大采深條件下導(dǎo)水裂隙帶高度計算理論公式

大采深條件下導(dǎo)水裂隙帶高度計算理論公式

在采礦和開采過程中，在礦山壓力的作用下，工作面頂板覆蓋的巖石會發(fā)生顯著的運動，導(dǎo)致巖石之間的裂縫和裂縫。通過這些裂縫和裂縫，形成導(dǎo)水通道，將影響頂板含水層（體）的水引入采礦區(qū)域，以增加礦山的引用量，并導(dǎo)致屋頂?shù)目焖偈鹿?。因此，計算?dǎo)水帶的高度值是屋頂水管理的重要參數(shù)。根據(jù)“上三區(qū)”理論，導(dǎo)水帶是指開采空區(qū)上、下、室內(nèi)及外埋巖石的上升帶和裂縫帶的組合。目前，我國采礦專家廣泛使用的導(dǎo)水帶高度計算公式是基于建筑、水、鐵路、主要道路及送煤井的共同設(shè)計和壓力開采規(guī)則。例如，對于緩坡煤層導(dǎo)水帶的最大高度h計算采用以下經(jīng)驗公式。式中M為開采厚度.式(1),(2)考慮到的因素僅僅是開采厚度,考慮的因素不夠全面.事實上,規(guī)程中導(dǎo)水裂隙帶計算公式是劉天泉院士于上世紀(jì)80年代初期,根據(jù)華北地區(qū)煤礦有限的現(xiàn)場實測資料,進行回歸統(tǒng)計得出的經(jīng)驗公式.在當(dāng)時我國華北地區(qū)煤炭開采主要是開采華北型煤田中二疊系的淺部煤層,開采深度一般沒有超過300m,而且采厚不超過3m,并且開采工藝多為高檔普采,因此嚴(yán)格地講,規(guī)程中的公式使用是有采深和采厚條件限制的,即適用于采深不大的薄煤層開采工作面導(dǎo)水裂隙帶高度的計算.然而我國煤田經(jīng)過半個多世紀(jì)的開采,大多數(shù)礦井已經(jīng)進入采深大于500m的深部開采,例如新汶煤田的孫村煤礦最大采深甚至達(dá)到了1350m,成為世界第二采深,亞洲第一采深的礦井.目前我國多數(shù)礦井開采現(xiàn)狀是采深大于500m,工作面跨度大于120m,采用綜采或綜放開采工藝,因此具有采深大、采厚大、工作面跨度(斜長)大的特點.顯然,采用規(guī)程中的公式計算這種開采條件下工作面導(dǎo)水裂隙帶高度是不合理的.大量的生產(chǎn)實踐證明,影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的主要因素不僅有開采厚度,而且還有采深、工作面開采跨度、巖石的力學(xué)性質(zhì)及巖層組合結(jié)構(gòu)等.本文以礦山壓力控制理論為指導(dǎo),基于“上四帶”理論推導(dǎo)出大采深條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度理論計算公式,并結(jié)合現(xiàn)場實測結(jié)果說明其可應(yīng)用性.1工作面半徑-斜長及覆巖裂隙帶發(fā)育特征開采厚度:根據(jù)礦山壓力控制理論,工作面的采空區(qū)是處于無支護條件下,當(dāng)工作面推進到一定距離后,便產(chǎn)生初次來壓,出現(xiàn)第一次明顯的壓力重新分布,即采空區(qū)周邊,特別是頂板出現(xiàn)了明顯的塑性區(qū).當(dāng)工作面推進到與工作面跨度距離接近時,便產(chǎn)生第一次的周期性來壓,出現(xiàn)第二次明顯的壓力重新分布,此時塑性區(qū)范圍不僅出現(xiàn)顯著膨脹擴容現(xiàn)象,而且還出現(xiàn)了明顯的破碎區(qū),導(dǎo)致頂板巖層冒落,并隨著周期性礦山壓力的出現(xiàn),在采厚不變的前提下,冒落帶的高度相對穩(wěn)定在一定數(shù)值范圍內(nèi).開采厚度越大,頂板塑性區(qū)的范圍也越大,同時提供給冒落巖層的空間也越大,因此造成冒落帶的高度也越大.