薄板变形机制

通过现场钻孔的岩心特征分析得到肥城煤田距奥灰顶界面10 m的深度范围内，奥灰裂隙发育，岩心破碎，取心率低[11]，奥灰顶界面风化岩层强度较低。龙王沟奥灰顶界面风化带按照5 m计算，薄板厚度约为10 m。工作面斜长250 m，当工作面推进到120 m时，中间岩层在几何尺寸上符合薄板特征，按照薄板理论进行分析。而且当薄板的最大挠度小于薄板厚度的1/5时，属于薄板小挠度弯曲问题。

设有矩形薄板，长为2a，宽为2b，假设四端为固定端约束，底部为分布力约束。忽略中间岩层上方的破坏岩体重力影响，中间岩层的简化模型符合薄板弯曲模型，如图4所示。开采后，压剪破坏区下方的完整底板岩体为四边固定的薄板，受到均布载荷作用(水平地应力的分量σ′)。

图4 工作面推进120 m岩层变形实例

薄板的固定边条件是(w)x=±a=0，(∂w/∂x)x=±a=0；(w)y=±b=0，(∂w/∂y)y=±b=0。取挠度表达式为

(2)

式中：Cm为互不依赖的待定系数；wm为满足全部边界条件的函数；m取1，2，……。

假设式(2)中只取一个系数C1，该式满足薄板四周固定的位移边界条件，用伽辽金法求解得到薄板的挠度方程为

(3)

取a=125 m，b=60 m，满足薄板的特征。h=10 m，弹性模量E=30 GPa，泊松比μ=0.3。煤层开采后，不考虑岩层自身重力时，在坐标系x′oy′中，采空区下方岩层仅受水平应力的分量σ′的作用时，按照煤层倾角为5°，计算得到应力分量为0.69 MPa，为计算方便暂视为弹性薄板基本微分方程中的均布分布载荷q。

2.3.2 裂纹型中间岩层破坏机制分析

一般条件下，地层岩体中有裂纹存在，或多或少，既与岩层的形成过程有关，又或是受到后期地应力的作用影响。裂纹的存在大幅增加了突水的危险性，若在底板岩层中存在裂纹，如图5a所示。在局部坐标系x′oy′中，在地应力分量σ′作用下，按照横力弯曲梁的正应力计算公式σ=(M/Iz)y′，M为岩层承受弯矩，Iz为横截面对中性轴的惯性矩，y′为至中性轴的距离。当拉应力区内应力达到岩层强度时，岩层发生破坏。当底板岩层存在裂纹时，则更加危险。

图5 张拉型裂纹薄板岩层剖面

基于薄板结构剖面模型，垂向上，受到底板垂向应力作用的过渡区分为受拉区和受压区，以梁的中性面为界，上方为拉应力区，下方为压应力区，如图5b所示。各区域中的裂纹受力不同，受拉区内，岩体中的裂纹满足I型张开型裂纹条件，当应力达到阈值，裂纹扩展。

3 近奥灰薄隔水层工作面开采数值模拟

3.1 应力边界与参数

龙王沟井田位于准格尔煤田中北部，地层走向近SN，倾向W，倾角多在5°以下，在井田局部区域(标高+700～+840 m)存在1个较大的挠曲带(图6)，其走向平行且近似SN，向西倾斜，由于前期受到水平地应力的挤压形成[12-14]。开采工作面空间位置如图6所示。

图6 应力边界与工作面位置

矿井酸刺沟(准格尔煤田南部)煤矿地应力测试表明[15]存在一种σHV型(σH>σV>σh)地应力场，σH、σv、σh分别为最大水平主应力，垂直主应力，最小水平主应力。设以开采方向为法线的斜截面的外法线n与主应力方向夹角为α，参考酸刺沟最大水平主应力，最大主应力σ1取7.94 MPa，最小主应力σ3取6.70 MPa，则该斜截面上的正应力σn和切应力τ分别为

(4)

(5)

地面标高+1 200.5～+1 274.8 m，开采工作面埋深352～395 m。模型中选用的顶底板岩层力学参数见表1[16]。模型长度600 m，宽度500 m，数值模型如图7所示。

表1 顶底板岩体力学参数

图7 底板破坏数值模型

3.2 模拟结果分析

1)岩层的受力状态。煤层开采造成底板破坏，包括剪切破坏和拉破坏。设定底板变形0.5 m时，得到采空区下方直接底板岩层受力大小及状态，如图8所示。两端受压中间受拉，形成类似薄板结构(图8b)，岩层受到向上的最大垂向应力1.18 MPa，加快了岩层的破坏。

图8 岩层受力状态

2)塑性破坏区特征。近奥灰特厚煤层开采的底板破坏形态(图9)显示，底板岩层破坏包括2部分：底板破坏区和风化带为中心的破坏区。风化带受扰动容易破坏，而且破坏区会向上方发育。工作面开挖250 m×250 m时，底板岩层或发生拉破坏或剪破坏，破坏区贯穿风化岩层上方的整个底板岩层。

图9 塑性破坏区形态

3)监测点位移分析。测点布置，沿着工作面推进方向布置10条纵向测线，其中5号测线距离开切眼100 m，每条测线在垂直方向布置12个测点，其中，57、58号测点布置在风化岩层中，风化带上方布置51～56号测点，下方布置59～512号测点。监测点位移曲线如图10所示。

工作面回采250 m时，5号测线12个监测点瞬态位移变化如图10a所示，垂向上，监测点位移曲线存在2个明显的拐点，将12个监测点位移分为3段：[51,56]、[57,58]和[59,512]，3段曲线分别对应着风化段上方岩层、风化段和奥灰层。56号位移0.196 m，57号位移0.137 m,58号位移0.09 m,59号位移0.012 m。奥灰顶部风化段对底板岩层变形影响明显。

图10 监测点位移变化曲线

监测点开采前、开采中和开采后的全程位移曲线如图10b所示。全程位移曲线与各点的位移曲线变化规律一致。根据监测点位移大小，12个测点的位移曲线可分为3类。12个测点的监测位移曲线以风化带为界分为3类：[51,56]、[57,58]和[59,512](图10b)，亦分别对应3种底板岩层：风化段上方岩层、风化段和奥灰岩层。