水—巖耦合作用下采場(chǎng)底板綜合分區(qū)特征及其穩(wěn)定性研究.pdf

1、地下水與巖體之間發(fā)生機(jī)械的、物理的或化學(xué)的相互作用，使巖體和地下水的性質(zhì)或狀態(tài)不斷發(fā)生變化，這種相互作用也不斷地改變著作用雙方的力學(xué)狀態(tài)和力學(xué)特性。采礦活動(dòng)破壞了原始地應(yīng)力的平衡，采場(chǎng)圍巖應(yīng)力發(fā)生重新分布，在新的應(yīng)力場(chǎng)作用下，采場(chǎng)圍巖產(chǎn)生變形和破壞;同時(shí)承壓水的劈裂、擠入及軟化溶蝕作用使巖體劈裂擴(kuò)展、剪切變形和位移，增加巖體中結(jié)構(gòu)面的孔隙度和連通性，從而增強(qiáng)了巖體的滲透性能，易于形成突水通道，如與采場(chǎng)工作面連通，則發(fā)生底板突水。本文以采

2、場(chǎng)底板應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)演化規(guī)律為研究對(duì)象，采用理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等綜合研究方法，對(duì)底板應(yīng)力分區(qū)、變形分區(qū)、破壞分區(qū)特征及其相互對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)分析，揭示水-巖耦合作用下，不同面長(zhǎng)、水壓、采厚等條件下底板破壞深度及其穩(wěn)定性，具體完成內(nèi)容如下:
　　(1)根據(jù)彈性力學(xué)相關(guān)理論，將煤層底板視為均質(zhì)且各向同性的空間半無(wú)限體，簡(jiǎn)化上邊界受力形式為weibull分布，得出底板空間應(yīng)力解析式;
　　(2)基于水-巖耦合

3、作用原理，對(duì)有無(wú)水壓作用下工作面底板端頭位置、中間位置受力情況進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明:在承壓水含水層附近，有水壓作用時(shí)底板應(yīng)力高于無(wú)水壓作用;端頭處高出的應(yīng)力呈現(xiàn)兩次波峰變化形態(tài)，中間位置呈現(xiàn)一次波峰變化形態(tài);
　　(3)水-巖耦合數(shù)值分析表明:隨含水層水壓及面長(zhǎng)的增加，含水層中間位置最大主應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，向兩側(cè)逐漸降低;受水壓作用，底板垂直應(yīng)力已降低區(qū)域又重新升高，充分卸載范圍隨水壓的增加而減小:孔隙水壓力分布規(guī)律表明:工作面兩

4、端頭為突水集中區(qū)域，如果煤層開(kāi)采后剪應(yīng)力造成兩端頭處剪切破壞帶裂隙發(fā)育充分，則容易發(fā)生突水事故;
　　(4)基于采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，得出采場(chǎng)圍巖應(yīng)力特征分區(qū);①載荷緩慢升高區(qū);②端頭應(yīng)力降低區(qū);③拱形應(yīng)力集中區(qū);④端頭關(guān)鍵承載區(qū);
　　(5)承壓水上煤層開(kāi)采相似模擬試驗(yàn)得出采場(chǎng)底板在采動(dòng)應(yīng)力及水壓的作用下裂隙產(chǎn)生、發(fā)育演化規(guī)律。開(kāi)采初期，在水平應(yīng)力作用下巖層超出自身抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)豎向張裂隙;采動(dòng)中期，各巖層承載能力增加進(jìn)而表

5、現(xiàn)出整體抗彎性增強(qiáng)，產(chǎn)生豎向裂隙的同時(shí)出現(xiàn)一定量的層間裂隙;采動(dòng)后期，含水層附近各巖層受水壓及其上覆有一定承載能力巖層鉗制作用，巖層整體性進(jìn)一步增強(qiáng)，各巖層不同的撓曲變形造成層問(wèn)相互錯(cuò)動(dòng)，形成順層裂隙;
　　(6)數(shù)字圖像相關(guān)法對(duì)底板移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行分析表明:停采線前方35m～40m受超前壓力影響，底板出現(xiàn)相對(duì)受壓狀態(tài)，其位移值低于未受采動(dòng)影響區(qū)0.2m～0.4m;停采線向采空側(cè)后退5m～10m，底板受壓變形達(dá)到最大，該范圍稱之為

6、壓縮區(qū);再向后30m～40m時(shí)，底板位移恢復(fù)到未受采動(dòng)影響水平，稱為壓縮臌脹過(guò)渡區(qū);離層臌脹區(qū)位于壓縮膨脹過(guò)渡區(qū)后65m～75m，該區(qū)內(nèi)產(chǎn)生底臌變形峰值點(diǎn)，最大底臌量為1.2m左右，其中峰值點(diǎn)位于開(kāi)采范圍中間位置后10m～20m左右;從峰值點(diǎn)向后一直延伸到切眼后煤體內(nèi)10m～20m，底臌變形下降，該區(qū)域稱為壓實(shí)穩(wěn)定區(qū);
　　(7)模型模擬過(guò)程中分析了水壓從4.5MPa以0.5MPa壓差值進(jìn)行卸載，水壓卸載到1.5MPa時(shí)，底臌量最