可見,開采厚度是冒落帶高度的決定因素.開采深度:根據(jù)地質(zhì)力學(xué)理論及巖石力學(xué)理論,地應(yīng)力是隨著地層的深度增加而增加.煤層開采后,頂板上覆巖層運動導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶的形成,覆巖運動的幅度和速度直接影響著導(dǎo)水裂隙帶的高度,而促使覆巖運動的力源為礦山壓力.根據(jù)礦山壓力控制理論,礦山壓力的大小和采深成正比.因此,煤層的開采深度越深,礦山壓力越大,覆巖運動規(guī)模越大,導(dǎo)水裂隙帶越發(fā)育.工作面跨度(斜長):根據(jù)材料力學(xué)理論,兩端固定的巖梁彎曲度和巖梁的跨度成正比.煤層開采工作面的跨度越大,頂板巖梁向下彎曲的幅度越大,巖梁斷裂幾率越高,則裂隙帶發(fā)育的高度越大.另外,相似材料模擬研究證明,采空區(qū)上方導(dǎo)水裂隙帶的形態(tài)是“拱形”,即“裂隙拱”,而不是通常認(rèn)為的“馬鞍形”.“裂隙拱”的半徑和工作面跨度成正比,其數(shù)值小于或等于工作面跨度的一半.可見,工作面跨度是裂隙帶的最重要控制因素.巖石的力學(xué)性質(zhì):根據(jù)巖石力學(xué)理論,巖石中裂隙相互貫通方式有3種,即巖橋張拉型破壞、巖橋剪切型破壞、巖橋拉剪復(fù)合型破壞.而礦山壓力作用下導(dǎo)水裂隙帶的形成是屬于巖橋拉剪復(fù)合型,因此巖石的力學(xué)強度,特別是抗剪強度的是阻止導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的重要力學(xué)因素,即巖石的抗剪強度越大,越不利于導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育.巖層的組合特征:巖層的組合特征受到原始沉積環(huán)境控制.煤系地層的巖石可分為硬巖和軟巖.其中硬巖主要包括灰?guī)r、礫巖、粗砂巖、中砂巖和細(xì)砂巖;軟巖主要包括黏土巖、泥巖、粉砂巖及煤層.在通常的情況下,采空區(qū)頂板巖層的組合如果是“上軟下硬型”,則在覆巖運動過程中上、下巖層將以相同的曲率一起協(xié)同向采空區(qū)彎曲;如果是“上硬下軟型”,則在覆巖運動過程中上、下巖層向采空去彎曲的曲率不一致,便形成“離層帶”.因此巖層的組合不僅影響到采動覆巖破斷裂隙的貫通度,而且是控制離層帶的決定因素.2計算導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊墓綖?.1采動覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度生產(chǎn)實踐證明,在開采淺部煤層時,采空區(qū)上方根據(jù)巖層變形和破壞情況,通?？煞譃?個層帶,即通常所說的的“上三帶”:冒落帶、裂隙帶、彎曲沉降帶.冒落帶和裂隙帶通稱冒裂帶,便構(gòu)成人們所說的導(dǎo)水裂隙帶或?qū)芽p帶.煤系地層為沉積巖,其基本特征是具有層理構(gòu)造,因此層理是不同力學(xué)性質(zhì)巖層之間的原生分界面.特別是在大跨度的工作面條件下,隨開采深度增加,因為硬巖和軟巖力學(xué)特征差異顯著,上、下巖層之間會出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象,形成“離層帶”.這種離層存在是絕對的,只是在淺部開采條件下,由于離層帶呈現(xiàn)裂縫狀空間,從而忽略其存在,并構(gòu)成了“上三帶”理論.但在大采深大跨度開采條件下,離層帶則呈現(xiàn)開闊的空間,因此采空區(qū)上方可分出冒落帶、裂隙帶、離層帶和彎曲沉降帶,即如圖1所示的“上四帶”.