采動影響下覆巖裂隙分布特征研究

采動影響下覆巖裂隙分布特征研究

1覆巖采動裂隙分布特征研究采空區(qū)巖石帶的產(chǎn)生和擴(kuò)展與采空區(qū)巖石帶的運(yùn)動密切相關(guān)。通過探討覆巖下沉規(guī)律來研究裂隙分布,進(jìn)而分析采空區(qū)空隙滲透特性,為研究采場瓦斯運(yùn)移規(guī)律及瓦斯綜合治理提供重要參量。在已有的成果中,錢鳴高、許家林、李樹剛等在關(guān)鍵層理論指導(dǎo)下,運(yùn)用模型試驗(yàn)、圖像分析、離散元模擬等方法對覆巖采動裂隙分布特征進(jìn)行了研究和量化分析,提出了關(guān)鍵層破斷的巖層下沉擬合公式和采動裂隙分布的主要規(guī)律;于廣明、蘇仲杰等從力學(xué)和結(jié)構(gòu)角度描述了裂隙區(qū)域的拱形結(jié)構(gòu),利用能量法的穩(wěn)定準(zhǔn)則給出了離層的撓曲值;宋振騏、姜福興等、尹增德等對不同巖性的頂板進(jìn)行分類和力學(xué)計(jì)算,從工程的角度對覆巖的運(yùn)動進(jìn)行控制,通過注水實(shí)測等手段給出了裂隙發(fā)育高度的采冒比和采裂比;李向陽等采用數(shù)值模擬和相似模擬對采空區(qū)覆巖變形規(guī)律做了對比研究;程久龍等利用測地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行了探測地下采空區(qū)的研究,較好地反映了采空區(qū)的空間分布。本文利用彈性薄板理論推導(dǎo)離層的撓曲值,結(jié)合砌體梁的擬合曲線公式,得到覆巖規(guī)則移動區(qū)域巖層的下沉量表達(dá)式,并給出一個(gè)基于相對下沉量的空隙率沿走向變化規(guī)律的計(jì)算方法。2規(guī)則移動帶的提出煤炭開采是一個(gè)二次應(yīng)力分布的過程和一個(gè)動態(tài)的過程。為了研究方便,在采空區(qū)的時(shí)空尺度上,本文采用準(zhǔn)靜態(tài)作為研究的力學(xué)過程。二次應(yīng)力影響范圍內(nèi),覆巖存在狀態(tài)有垮落、斷裂、彎曲,在斷裂巖層和彎曲巖層中,在上、下位巖層之間產(chǎn)生離層現(xiàn)象?？紤]冒落帶上部的規(guī)則移動帶,分為豎向裂隙帶和離層裂隙帶。規(guī)則移動帶內(nèi)巖層沿層理裂開形成離層(離層裂隙),并在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生大量的垂直或者斜交于巖層的裂隙(破斷裂隙)。當(dāng)其以豎向裂隙為主,可以采用砌體梁下沉公式描述;以離層裂隙為主,則采用彈性薄板理論計(jì)算。2.1雙層裂隙帶的下沉量豎向裂隙巖層下沉量采用關(guān)鍵層下沉的擬合公式計(jì)算,即式中:wm為巖層基本穩(wěn)定后的下沉量(允許下沉量);li為巖層的破斷距離;i取值取決于巖層層數(shù)和工作面推進(jìn)的距離。離層裂隙是不隨下部關(guān)鍵層一起運(yùn)動的巖層在自重和其他應(yīng)力作用下產(chǎn)生的撓曲裂隙,其中自重應(yīng)力是主要作用。離層裂隙多位于豎向裂隙區(qū)域以上的位置,可用彈性薄板理論給出適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件計(jì)算其下沉量:式中:抗彎剛度平面問題中y值為常數(shù);a、b為巖層走向跨度和傾向長度;ρ為該巖層密度;t為巖層厚度;g為重力加速度。式(1)、(2)的適用范圍一般采用實(shí)際測量的采裂比λ進(jìn)行區(qū)分,即離層裂隙帶和豎向裂隙帶的分界線距離底板λh0(h0為采高)。要定量求出各巖層變形穩(wěn)定后的下沉量,還需要確定在采動影響下覆巖的裂隙場空間中隨工作面的推進(jìn)巖層的破斷距離li和跨距a。2.2工作面推進(jìn)距離法計(jì)算根據(jù)孔洞在無限域內(nèi)的受力分布情況,利用壓力拱形態(tài)作為裂隙場空間邊界是比較適合的。拱跡線方程可由下式確定:式中:H為采深;q0=γ(H-h);q1=λγ(H-h);q2=λγH;f為煤、巖石堅(jiān)固性系數(shù);s、h為拱的形態(tài)參數(shù),s在不考慮煤壁塑性破壞區(qū)的情況下可以取為工作面推進(jìn)距離,h為拱高,二者的對應(yīng)關(guān)系為x=±s,z=h。根據(jù)式(3),解出工作面推進(jìn)s時(shí)的拱高h(yuǎn),進(jìn)而確定出拱內(nèi)某巖層跨度a,即z=hm(研究區(qū)域距煤層的距離)時(shí),壓步巖距)層。的破斷距離可以取為(l為頂板來3工作面推進(jìn)覆巖孔隙率分布規(guī)律根據(jù)下沉表達(dá)式(1)、(2),確定出各巖層撓曲線分布之后,結(jié)合式(4)得出鄰近巖層相對下沉量的表達(dá)式?wi,若目標(biāo)范圍內(nèi)巖層中心距為ih,該范圍的沿走向空隙率in為式中:?wi為目標(biāo)范圍內(nèi)的巖層上下邊界撓度差值;?x為沿走向單位長度;為區(qū)域平均碎脹系數(shù);當(dāng)ih足夠小時(shí),可以認(rèn)為in是該點(diǎn)的空隙率,這個(gè)空隙率不考慮原生裂隙,下面給出一個(gè)計(jì)算實(shí)例。