7、高點(diǎn)下降幅度0.7m，由此表明:就采動(dòng)應(yīng)力及底板水壓綜合作用而言，底板巖層的變形以水壓作用為主;
　　(8)按位移特征整個(gè)底板空間分為兩個(gè)明顯區(qū)域，采空區(qū)對(duì)應(yīng)底板空間大部分范圍為底臌區(qū)，中部受矸石壓實(shí)作用效果明顯，底臌量有所下降或底臌趨勢(shì)減緩，形成底臌變形減緩區(qū);隨與底板距離增加，下部各巖層承載能力的增強(qiáng)，底臌區(qū)內(nèi)受矸石壓實(shí)作用影響程度減弱，底臌形態(tài)從采場(chǎng)兩端向中部逐漸增高，為底臌穩(wěn)定發(fā)展區(qū);含水層上邊界到底板不受采動(dòng)影響深度為底

8、臌變形削弱區(qū)，該區(qū)域上邊界由于受水力下壓作用，使得底臌量比非承壓水上開(kāi)采進(jìn)一步降低，總體亦呈中間高兩端低的形態(tài);
　　(9)相擬材料模擬過(guò)程中對(duì)底板破壞深度采用并行電法進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)果表明:頂板巖層破壞最顯著區(qū)域?yàn)轫敯迳戏?8m，而底板巖層破壞最顯著區(qū)域?yàn)榈装逑路?9m。針對(duì)面長(zhǎng)120m、160m、200m，水壓1MPa、3MPa、5MPa，采厚1.0m、2.0m、3.0m、4.0m、5.0m等開(kāi)采條件，進(jìn)行數(shù)值分析采場(chǎng)底板破壞形態(tài)

9、及破壞深度，得出適合于面長(zhǎng)100m以上，關(guān)于以上三因素的底板破壞深度擬合公式:y=57.11n(√L)+0.09M2+0.0644ep-127.727
　　(10)對(duì)采場(chǎng)底板豎向空間從塑性破壞角度進(jìn)行分帶，分別是:充分破壞帶、潛在導(dǎo)水破壞帶、塑性破壞帶。在充分破壞帶內(nèi)形成三個(gè)區(qū)，采場(chǎng)中部①區(qū)原拉破壞基礎(chǔ)上產(chǎn)生新的剪切破壞，稱重復(fù)破壞區(qū);兩端頭的②區(qū)受中部壓應(yīng)力作用與①區(qū)力學(xué)聯(lián)系降低，進(jìn)一步加劇了破壞深度及拉應(yīng)力受力范圍，稱之為破壞

10、加劇區(qū)。在潛在導(dǎo)水破壞帶內(nèi)中部③區(qū)三向應(yīng)力增大，盡管形成塑性破壞，但仍具備承載能力，稱損傷破壞區(qū);兩側(cè)剪切面到兩端頭形成④區(qū)，從破壞形式看以拉剪破壞為主，與③區(qū)相比三向應(yīng)力增加幅度不大，為潛在突水區(qū)域，稱為潛在透水破壞區(qū);
　　(11)針對(duì)A組煤底板巖石進(jìn)行抗壓、抗拉常規(guī)性試驗(yàn)得出相應(yīng)強(qiáng)度值。采用MTS-815液壓伺服系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)巖石試件進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，得出各級(jí)應(yīng)力水平下試件軸向、橫向蠕變參數(shù)值;
　　(12)建立了底板粘彈性巖

11、梁力學(xué)分析模型，由虛功原理及能量泛函變分條件，得出采動(dòng)應(yīng)力及底板水壓不同作用時(shí)間下，受粘彈性巖梁抗彎能力下降的影響，底板彈性巖梁撓度及拉應(yīng)力變化趨勢(shì)。分析了巖梁彈性模量、粘滯系數(shù)及水壓變化對(duì)其形變影響程度，得出:加固底板以提高巖梁力學(xué)性質(zhì)，一方面增加彈性模量，有助于加強(qiáng)底板抗變形能力，另一方面提高了導(dǎo)水破壞區(qū)巖石粘滯系數(shù)，減緩?fù)暾麕r梁受力變形強(qiáng)度:疏水降壓可有效降低巖梁邊界受力，使其穩(wěn)定性增強(qiáng);
　　(13)針對(duì)潘北礦A3煤層地質(zhì)

12、條件及水文地質(zhì)條件，結(jié)合采場(chǎng)底板破壞深度計(jì)算公式，對(duì)水壓4.5MPa，面長(zhǎng)100m、120m、160m、200m時(shí)底板破壞深度進(jìn)行計(jì)算，得出為滿足安全生產(chǎn)的需要所采取的防治措施;
　　(14)為保證11113工作面安全回采，確定工作面面長(zhǎng)120m;分層開(kāi)采上分層厚2.8m～3.2m，平均3.0m;實(shí)施探放水工程使水壓降為0.5MPa。針對(duì)現(xiàn)有開(kāi)采技術(shù)條件及水文條件，計(jì)算突水系數(shù)滿足規(guī)程要求，同時(shí)對(duì)工作面底板長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行分析表明: