煤層底板阻水抗壓強(qiáng)度及礦壓破壞損傷程度的深度影響與分析

侯龍君，趙劉會(huì)，姜　本

(西北有色勘測(cè)工程公司，陜西 西安 710054)

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煤層底板阻水抗壓強(qiáng)度及礦壓破壞損傷程度的深度影響與分析

侯龍君，趙劉會(huì)，姜本

(西北有色勘測(cè)工程公司，陜西 西安 710054)

現(xiàn)今煤礦開(kāi)采深度逾千米已不鮮見(jiàn)，隨開(kāi)采深度的加大，采掘的深度問(wèn)題，如高礦壓、高水壓及高地溫等問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，這也自然涉及到深部、超深部帶壓開(kāi)采的安全性問(wèn)題。闡述煤層帶壓開(kāi)采安全性的深度影響，說(shuō)明煤層隔水底板保護(hù)性能存在深度效應(yīng)——阻水抗壓強(qiáng)度有隨深度加大而增強(qiáng)的趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)底板礦壓破壞損傷程度的深度效應(yīng)不明顯的原因進(jìn)行分析。

隔水底板；保護(hù)性能；阻水抗壓強(qiáng)度；深度效應(yīng)

1　煤層隔水底板的兩種不同保護(hù)性能

與阻水抗壓強(qiáng)度(隔水質(zhì)量)

隔水底板的第一種保護(hù)性能是阻水性能。隔水層都存在不連續(xù)的結(jié)構(gòu)面(斷層、裂隙等)，只是相對(duì)于含水層而言，其細(xì)小而已。當(dāng)下伏承壓含水層的水壓超過(guò)起始水壓力P始(或水壓差大于起始水壓差△P始)時(shí)，水會(huì)強(qiáng)行進(jìn)入隔水層的結(jié)構(gòu)面中而發(fā)生侵水現(xiàn)象(屬?gòu)椥苑懂?，即具恢?fù)性或可重復(fù)性)，形成侵水帶。侵水因需撐擴(kuò)裂隙和擠壓薄膜水而消耗壓力能，每米消耗的壓力能稱(chēng)為消壓強(qiáng)度(MPa/m)，也可稱(chēng)阻水系數(shù)E(圖1)。當(dāng)侵水帶中的水壓差△P大于起始水壓差△P始，或水力梯度I大于消壓強(qiáng)度E時(shí)便會(huì)發(fā)生水的運(yùn)移，因此阻水系數(shù)E亦可稱(chēng)為起始水力梯度I始。在侵水裂隙十分發(fā)育的特定條件下(如井陘礦區(qū))，整個(gè)底板(全厚度)的起始水力梯度I始(全厚)便是該底板的 臨界突水系數(shù)T臨(MPa/m)，因?yàn)槌^(guò)此值，即發(fā)生下伏含水層水向底板頂面之上的越流(井陘礦區(qū)以I始即E來(lái)確定臨界安全水壓力)。

圖1　鶴壁礦區(qū)183-6孔本溪組隔水層侵水帶消壓強(qiáng)度(阻水系數(shù))E實(shí)測(cè)圖

應(yīng)說(shuō)明的是，隔水層的侵水與含水層或?qū)畼?gòu)造的導(dǎo)水有著本質(zhì)上的差異，侵水需消耗壓力能，因而隔水層具消壓功能，在靜態(tài)條件下侵水帶不同高度的壓力水頭不同，而含水層和導(dǎo)水構(gòu)造(包括潛越導(dǎo)水構(gòu)造)無(wú)起始水壓差或起始水力梯度(有水壓差或水力梯度就有水的運(yùn)移)，不具消壓功能，在靜態(tài)條件下同一含水層不同高度上的壓力水頭相同。因此，含水層導(dǎo)水與隔水層侵水的水力學(xué)公式也不同，前者為

式中：K為含水層或?qū)畼?gòu)造的滲透系數(shù)，Kp為隔水層在侵水條件下的滲透系數(shù)；L為過(guò)水長(zhǎng)度，ω為過(guò)水截面積。由上可見(jiàn)，侵水帶與潛越導(dǎo)水構(gòu)造(體)不同，它是隔水層的一部分，但有時(shí)人們“侵水”與“導(dǎo)水”不分，不正確地主張將有侵水的巖段(所謂原始導(dǎo)高)一概從有效隔水層厚度中減除。

隔水層的消壓性能實(shí)際是其構(gòu)造面(斷裂)的阻水功能，因此與巖性密切相關(guān)。具塑性的軟巖，如泥巖的結(jié)構(gòu)面閉合性好，且有一定的膨脹性，因此阻水(消壓)性能強(qiáng)，具剛性的硬巖，如砂巖的結(jié)構(gòu)面閉合性差，無(wú)膨脹性，故阻水(消壓)性能弱。在上面的鶴壁礦區(qū)實(shí)例中，泥巖的阻水系數(shù)是砂巖的123倍。