某礦工作面的實(shí)際地質(zhì)狀況:煤層平均厚度為2.9m,采深500m;工作面長1520m,寬210m;煤層變異系數(shù)為27%,可采系數(shù)為99%。煤層結(jié)構(gòu)簡單,局部含炭質(zhì)泥巖夾矸一層。頂板以泥巖為主,8線以東多為砂巖及少量石英砂巖,底板為泥巖及砂質(zhì)泥巖。覆巖各層的計(jì)算參數(shù)見表1。利用式(1)、(2)得到工作面推進(jìn)180m時(shí)D~J各層的下沉量,如圖1所示。隨著工作面逐步推進(jìn),裂隙逐漸從下往上發(fā)展。從圖1中可以看出,隨著巖層所處深度減小,覆巖各層的下沉量也在減少,底部的幾個(gè)巖層兩邊的空隙較多,F巖層起了關(guān)鍵層的作用,F層下離層空間較大,F層及其上覆層彎曲下沉量較少且差別不大,表明這些巖層是由關(guān)鍵層F的運(yùn)動控制的。根據(jù)式(5),得到采深500m工作面推進(jìn)60、90m和120m的不同深度區(qū)域空隙率沿走向變化規(guī)律,如圖2所示。從圖2可以看出,由于巖層運(yùn)動形式不同,各個(gè)區(qū)域的空隙率隨工作面推進(jìn)的分布規(guī)律是不一樣的。裂隙場的底部,容易產(chǎn)生貫通的周邊豎向裂隙,而中部往往被垮落的巖石壓實(shí);隨巖層深度減小,裂隙空間逐步向巖層中部靠近。從圖2(a)可見,靠近煤層上部的巖層區(qū)域,在工作面推進(jìn)60m時(shí),由于覆巖未大面積垮落,該區(qū)域空隙率曲線沿走向呈現(xiàn)拱形;隨著工作面的推進(jìn),覆巖不斷垮落,表征為跨度中心空隙率不斷降低,而靠近兩端的空隙率逐步升高,呈現(xiàn)鞍狀分布。圖2(b)體現(xiàn)了489m巖層附近隨工作面推進(jìn)空隙率的演化規(guī)律,可以明顯看出空隙率曲線的拱形向鞍形轉(zhuǎn)變的過程。一定的工作面推進(jìn)距離下,亞關(guān)鍵層F在控制其下部巖層區(qū)域空隙率曲線轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生重要作用。4工作面采動的近似計(jì)算把式(2)、(3)代入式(5)中,借鑒上節(jié)的結(jié)果和實(shí)際情況,各個(gè)區(qū)域平均空隙率的曲線在4次多項(xiàng)式下充分滿足基本形狀特征,因此本文提出如下采動影響規(guī)則移動帶空隙率的近似計(jì)算公式:式中:ni為巖層規(guī)則移動區(qū)域空隙率,區(qū)域范圍由區(qū)域上下邊界的巖層控制;x為煤層開挖走向,原點(diǎn)位于工作面推進(jìn)長度中點(diǎn),通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以將原點(diǎn)切換到切眼處;系數(shù)A、B、C由各巖層參數(shù)控制。當(dāng)Hi<H0-λh0時(shí),式中:為覆巖平均重度;H為采深;h0為采高;Hi為區(qū)域距地表高度;s為工作面推進(jìn)距離;E為區(qū)域彈性模量的平均值;a為本區(qū)域走向跨度;λ為采裂比,一般受工作面推進(jìn)距離和(亞)關(guān)鍵層控制。當(dāng)Hi≥H0-λh0時(shí),式中:li為巖層區(qū)域破斷長度。參照現(xiàn)場情況,不考慮重復(fù)采動對切眼處的影響,近似公式的曲線在采空區(qū)的空隙率變化比較符合實(shí)際,本文提出的近似計(jì)算公式是較為合理的,但理論計(jì)算采取的彈性假設(shè)與實(shí)際可能有所差距。下一步的研究從彈塑性假設(shè)入手,利用VisualBasic編程實(shí)現(xiàn)上述公式的圖形以及計(jì)算的可視化,輸出不同工況下采空區(qū)空隙變化情況的實(shí)用公式和可視化曲線形態(tài)。5覆巖裂隙率沿走向統(tǒng)計(jì)特性(1)采場覆巖存在不同的運(yùn)動形式,利用彈性薄板理論可以描述離層裂隙空間,利用砌體梁力學(xué)模型導(dǎo)出的擬合曲線可以來描述豎向裂隙空間。裂隙場內(nèi),裂隙數(shù)量分布以兩邊較多,中部較少;在離層裂隙區(qū)域,處于關(guān)鍵層下部巖層往往產(chǎn)生較大的離層空間。(2)由于巖層運(yùn)動形式不同,各個(gè)區(qū)域的空隙率沿走向分布是不一樣的。采動影響的底部巖層區(qū)域,空隙率較大,空隙率曲線沿走向呈現(xiàn)馬鞍狀;隨著巖層區(qū)域深度的減少,空隙率逐漸變小,空隙率在關(guān)鍵層起作用的區(qū)域存在曲線形態(tài)改變,空隙率曲線逐步呈現(xiàn)拱狀。