顯然,所有沒有出現(xiàn)離層時的導(dǎo)水裂隙帶的高度小于或等于出現(xiàn)離層時的導(dǎo)水裂隙帶高度.在“上四帶”理論中,導(dǎo)水裂隙帶的高度則為冒落帶、裂隙帶和離層帶之和,即h=h1+h2+h3.2.2工作面斜長和壓力峰值a下面首先根據(jù)“上四帶”理論,推導(dǎo)在考慮上述因素和沒有滲透應(yīng)力場作用,即上覆巖體不含水的情況下,導(dǎo)水裂隙帶高度理論計算公式.根據(jù)礦山壓力控制理論,頂板巖梁的斷裂是由于礦山壓力超過了巖層的抗拉剪強度所致,那么頂板巖層如果不破裂,必須滿足下列表達(dá)式式中:k為頂板應(yīng)力集中系數(shù);γ為頂板巖層加權(quán)平均密度;H為未破裂巖層的埋深;τ為未破裂巖層的最大抗剪強度.如果要使導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育到最大程度,采空區(qū)上覆巖層必須表現(xiàn)如圖1所示的“上四帶”,因此τ便是離層帶上方巖層的最大抗剪強度;H則是離層帶的深度.根據(jù)實用礦山壓力控制理論,支承壓力峰值集中系數(shù)和工作面斜長有如下關(guān)系式中:L為工作面跨度;Cx為巖梁之間力的傳遞系數(shù).頂板應(yīng)力峰值k隨以煤層頂界面為基準(zhǔn),沿頂板法向高度Z增加呈線性衰減,其通式為式中:η為頂板峰值衰減系數(shù).頂板峰值衰減系數(shù)η主要受到2種因素影響,一是煤層的開采厚度M;二是頂板巖層的巖性組合特征.η同煤層的開采厚度M的關(guān)系是負(fù)相關(guān)的,即:煤層開采厚度越大,頂板峰值衰減系數(shù)越小.而η同頂板巖層的巖性組合特征的關(guān)系是,頂板巖性越堅硬,頂板峰值衰減系數(shù)越小.聯(lián)立式(3)~(5),并取式(3)的等號,得頂板出現(xiàn)離層的高度z根據(jù)頂板“上四帶”劃分理論,離層帶以上的巖層處于彈性彎曲狀態(tài),不具備導(dǎo)水性.因此可以將z近似看成導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的高度,即從式(7)中可見,工作面斜長是決定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度的重要因素之一,導(dǎo)水裂隙帶高度同工作面斜長成正相關(guān).在式(7)中,開采厚度對導(dǎo)水裂隙帶的影響體現(xiàn)在礦山壓力衰減系數(shù)η中.在大采深的條件下,式(7)中τ/γH趨于0;而1+CxL≈CxL;因此式(7)可改寫為根據(jù)實用礦山壓力控制理論巖,梁之間力的傳遞比率Cx與煤層強度和巖梁自身的強度和運動發(fā)展情況有關(guān),煤層強度越高,巖梁強度越低,Cx值將相對增加,即式中k為比例系數(shù),將式(9)代入式(8),則由式(10)可知,在大采深條件下,導(dǎo)水裂隙帶的高度和巖層的抗壓強度成反比,而和工作面的跨度成正比.可見工作面跨度(斜長)是開采深部煤層時導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的重要控制因素.2.3水對巖石強度的影響無論是規(guī)程中給的經(jīng)驗公式,還是上面推導(dǎo)出的式(8)、式(10),都沒有考慮開采煤層頂板含水層中水的因素.理論研究和實驗研究表明,承壓含水層中的水對裂隙發(fā)育具有促進作用,主要體現(xiàn)在以下4個方面:水化膨脹作用降低了裂隙面的摩擦系數(shù)、水化膨脹作用有助于裂隙面的張開、水崩解軟化作用有利于裂隙擴展、水的浸泡作用使得巖石強度降低.