采動底板變形破壞深度與組合結(jié)構(gòu)的影響因素分析

采動底板變形破壞深度與組合結(jié)構(gòu)的影響因素分析

過去，對采空地板變形破壞的研究主要集中在對空地板區(qū)域（水）的壓力下，對水的阻塞條件和阻力的評估，并提出了不同的學(xué)術(shù)觀點。影響最大的觀點包括“薄模型”理論、“連續(xù)三個區(qū)域”理論、“關(guān)鍵層”理論、“突變模型”理論、“局部張力損失和零位破壞”理論等。然而，從采空地板配合的結(jié)構(gòu)效果來看，關(guān)于底板變形破壞的相關(guān)研究相對較少。實際上開采煤層底板變形破壞是一種典型的“采動綜合效應(yīng)”,受采深、采厚、煤巖層傾角、原巖應(yīng)力環(huán)境、開采條件及工藝和頂?shù)装鍘r性及其組合結(jié)構(gòu)等多種因素的影響。在這些影響因素中對采深、采厚、傾角、原巖應(yīng)力環(huán)境、工作面尺寸、回采工藝等影響因素的研究相對較多[12,13,14,15,16,17],而關(guān)于采動底板巖性及其組合結(jié)構(gòu)對采動底板變形破壞深度的影響研究則明顯相對不足。實際上,底板采動破壞的力源是采動礦壓,工作面底板巖性及組合結(jié)構(gòu)是采動應(yīng)力重分布的物質(zhì)基礎(chǔ)。為此,本文結(jié)合在兗州礦區(qū)和鄭州礦區(qū)現(xiàn)場相關(guān)實測資料,探究采動底板巖性及其組合結(jié)構(gòu)對底板變形破壞程度與深度所起的重要制約作用。1現(xiàn)場測量結(jié)果的分析1.1底板變形破壞特征圖1是興隆莊煤礦某工作面底板采動變形破壞現(xiàn)場實測的部分主要結(jié)果。該面位于-350水平十采區(qū),地面標(biāo)高+46.5~+48.8m,平均為+47.6m;工作面標(biāo)高-291.0~-548.0m,平均為-419.5m。該面長3050~3090m,寬約200m,煤厚6.20~10.40m,平均8.91m。地質(zhì)條件較簡單,開采3煤,總體上為一單斜構(gòu)造,傾向為SW~NE,傾角1°~18°,平均7°,采用綜放開采方法。從圖1a可以明顯看出隨著工作面逐漸向鉆孔方向推進(jìn),直至推過一定距離后鉆孔內(nèi)探頭的應(yīng)變增量在2個關(guān)鍵位置處出現(xiàn)明顯差異性,其中距離工作面底板垂深約12.5m處的應(yīng)變感應(yīng)探頭在工作面推進(jìn)整個過程中感應(yīng)都比較靈敏,應(yīng)變增量變化幅度較大;與其相比,底板下垂深16.2m處的應(yīng)變感應(yīng)探頭的應(yīng)變增量值相對變化較小,僅個別通道在工作面回采到鉆孔正上方時才出現(xiàn)較大幅度的擺動。超聲成像圖片則可更進(jìn)一步說明這個問題:考慮到采后底板的卸壓膨脹作用,工作面底板變形破壞深度和程度應(yīng)在工作面推過測孔一定距離后才能達(dá)到最大,因此選取工作面推過測孔46m后對測孔內(nèi)不同深度孔壁變形破壞特征進(jìn)行超聲成像截圖,由圖1b可以明顯看出,在距離工作面一定位置條件下開采煤層底板不同深度變形破壞出現(xiàn)明顯差異性,在深度12.5m處發(fā)生整體破壞,15.5m處為局部變形破壞,然后16.2m處時則為局部輕微擾動,到17.5m處時已無明顯擾動形跡?；诘装宀蓜舆^程的應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果和超聲圖像的關(guān)聯(lián)分析(圖1),該工作面底板的采動影響深度大致在17.5m左右,其中底板采動破壞深度約為16.0m。2鉆孔內(nèi)變形響應(yīng)分析圖2是鮑店煤礦某工作面采動底板變形破壞現(xiàn)場實測主要部分結(jié)果。該面位于五采區(qū)-430水平,標(biāo)高-212~-311m,地面標(biāo)高+44.30~+46.29m。工作面走向長2422~2434m,傾斜寬228m,開采3煤,采取綜放開采方式。煤厚8.30~8.80m,平均厚度8.60m,傾角為6°~15°,平均8°。從圖2a可以明顯看出隨著工作面逐漸向鉆孔方向推進(jìn),直至推過一定距離后鉆孔內(nèi)探頭應(yīng)變增量在2個關(guān)鍵位置處出現(xiàn)明顯差異性,其中距離工作面底板垂深約10.0m處應(yīng)變感應(yīng)探頭在工作面推進(jìn)整個過程中感應(yīng)都比較靈敏,應(yīng)變增量變化幅度較大,且當(dāng)工作面推進(jìn)距離測孔約8.0m左右時,該處應(yīng)變感應(yīng)探頭各通道均沒有讀數(shù),這表明該處已發(fā)生破壞;與其相比,底板下垂深12.0m處的應(yīng)變感應(yīng)探頭的應(yīng)變增量值相對變化較小,且各通道應(yīng)變感應(yīng)增量變化幅度基本同步。另外,選取工作面推過測孔42m后對測孔內(nèi)不同深度的孔壁變形破壞特征進(jìn)行超聲成像截圖可以明顯看出(圖2b),在距離工作面一定位置條件下開采煤層底板不同深度變形破壞出現(xiàn)明顯差異性,在深度10.0m處發(fā)生輕度整體破壞,而其下部的11.0m處為嚴(yán)重整體破壞,然后12.0m處則為局部輕微擾動,到13.0m處時已無明顯擾動形跡。基于底板采動過程應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果和超聲圖像關(guān)聯(lián)分析,該工作面底板采動影響深度大致在13.0m左右,其中底板采動破壞厚度約為12.0m。1.2中下部層位方面圖3b所示為鄭煤集團裴溝煤礦-300水平東大巷在掘進(jìn)通過已采32051工作面底板所實際揭露的部分采動破壞情況。-300水平東大巷地質(zhì)構(gòu)造以單斜為主,巷道掘進(jìn)段已揭露多條落差1.0~3.0m的斷層。掘進(jìn)標(biāo)高在-310m左右,沿L7灰?guī)r送巷,基本局限于L7灰?guī)r中下部層位中。其西段布置于32051工作面底板中(圖3a),巷道頂板距二1煤底板12~16m,上部32051工作面為二1煤綜放工作面,平均采厚9m,平均采深470m左右,二1煤直接底為粉砂質(zhì)泥巖,其下依次為L8灰(厚3.0~5.3m,平均厚度3.5m)、泥巖(0~3m)和L7灰(厚7.0~8.4m,平均厚度7.5m),局部巷段L7灰與L8灰并層。根據(jù)與裴溝礦相鄰的超化礦應(yīng)變感應(yīng)法實測的二1煤采動底板變形破壞深度,結(jié)合32051工作面的實際開采條件,預(yù)估32051工作面底板采動破壞深度在13.0~15.0m范圍。但-300水平東大巷掘進(jìn)實際揭露的情況表明,底板巖性組合結(jié)構(gòu)對采動破壞深度影響較大,L7灰與L8灰并層部位的底板破壞深度一般在13.0~13.5m左右,而間隔有泥巖部位的底板破壞深度一般在10.0~11.0m左右(圖3b)。2影響變量和組合結(jié)構(gòu)的變形和破壞機制2.1巖性組合結(jié)構(gòu)采動底板變形破壞是采動礦壓導(dǎo)致底板應(yīng)力重分布的結(jié)果,從巖體力學(xué)和采動礦壓理論角度綜合考慮,3個現(xiàn)場實測礦井采動底板變形破壞均具有明顯差異性,反映了底板不同巖性及其組合結(jié)構(gòu)對變形破壞程度和深度具有重要的控制作用。