地应力对煤层开采底板破坏控制效应实验研究

2022-02-22田干

能源与环保 2022年1期

田干

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077； 2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西西安 710177)

煤炭是我国的主要基础能源，在一次性能源构成中其占70%左右。随着我国浅部煤层开采日趋枯竭，矿井开采深度不断增加。资料显示，1980—2010年我国煤矿开采深度平均约700 m，且每年在以100～250 m的开采深度不断增加[1-4]，很多矿井深部煤层受到底板高压水害的威胁，且煤炭储量较大[1]，埋深大于1 000 m的煤炭资源约有2.95万亿t，占我国现有发现煤炭资源总量的53%。因此，未来我国深部煤炭资源的开发利用势在必行。

但纵观以往矿井底板突水水害研究，人们往往重点考虑充水水源、充水途径以及充水强度这3个矿井充水要素，而对煤层底板突水危险性分析评价和预测预报也主要利用传统的突水系数法，通常只考虑煤层底板含水层水压力的大小和底板隔水层的特性等方面。实际上，在开采煤层底板含水层水压力、隔水层性质相同的条件下，即使其突水系数相同，但煤层在不同的埋深条件下进行开采时其突水的几率和危险程度是不同的。如煤层底板隔水层承受水压力为3 MPa，底板隔水层厚度为50 m，其突水系数是相同的，但是如果1个煤层埋深为400 m，而另一个煤层埋深为800 m，那么煤层采动后其底板突水的概率和危险程度是不一样的。通常情况下，煤层埋深越大，煤层底板围岩的原岩应力就越大，煤层回采后底板围岩变形和能量释放相应就越大，开采煤层底板隔水岩层扰动破坏深度也就会越大，在相同开采条件下其突水的危险性就相对较大。因此，对于深部煤炭开采不能再单纯地考虑水压力、底板隔水层性质，而忽视了地应力对底板突水的控制效应，这对矿井实际采掘生产底板突水危险性、危害程度的分析评价及监测预报存在一定的误导和安全隐患，在防治水技术理论上也同样存在一定的缺陷。

1 地应力与底板突水的关系

1.1 地应力分布规律分析

地应力是在地壳中没有受采掘工程等扰动条件下的原岩应力。其主要是在重力场和构造应力场的共同作用下而形成的，并且与地球的各种动力运动过程有关，主要包括板块边界挤压、地心引力、地幔热对流、岩浆浸入、地球内应力、地球旋转和地壳非均匀扩容等[2]。另外，由于地层温度分布不均、水压梯度的大小、地表剥蚀等也可引起相应的应力场。构造应力场和自重应力场是地应力场的主要组成部分[2]。而通常情况下，在同一矿区构造应力基本变化不大，再加上构造应力测定难度较大，因此，我们这里研究的地应力主要为垂直应力。

通常情况下，垂直应力基本上等于上覆地层岩体的重量。1978年，E．Brown和E.Hoek统计归纳了世界各地地应力的实测结果，根据数据拟合总结出垂直应力与地层的埋藏深度成正比。近年来，我国许多学者对我国地应力进行了大量地测试研究，也同样得出垂直应力随着地层埋深增加逐渐增大。

山西潞安、阳泉、霍州、汾西等矿区地应力测试成果[3]绘制的地层垂直应力大小随地层埋深的变化曲线如图1所示。从曲线可以明显看出，垂直应力与地层埋深具有很好的线性关系，垂直应力大小随地层埋深逐渐增大。垂直应力与上覆岩层的重量基本相等。

图1 山西矿区垂直应力与埋深关系Fig.1 Relation between vertical stress and buried depth in Shanxi mining area

1.2 地应力与矿山压力关系分析

煤层在回采过程中，采场围岩原岩应力场平衡将会被打破而重新分布，相应的煤层底板的围岩应力也随之变化，结果会出现底板岩体产生位移、变形、甚至破坏等现象。这种由于地下煤岩采掘活动而在井巷、硐室及回采工作面等周围煤岩体及相关支护物上产生的力被称为矿山压力。其中支承压力是矿山压力的重要组成部分。

在煤层回采过程中，由于工作面采空区顶板岩层悬顶的作用和裂隙带岩层在取得平衡前的下沉，工作面推进前方的煤体一方面要承受本身的上覆岩层重量，另外还要承受裂隙带岩层传递来的采空区上方一部分上覆岩层的重量，从而在煤体内便形成了随工作面同时移动的支承压力。煤体内的这种支承压力常以原岩应力为基数而成倍增加，且其绝对量随煤层开采深度的增加而增大，当达到一定量值后，长壁工作面推进前方煤体则就会出现极限平衡区，情况严重时煤壁就会出现底鼓、片帮等现象[4]。