隔水底板的第二種保護(hù)性能是抗應(yīng)變性能。水壓力與固體壓力一樣都是應(yīng)力，應(yīng)力施加于底板巖體便產(chǎn)生應(yīng)變：變形、斷裂、破壞。巖石抗應(yīng)變性能的強(qiáng)弱用巖石力學(xué)強(qiáng)度(抗壓、抗拉、抗剪等強(qiáng)度)表示，破壞強(qiáng)度應(yīng)用強(qiáng)度準(zhǔn)則，如考慮圍壓和水壓的Drucker-Prager破壞準(zhǔn)則。巖層的抗應(yīng)變性能更與巖性密切相關(guān)。塑性的軟巖抗應(yīng)變性能弱，但吸收應(yīng)力的能力強(qiáng)，因此應(yīng)力傳遞距離近。剛性的硬巖抗應(yīng)變性能強(qiáng)，但吸收應(yīng)力的能力弱，故應(yīng)力傳遞距離遠(yuǎn)。

阻水和抗應(yīng)變是兩種不同的性能，前者表現(xiàn)為隔水底板的結(jié)構(gòu)面特征，屬水動(dòng)力學(xué)范疇，后者表現(xiàn)為隔水底板的巖石力學(xué)特征，屬巖體力學(xué)范疇。隔水底板抗御承壓水的是其阻水與抗應(yīng)變的綜合性能，這種保護(hù)性能稱(chēng)為阻水抗壓性能(強(qiáng)度)，代表隔水質(zhì)量。

塑性(韌性)和剛性(脆性)是巖石一種性質(zhì)的兩個(gè)面(正、反面)，此長(zhǎng)彼消，其和∑為常數(shù)(∑=a塑+(∑-a)剛)。巖層的阻水性與抗應(yīng)變性隨巖性的韌度(或剛度)的變化亦此長(zhǎng)彼消，塑性增大(剛性減小)則阻水性增強(qiáng)而抗應(yīng)變性減弱。反之，塑性減小(剛性增大)則阻水性能減弱而抗應(yīng)變性能增強(qiáng)。但巖性變化巖層的保護(hù)性能是否不變而保持恒定呢？不是這樣的。在軟巖與硬巖，阻水性能與抗應(yīng)變性能關(guān)系中，軟巖和阻水性能是占主導(dǎo)地位的。這是因?yàn)椋?1)事實(shí)上承壓水要壓裂完整底板巖體，包括軟巖是完全不可能的，因?yàn)檫@要求向上作用于底板的水壓力P大于底板的垂向地應(yīng)力σ垂，但深度H相同，而巖石比重γ巖明顯大于水的比重γ水(=1)，σ垂=γ巖H，P=γ水H，因此P不可能大于σ垂。(2)這也是常被忽略的，下伏承壓水對(duì)上覆隔水層施加的水壓力僅僅是通過(guò)裂隙或溶隙狹小的含水接觸面(B)進(jìn)行的，因此總壓力F有限(F=P壓強(qiáng)·B)，壓應(yīng)力小，應(yīng)變就小(有些計(jì)算帶壓安全性的力學(xué)公式，如曾被廣泛引用的斯列薩夫公式，在推導(dǎo)中將含水層視為無(wú)介質(zhì)含水體，概化模型與實(shí)際不符，此應(yīng)是原理性缺陷)。(3)礦井突水通常是通過(guò)斷層和陷落柱等構(gòu)造，斷層帶和陷落柱中的硬巖為碎塊，已無(wú)力學(xué)強(qiáng)度和抗應(yīng)變能力，而構(gòu)造影響帶的張性斷裂使硬性巖層變?yōu)閷?dǎo)水層。因此總的說(shuō)來(lái)，塑性軟巖的保護(hù)性能(隔水質(zhì)量)要強(qiáng)于剛性硬巖。匈牙利將泥巖隔水質(zhì)量定為1，某種砂巖定為0.4。煤層底板通常是不同巖性巖層的組合，若軟硬相間，以軟巖為主是保護(hù)性能最好的組合。對(duì)于不同的底板，在硬性巖層都存在的條件下(華北都是如此)，誰(shuí)的軟巖比例大，誰(shuí)的保護(hù)性能(隔水質(zhì)量)就強(qiáng)。

a.采深——突水次數(shù)、突水量　　　b.采深——最大安全承壓力

圖3　厚度效應(yīng)：井陘礦區(qū)(1)和淄博礦區(qū)(2)P臨—M曲線圖

2　隔水底板保護(hù)性能(隔水質(zhì)量)隨

深度加大而增強(qiáng)——深度效應(yīng)