這3個礦井采動煤層底板在影響深度內(nèi)分別具有不同的巖性組合結(jié)構(gòu),興隆莊煤礦采動底板在影響深度范圍內(nèi)巖性在結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)方面相差不大,具有單一均質(zhì)巖性結(jié)構(gòu)的性質(zhì)(圖4a);鮑店煤礦采動底板在影響深度范圍內(nèi)巖性在結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)方面差別較大,直接底板為粉砂巖,而其下有較硬的細(xì)砂巖夾薄層泥質(zhì)粉砂巖組合結(jié)構(gòu)(圖4b);裴溝煤礦和兗州的兩個煤礦又有不同,有的地段L8灰?guī)r和L7灰?guī)r之間夾層泥巖較厚,有些地段則明顯變薄甚至消失導(dǎo)致兩層灰?guī)r并層。1巖性組合結(jié)構(gòu)根據(jù)興隆莊煤礦應(yīng)變感應(yīng)法和超聲成像的實測結(jié)果(圖1),結(jié)合該礦某綜放工作面底板巖性(圖4a),單獨從底板巖性及其組合結(jié)構(gòu)來看,該面直接底和老底均為強度較低的粉砂巖(普氏系數(shù)f值均為5.7),厚度分別為2.0m和7.0m左右,其下為厚約10.0m的細(xì)砂巖,其力學(xué)性狀比上覆粉砂巖強度稍大,但相差不大。根據(jù)工作面推進(jìn)過程中底板不同深度應(yīng)變感應(yīng)曲線和超聲圖像均顯示出淺部破壞劇烈,向深部則破壞程度逐漸減弱,至16.0~18.0m范圍則主要表現(xiàn)為由輕微擾動向無明顯變形形跡過渡(圖1)。這種組合底板具有單一巖性結(jié)構(gòu)或為力學(xué)性狀相近的巖性組合結(jié)構(gòu)。從采動引起附加應(yīng)力在底板傳播的角度分析,這種類型底板變形破壞程度應(yīng)為自上至下呈由強及弱的漸次性過渡特點。2底板破壞深度對于力學(xué)性狀差異性明顯的軟硬巖組合結(jié)構(gòu)底板,由于其采動破壞的力學(xué)機制比較復(fù)雜,采動破壞深度也表現(xiàn)有相對復(fù)雜的特點。根據(jù)鮑店煤礦某工作面采動底板變形破壞超聲圖像,通過采動過程測點位置底板巖層結(jié)構(gòu)的變化情況,大致可確定底板采動破壞深度在12.0m以內(nèi)(圖2)。但觀察對比破壞深度范圍的超聲圖像發(fā)現(xiàn),破壞帶下部8.0~10.0m范圍細(xì)砂巖的擾動破壞程度大大低于其下伏的粉砂巖夾層(垂深9.0~11.5m)。圖5所示為工作面推過測點2.0m時,垂深8.0~11.5m范圍底板變形破壞超聲圖像的3個深度點的截圖,在均質(zhì)底板條件下,破壞程度一般呈由淺及深逐漸減輕的特點,而鮑店煤礦某工作面底板實際情況是垂深11.4m截圖部位的粉砂巖破壞程度呈塑性擠出狀態(tài),其上的細(xì)砂巖只是產(chǎn)生了輕度順層開裂破壞,這種底板破壞現(xiàn)象在工作面推過測孔42m后也有明顯體現(xiàn)(圖2)?？梢栽O(shè)想,如果該深度部位為連續(xù)的細(xì)砂巖分布,則采動破壞深度要高于目前的實際值(12.0m),這充分反映出軟弱夾層對底板破壞深度的約束效應(yīng)。鄭州礦區(qū)裴溝煤礦-300東大巷開拓揭露情況也表明采動底板巖性組合結(jié)構(gòu)對破壞深度的制約作用。該大巷開拓中在已采32051工作面底板下面實際揭露發(fā)現(xiàn)在有L7灰與L8灰并層部位的底板破壞深度比間隔有泥巖部位的底板破壞深度一般要大2.0m左右(圖3b),反映了底板巖性組合結(jié)構(gòu)對采動底板破壞深度已產(chǎn)生較大影響。2.2軟巖組合結(jié)構(gòu)底板破壞特性底板巖性及組合結(jié)構(gòu)對于底板采動破壞深度的影響集中反映了巖層變形與破壞強度的差異特點,這種影響可通過巖體力學(xué)的模擬實驗和強度理論予以解釋。吳基文等針對兩淮礦區(qū)不同巖性底板采動破壞程度存在明顯差別的問題進(jìn)行了模型試驗和數(shù)值建模分析,總結(jié)提出了軟、硬巖層受力變形的“調(diào)和作用”力學(xué)機制觀點。