矿山压力产生的根源在于地应力的存在，其实质是由于煤层在采掘过程中造成围岩原岩应力场受到破坏而相互叠加、重新自我平衡的结果，在回采工作面底板围岩形成膨胀区、压缩区、剪切区等，导致围岩体发生变形、破坏、塌落和支护物的变形、破坏、折损等动力现象。矿山压力造成的这种扰动破坏对底板突水的发展、发生过程将产生直接影响。因此，研究和预测不同埋深不同应力条件下深部煤层采场围岩应力分布和变化规律对于超前预测和防治采煤工作面底板突水灾害具有重要的理论和现实意义。

1.3 地应力与底板突水关系分析

随着煤层采掘深度的不断增加，地应力对深部煤层开采影响越来越突出，因此，地应力对深部煤层底板突水控制效应也愈加明显。地应力与煤层底板突水的关系一般体现在2个方面。

(1)在煤层未被开采的原岩状态条件下，工作面煤层上覆地层岩体垂直应力均匀地传递至底板隔水层，此时煤层底板隔水层在不同位置受力状态基本均匀相等[5]，对煤层底板隔水层不会造成变形破坏。而随着煤层埋藏深度的不断增加，底板隔水层围岩压力不断增大，底板岩体裂隙和孔隙将不断减小，则岩体的渗透性降低和其阻抗高压水的能力随之增强。因此，在原岩应力状态下，地应力对煤层底板含水层水原始侵入导升发育高度具有一定的抑制作用。

(2)当工作面煤层回采后，采空区上覆岩体垂直应力将转移至工作面四周的煤壁上，结果这些区域承受的垂直应力明显高于采空区，导致四周煤壁形成应力增高区[5]，而在采空区则形成应力释放区。回采工作面四周煤壁处的集中应力会通过煤壁传递至底板隔水层，造成煤层底板隔水层形成非均匀受力状态，煤壁附近底板隔水层所承受的垂直应力明显高于周边煤岩体，从而形成工作面煤层底板隔水层的压应力区及张应力区[6-8]，应力集中的结果导致煤层底板隔水层的变形破坏，且随着煤层开采深度的不断增加这种现象更加明显。而且随着煤层埋藏深度的不断增加，其上覆地层产生的垂直应力逐渐增大，从而引起煤层采动过程中由于开采扰动在底板隔水层产生的矿山压力也随之增大，矿压显现更加明显，开采扰动对煤层底板剪切和拉张等变形破坏更加严重，底板扰动损伤破坏深度不断增大，底板隔水层底界面高压水侵入损伤导升发育高度也随之增高，从而造成底板突水成为可能。因此，煤层采掘活动过程中地应力对底板突水具有一定诱发效应。

2 实验研究

通常情况下，在不同埋深条件下，煤层底板隔水层围岩压力是不相同的。煤层埋藏越深其底板围岩压力就越大，煤层开采后地应力对底板变形破坏的影响也越大，这对研究深部煤层开采底板突水机理至关重要。为了研究不同埋深应力条件下地应力对煤层底板隔水岩层的变形破坏等作用机制，采用美国产MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统，在不同围压、不同孔隙水压条件下，实验研究岩块的强度变化、变形程度等受围压的影响变化规律，综合分析应力场对岩体的变形破坏作用机制及变化规律。

试验方案：围压为5、10、20、30 MPa四个级别条件下灰岩饱和岩块试验和围压相同条件下孔隙水压为4 MPa条件下灰岩岩石峰后岩石试验。

峰后岩体试件是岩块全过程试验所破坏的试件。由于试件已经破坏，形成了裂隙网络，成为裂隙透水介质，故可以代表裂隙岩体的渗透特性，试验时对其施加不同围压和静水压力、渗透压力，测试结果揭示了岩体强度、变形的围压效应与水压效应。

试验时，强度参数及变形参数的测试过程中施加的水压为静水压力(孔隙水压力)。

2.1 围压对岩石强度作用机制

随着煤层开采深度的不断增加，采场围岩应力随之增大，在高地应力和高水压共同作用下，回采工作面煤层底板隔水层岩体的强度及变形特征与浅埋煤层底板常规应力状态下围岩的强度特征是不同的，因此，在煤层开采过程中，不同的围岩应力对煤层底板突水的控制效应也是不同的。

灰岩岩块在不同围压下饱和岩块和4 MPa静水压作用下岩块的强度测试成果数据见表1，灰岩岩块在不同围压下强度变化曲线如图2所示。

表1 强度试验结果统计Tab.1 Statistics of strength test results

图2 灰岩岩块在不同围压下强度变化曲线Fig.2 Strength change curves of limestone block under different surrounding pressure