為了研究水對巖石強度的影響,采用先進的MTS815.03巖石伺服系統(tǒng),進行了常規(guī)三軸實驗研究.表1是干燥巖石強度與含飽和水巖石強度對比結(jié)果.水對巖石強度的影響表現(xiàn)在水對巖的軟化作用,其影響的程度可以用軟化系數(shù)ηc衡量,它是飽和試樣的單軸極限抗壓強度σcw與風(fēng)干試樣單軸極限抗壓強度σc之比.式中σcw,σc分別為水飽和巖石與干燥巖石試件的單軸抗壓強度.研究表明,巖石強度與巖石的飽和含水率(w)有關(guān),含水率越大,巖石強度越小,即式中:a,b為系數(shù).在巖層不含水時,巖石的強度為σ0;巖層含水后因軟化強度降低為kwσ0,kw為軟化系數(shù);設(shè)含水層承壓水水壓為p,則根據(jù)式(10)推導(dǎo)出滲流場——礦山壓力應(yīng)力場耦合作用下,大采深工作面的導(dǎo)水裂隙帶高度hw理論計算公式為由式(13)可知,含水層水壓越大,則導(dǎo)水裂隙帶高度越大.即在相同的地質(zhì)條件和開采條件下,工作面頂板存在承壓水含水層時的導(dǎo)水裂隙帶高度要比無承壓水含水層時的導(dǎo)水裂隙帶高度大.根據(jù)式(10)和式(13),得到巖層含水導(dǎo)水裂隙帶高度hw與不含水情況下導(dǎo)水裂隙帶高度h之間的比例關(guān)系,即3老頂初次來壓步距鮑店煤礦1303綜放工作面開采3煤,平均厚度8.7m,平均采高6.9m,3煤以上基巖總厚度為140~300m,工作面埋深620m,煤層傾角4°~15°,平均8°左右,傾斜長壁仰斜推進,全部垮落法管理頂板,工作面頂板含水層無水,工作面傾向長1264.5m,跨度為135m,推進速度3.88m/d.礦壓觀測資料表明,超前支承壓力明顯影響范圍30m左右,影響范圍60m左右;老頂初次來壓步距42.5m,周期來壓步距20m左右;巖梁之間力的傳遞系數(shù)Cx與礦山壓力衰減系數(shù)ηc比值在0.5左右.在停采線外40m的消火道中布置3個仰斜鉆孔,分別以不同角度切割導(dǎo)水裂隙帶范圍控制其形態(tài)及最大高度.采后大致按1個月的間隔進行連續(xù)監(jiān)測4~5次,直到獲得導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育到最大高度.觀測情況見表2.監(jiān)測成果如圖2所示,圖2中劃出了各次觀測得到的導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)及高度發(fā)育過程,反映了導(dǎo)水裂隙帶在采動影響下所表現(xiàn)的采動裂隙發(fā)育的時空規(guī)律和動態(tài)特征.導(dǎo)水裂隙帶在采后4~6個月左右形成最大高度,之后出現(xiàn)回縮下降.呈現(xiàn)著發(fā)生→發(fā)育(上升)→最大高度→回縮下降→穩(wěn)定的發(fā)展過程.最大導(dǎo)水裂隙帶實測高度為64.5m.圖3為3號孔分段注水漏失量變化過程.利用式(8)計算獲得的導(dǎo)水裂隙帶高度為67.5m,比實測值多了3m,誤差率僅為4.7%.而根據(jù)規(guī)程的式(1)計算獲得的導(dǎo)水裂隙帶高度為76.02m,比實測值多了11.52m,誤差率為17.9%.可見式(8)對于預(yù)計大采深條件下導(dǎo)水裂隙帶高度具有一定的實用價值.由于當(dāng)時實測研究工作受現(xiàn)場條件的限制,鉆探時沒有進行取芯工作,實測孔穿越的含水層沒有水,因此式(10)和式(14)正確性無法用該實例得到驗證,還有待于今后的研究工作中進一步實測驗證.4含水層水壓對導(dǎo)