馮梅梅等通過理論分析、物理模擬和數(shù)值分析對軟-硬-硬-硬-軟、硬-軟-硬-軟-硬、硬-硬-硬-軟-軟3種組合條件下采動底板阻水能力進(jìn)行研究,得出在其它條件相同情況下軟-硬-硬-硬-軟組合底板阻水能力最強。施龍青等等通過相關(guān)物理模型試驗得出了上軟下硬型底板采動劇烈破壞主要局限于上部軟巖層內(nèi);而對于上硬下軟型底板,如硬巖層遭到破壞,軟巖層則必受影響,如堅硬巖層厚度較大且完整性較好,則硬巖層會形成承壓梁抵抗礦壓破壞,對下部軟巖起保護(hù)作用。由此可見,軟硬巖互層組合底板的采動變形破壞具有復(fù)雜的特征。均質(zhì)底板即單一巖性結(jié)構(gòu)或力學(xué)性狀相近的互層結(jié)構(gòu)底板,其采動破壞深度主要受制于底板的抗壓破壞強度,總體上,底板破壞深度與巖層強度呈反比關(guān)系,其中劇烈破壞的深度范圍則與底板巖性的變形性密切相關(guān)。對于軟硬夾層底板,由于軟巖塑性變形性較強,底板淺部破壞后,采動礦壓集中荷載集聚過程中會引起淺部破壞層段產(chǎn)生劇烈的塑性變形,由此而產(chǎn)生應(yīng)力擴散效果,有效降低其下層段的破壞程度。因此,與脆性堅硬巖相比,軟硬巖互層底板劇烈破壞深度反而一般相對較小。依據(jù)采動礦壓相關(guān)研究,頂板來壓過程采動礦壓集中荷載在底板深度方向的擴散具有時空變化特點,一方面,采動次生應(yīng)力分布在底板延深方向呈一定規(guī)律的降低(圖6a),采動礦壓集中荷載(強度p)在深度z位置的作用強度為σz;另一方面,底板中不同深度的采動應(yīng)力也隨采動礦壓集中荷載的集聚而逐步增大,當(dāng)?shù)装宀蓜討?yīng)力σz達(dá)到巖層抗壓破壞強度σc時,該處底板即破壞。因此,單一巖性或相近巖性組合底板的破壞具有自上而下逐步減弱的基本規(guī)律。從巖體力學(xué)理論角度,對于相同采動礦壓集中荷載強度p作用條件下,單一或相近巖性組合結(jié)構(gòu)底板破壞深度主要取決于巖層的強度條件,如硬巖組合結(jié)構(gòu)和軟巖組合結(jié)構(gòu)的抗壓破壞強度σc分別為σc1和σc2,則其相應(yīng)的破壞深度分別局限于z1(σc1≤σz1)(圖6b)和z2(σc2≤σz2)范圍(圖6c)。由于軟巖的抗壓破壞強度一般要比硬巖低得多,因此,同樣的采動集中荷載強度作用下的破壞深度,軟巖組合結(jié)構(gòu)底板也會明顯大于硬巖的(z2>z1)。與均質(zhì)底板相比,軟硬巖互層組合底板采動變形破壞特點則相對復(fù)雜。基于巖體力學(xué)強度理論,巖體強度和變形性與受力條件、荷載方式和巖性組合等因素有關(guān),對于軟硬巖互層結(jié)構(gòu)底板,軟巖對底板采動變形特點及破壞程度影響較大。與相近巖性組合底板自淺及深漸次性破壞不同,由于軟巖抗壓破壞強度較低,且軟、硬巖力學(xué)性質(zhì)的明顯差異,在采動礦壓聚集過程中,不但軟硬巖組合底板將首先是軟巖發(fā)生破壞,而且軟巖塑性破壞所產(chǎn)生的應(yīng)力釋放效果會進(jìn)一步影響到硬巖互層的受力條件,并由此導(dǎo)致底板的整體變形破壞情況發(fā)生變化。以圖6d所示的底板組合結(jié)構(gòu)為例,在底板淺部采動礦壓(σz)達(dá)到軟巖抗壓破壞強度(σc2)時,軟巖首先發(fā)生破壞,并隨采動礦壓集聚而產(chǎn)生劇烈的塑性變形,這種塑性變形可以對上、下巖層的抗破壞能力和受力條件產(chǎn)生較大影響,即對上覆硬巖蓋層可產(chǎn)生“褥墊效應(yīng)”,一定程度提高硬巖蓋層的整體抗破壞能力;對下伏巖層可產(chǎn)生“應(yīng)力擴散效應(yīng)”,能夠一定程度減低下伏巖層的受力強度,起到重要的緩沖作用。這也是裴溝礦32051工作面底板采動破壞深度之所以在L8灰?guī)r與L7灰?guī)r并層部位反而大于二者間隔有泥巖部位的主要力學(xué)原因。3巖夾層或互層組合底板的采動變形破壞機理1)