从表1中数据和图2可以看出，岩块强度受围岩压力作用明显，随着围压的增大岩块的强度逐渐变大。围压5 MPa时，饱和岩块峰值强度为120.98 MPa；围压为30 MPa时，饱和岩块峰值强度达到了283.52 MPa，围压从5 MPa增加到30 MPa岩块饱和峰值强度增加了162.54 MPa，岩块强度增加了134%，岩块强度变化与围压之间基本呈线性关系。相应的，围压从5 MPa增加到30 MPa岩块峰后残余强度从16.16 MPa增加到153.31 MPa，岩块强度增加了137.15 MPa，强度增加了848%，岩块强度受围压影响更大，岩块强度变化与围压之间也同样成正比线性关系。

不同岩性的岩块在不同围压下饱和岩块强度和3 MPa静水压作用下岩块的强度测试成果数据如图3和表2。

图3 不同岩性岩块在不同围压下强度变化曲线Fig.3 Strength change curves of different rock blocks under different confining pressure

表2 试验结果统计Tab.2 Test result statistics

从表2中数据和图3可以同样可以看出，细砂岩、中砂岩、粗砂岩和灰岩不同岩块在4、8、12、16 MPa不同围压作用下岩块强度变化规律是一致的。细砂岩在4 MPa和16 MPa围压作用下时其饱和强度分别为60.33、144.33 MPa，围压增加4倍岩块强度增加了84 MPa，强度比原来增加了139%。同样，其他岩块强度随着围压的不断增加也随之增大，岩石强度变化规律与围压变化基本呈正比线性关系，岩石强度受围岩应力控制效应明显。

以上岩块强度试验结果证明，随着开采煤层埋藏深度的不断增加，煤层底板岩体承受的围岩应力随之增大，岩体强度受围岩应力控制效应也逐渐增大，岩体抗破坏能力逐渐增强，同时也预示着岩体围压越大其储存的势能也就越大，其破坏后变形破坏严重程度相对会更大。另外，通过试验发现，在同一围压条件下，岩石的残余强度随着渗透压增大而越低(图4)，渗透压与岩石的强度成反比关系。说明煤层底板隔水岩层在高压水的弱化作用下岩石强度将会减小，其阻抗水能力也随之降低。

图4 灰岩岩块不同围压下残余强度随渗透压变化曲线Fig.4 Variation curve of residual strength of limestone block with osmotic pressure under different confining pressure

2.2 围压对岩体变形作用机制

研究围压对岩体的变形作用机制采用的试验方法为三轴压缩试验方法。通过分析不同岩性岩块在不同围压下的变形特征，研究围压对岩块峰后变形特征的影响效应。

本文用弹性模量E和泊松比μ来描述不同岩块在不同围压下的变形特征。在三轴压缩实验中，我们通过对试验岩块加载同一水压、不同围压下岩块的变形特征。根据三轴实验成果资料，我们可以计算岩块弹性模量E和泊松比μ这2个基本变形参数，计算公式为：

式中，E为试验岩块弹性模量；μ为岩块泊松比；σ1为轴压；σ3为围压；ε1为轴向应变；ε3为横向应变。

灰岩岩块在饱和状态和4 MPa静水压力作用下弹性模量和泊松比测试成果见表3。

表3 变形试验成果Tab.3 Results of deformation tests

从表3和图5可以看出，饱和灰岩岩块在围岩5、10、20、30 MPa作用条件下，灰岩岩块的弹性模量逐渐增大。当围压为5 MPa时，岩块的弹性模量为65.68 GPa；围压为30 MPa时，岩块的弹性模量为86.07 GPa，弹性模量增加了14.39 GPa；同样，岩块在4 MPa静水压力和不同围压作用下其弹性模量也随之增大。岩块的弹性模与围压之间基本呈线性关系。

图5 灰岩在不同围岩作用下弹性模量变化曲线Fig.5 Variation curves of elastic modulus of limestone under different surrounding pressure

灰岩在不同围压作用下泊松比变化曲线如图6所示。从图6可以看出，饱和灰岩岩块在围压5、10、20、30 MPa作用条件下，岩块的泊松比开始变化较大，但随着围压的最大泊松比逐渐趋于稳定，泊松比的围压效应降低或消失。同样，岩块在4 MPa静水压力和不同围压作用下其泊松比开始变化较大，随着围压的最大泊松比也逐渐趋于稳定。岩块的泊松比在围压增大后其围压控制效应逐渐降低或消失。试验说明，在深部煤层底板隔水岩层高围压作用下，岩层的纵横向可压缩性逐渐减小，强度逐渐增大。

图6 灰岩在不同围压作用下泊松比变化曲线Fig.6 Poisson ratio variation curves of limestone under different confining pressure