煤層底板保護(hù)性能(阻水抗壓強(qiáng)度或隔水質(zhì)量)有隨深度加大而增強(qiáng)的趨勢(shì)。大水淄博老礦區(qū)開(kāi)采深度達(dá)千米，深部開(kāi)采雖水壓高，但反而突水次數(shù)減少，突水量變小，井陘礦區(qū)根據(jù)統(tǒng)計(jì)制成突水頻率、突水量與采深關(guān)系曲線圖(圖2)。由圖可見(jiàn)，在開(kāi)始階段，突水次數(shù)和突水量隨采深即水壓的加大而增大，達(dá)到峰值后突水次數(shù)和突水量隨采深加大而減小。

采深加大，煤層底板承受水壓就加大，突水次數(shù)和突水量自然增大，此屬常態(tài)。深度加大，突水次數(shù)和突水量不增反減，屬反態(tài)，這說(shuō)明，在一定條件下，煤層隔水底板的保護(hù)性能，即隔水質(zhì)量(阻水抗壓強(qiáng)度，或臨界突水系數(shù))存在深度效應(yīng)：隨深度加大而增強(qiáng)。這種深度趨勢(shì)可用深度H—最大安全水壓力P臨曲線表達(dá)。在厚度等條件一定時(shí)，H—P臨曲線隨深度變陡。底板保護(hù)性能還存在厚度效應(yīng)，如厚度M—安全極限壓力P臨曲線圖(圖3)所示，臨界突水系數(shù)(曲線斜率)隨厚度加大而增大。于是，圖2有不同底板厚度的深度效應(yīng)曲線。

3　深度效應(yīng)形成因素

造成深度效應(yīng)的因素有：

3.1地應(yīng)力

深部地應(yīng)力大，承壓水的應(yīng)變作用需要克服地應(yīng)力，因而作用于底板的有效應(yīng)力變小。

3.2阻水性能

深部地層結(jié)構(gòu)面(斷裂)在高地應(yīng)力圍壓條件下，更閉合，因此阻水系數(shù)大。

3.3塑性化

在深部高壓高溫條件下巖石塑性化，剛性減弱。

3.4巖溶發(fā)育

奧灰古巖溶發(fā)育無(wú)深度下限，因古巖溶是早期淺埋時(shí)期形成而后期造山運(yùn)動(dòng)深埋的，但近代巖溶在古巖溶基礎(chǔ)上的發(fā)育與深度密切相關(guān)，灰?guī)r深部現(xiàn)代巖溶不發(fā)育，巖溶體的密度和規(guī)模(如溶隙寬度)變小，因此，對(duì)隔水底板的破壞力度弱化。

3.5底板礦壓破壞損傷對(duì)深度不敏感

國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為，埋深對(duì)底板的礦壓破壞損傷影響不大。其原因是，采空區(qū)之上高處巖體因重力失衡而產(chǎn)生的附加礦山壓力被采空頂板形成的拱形結(jié)構(gòu)分散到遠(yuǎn)處底板之上，巖體越高分散得越遠(yuǎn)。圖4是拱形原理分析示意圖。圖中r為采空區(qū)的附加礦山壓力有效影響半徑，r以遠(yuǎn)的附加壓力對(duì)采空區(qū)底板基本無(wú)影響，蓋山厚度(高度)h：ha

圖4　拱形結(jié)構(gòu)附加壓力分散示意圖

4　結(jié)語(yǔ)

本文所闡明的煤層隔水底板的深度效應(yīng)，并非說(shuō)深部不突水或不突大水，只是說(shuō)明一種深度趨勢(shì)，在深部突水次數(shù)和突水量受到一定制約，它與深度，即作用于底板的水壓力并不成正比，有時(shí)呈反變關(guān)系。希望本文的認(rèn)識(shí)對(duì)深部煤炭資源的開(kāi)發(fā)有一定參鑒意義。

[1]謝和平，陳忠輝.巖石力學(xué).科學(xué)出版社.2004.

[2]井陘礦務(wù)局.井陘礦區(qū)帶壓開(kāi)采防治水技術(shù)與實(shí)踐.全國(guó)煤礦重點(diǎn)水害防治技術(shù)方法交流會(huì)論文選編.1991.

[3]薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)原理.北京地質(zhì)出版社.1985.

[4]地質(zhì)礦產(chǎn)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究隊(duì).水文地質(zhì)手冊(cè).地質(zhì)出版社.1978.

2016-02-01

侯龍君(1983-)，男，河南新安人，工程師，主要從事水文地質(zhì)工作。

P641.4+61

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1004-1184(2016)04-0209-02