不同岩性岩块在饱和状态和3 MPa静水压力作用下弹性模量和泊松比测试成果见表4，弹性模量与围压的关系曲线如图7所示，泊松比与围压的关系曲线如图8所示。

从表4和图7可以看出，细砂岩、中砂岩、粗砂岩和灰岩不同饱和岩块在4、8、12、16 MPa不同围压作用下，各岩块弹性模量随着围压的增加而增大。在围岩4 MPa时，细砂岩岩块弹性模量为14.10 GPa，中砂岩弹性模量为9.00 MPa，粗砂岩弹性模量为11.60 GPa，灰岩岩块弹性模量为29.80 GPa，而在16 MPa围压作用下，各岩性岩块弹性模量分别为20.70、18.60、19.60、41.80 GPa，分别比原来增加了46.81%、106.67%、68.97%和40.27%，弹性模量与围压基本成线性关系。围压对岩块弹性模量具有很好的控制效应。

图7 不同岩性岩块在不同围压作用下弹性模量变化曲线Fig.7 Variation curves of elastic modulus of different rock blocks under different confining pressure

表4 变形试验成果Tab.4 Results of deformation tests

同样，岩块在3 MPa静水压力作用下和不同围压条件下，其弹性模量随着围压增加而不断增大，弹性模量与围压也基本成线性关系。围岩对岩块弹性模量也同样显示具有很好的控制效应。

从图8可以看出，饱和岩块泊松比基本随着围压的增加而增大，且开始成线性变化增加。在围岩4 MPa时，细砂岩岩块泊松比为0.29，中砂岩泊松比为0.29，粗砂岩泊松比为0.34，灰岩岩块泊松比为0.23，而在16 MPa围压作用下，各岩性岩块泊松比分别为0.30、0.30、0.30和0.28，分别比原来增加了3.45%、3.45%、-11.76%和21.74%，数值基本相等。而随着围压的不断增加岩块泊松比变化逐渐趋缓，当围压增大到一定程度时其对岩块的泊松比的影响逐渐减弱，最终基本消失且趋于一常数。试验数据说明，随着岩块围压的不断增大，岩块所承受的水应力和垂直应力也随之增加，当围压达到一定数值时，岩块水平和垂直应力逐渐趋于相等，岩块的横向应变和垂直应变之比也逐渐趋于稳定，岩块的可压缩性也随之加大，岩块强度也随之增大。

图8 不同岩性岩块在不同围压作用下泊松比变化曲线Fig.8 Poisson ratio variation curves of different lithologic blocks under different confining pressure

根据实验结果综合分析，岩块的围压在不断增加的时其强度也不断增加，相应的其弹性模量也随着增大，这说明煤层底板隔水层在原岩应力状态下，随着埋深的不断增加其围压不断增大，岩层所承受的水平应力和垂直应力逐渐趋于相等，岩层的强度和弹性模量也随着增加，其抵抗变形和破坏的能力增强，同时岩体的势能也随着增大。但是，在煤层开采后由于底板围岩应力场平衡被打破，在采空区底板应力减小而发生膨胀变形，煤层埋藏深度越大底板应力释放后底板变形就越大，相应的煤层回采后底板破坏深度也就越大，这充分说明地应力对煤层底板采动变形具有明显的控制效应。

另外，从图6—图8可以看出，饱和岩块和有水压作用下的岩块的强度参数存在明显差别，饱和岩块的弹性模量大于水压作用下岩块的弹性模量，而饱和岩块的泊松比则小于有水压作用下岩块的泊松比。试验说明，在深部煤层带水压开采过程中，由于煤层回采扰动引起煤层底板下伏高压含水层水发生劈裂导升现象，在水压的作用下导升带内岩层的强度将会降低，导升带岩层的阻抗水性能也随之减弱，甚至消失。

2.3 底板破坏深度实测资料统计分析

为了进一步研究煤层底板隔水层破坏深度与地应力及围岩应力的关系，对全国67个煤矿的煤层底板岩层破坏深度实测数据进行了统计。实测底板岩层破坏深度与煤层埋深的关系散点如图9所示。

图9 全国部分煤矿实测底板破坏深度随埋深变化曲线Fig.9 Curves of damage depth change with buried depth of bottom plate measured in some coal mines in China

从图9可以看出，煤层底板岩层破坏深度总体趋势是随着煤层埋深的增加而不断增大。另外，从图中数据分布看，在煤层埋深小于约400 m时，底板岩层破坏深度数据分布比较杂乱，规律不明显，破坏深度数据相对比较集中，基本分布相对集中在10 m左右，这说明在埋深小于400 m时煤层开采底板岩层破坏深度受地应力控制效应不明显。

埋深大于400 m时煤层开采后底板岩层破坏深度与煤层埋深的关系散点如图10所示。从图10可以看出，煤层埋深在400～1 000 m时，随着煤层埋深不断增加煤层底板岩层破坏深度也随之增大，底板岩层破坏深度与埋深基本成线性关系。这说明煤层埋深大于400 m时，煤层开采底板岩层破坏深度受地应力控制效应明显。