水—巖耦合作用下采場底板綜合分區特征及其穩定性研究.pdf

1、地下水與巖體之間發生機械的、物理的或化學的相互作用，使巖體和地下水的性質或狀態不斷發生變化，這種相互作用也不斷地改變著作用雙方的力學狀態和力學特性。采礦活動破壞了原始地應力的平衡，采場圍巖應力發生重新分布，在新的應力場作用下，采場圍巖產生變形和破壞;同時承壓水的劈裂、擠入及軟化溶蝕作用使巖體劈裂擴展、剪切變形和位移，增加巖體中結構面的孔隙度和連通性，從而增強了巖體的滲透性能，易于形成突水通道，如與采場工作面連通，則發生底板突水。本文以采

2、場底板應力場、位移場演化規律為研究對象，采用理論分析、數值模擬、實驗室試驗及現場實測等綜合研究方法，對底板應力分區、變形分區、破壞分區特征及其相互對應關系進行系統分析，揭示水-巖耦合作用下，不同面長、水壓、采厚等條件下底板破壞深度及其穩定性，具體完成內容如下:
　　(1)根據彈性力學相關理論，將煤層底板視為均質且各向同性的空間半無限體，簡化上邊界受力形式為weibull分布，得出底板空間應力解析式;
　　(2)基于水-巖耦合

3、作用原理，對有無水壓作用下工作面底板端頭位置、中間位置受力情況進行對比分析，結果表明:在承壓水含水層附近，有水壓作用時底板應力高于無水壓作用;端頭處高出的應力呈現兩次波峰變化形態，中間位置呈現一次波峰變化形態;
　　(3)水-巖耦合數值分析表明:隨含水層水壓及面長的增加，含水層中間位置最大主應力呈增大趨勢，向兩側逐漸降低;受水壓作用，底板垂直應力已降低區域又重新升高，充分卸載范圍隨水壓的增加而減小:孔隙水壓力分布規律表明:工作面兩

4、端頭為突水集中區域，如果煤層開采后剪應力造成兩端頭處剪切破壞帶裂隙發育充分，則容易發生突水事故;
　　(4)基于采場圍巖應力分布規律，得出采場圍巖應力特征分區;①載荷緩慢升高區;②端頭應力降低區;③拱形應力集中區;④端頭關鍵承載區;
　　(5)承壓水上煤層開采相似模擬試驗得出采場底板在采動應力及水壓的作用下裂隙產生、發育演化規律。開采初期，在水平應力作用下巖層超出自身抗拉強度出現豎向張裂隙;采動中期，各巖層承載能力增加進而表

5、現出整體抗彎性增強，產生豎向裂隙的同時出現一定量的層間裂隙;采動后期，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，巖層整體性進一步增強，各巖層不同的撓曲變形造成層問相互錯動，形成順層裂隙;
　　(6)數字圖像相關法對底板移動變形規律進行分析表明:停采線前方35m～40m受超前壓力影響，底板出現相對受壓狀態，其位移值低于未受采動影響區0.2m～0.4m;停采線向采空側后退5m～10m，底板受壓變形達到最大，該范圍稱之為

6、壓縮區;再向后30m～40m時，底板位移恢復到未受采動影響水平，稱為壓縮臌脹過渡區;離層臌脹區位于壓縮膨脹過渡區后65m～75m，該區內產生底臌變形峰值點，最大底臌量為1.2m左右，其中峰值點位于開采范圍中間位置后10m～20m左右;從峰值點向后一直延伸到切眼后煤體內10m～20m，底臌變形下降，該區域稱為壓實穩定區;
　　(7)模型模擬過程中分析了水壓從4.5MPa以0.5MPa壓差值進行卸載，水壓卸載到1.5MPa時，底臌量最

7、高點下降幅度0.7m，由此表明:就采動應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)按位移特征整個底板空間分為兩個明顯區域，采空區對應底板空間大部分范圍為底臌區，中部受矸石壓實作用效果明顯，底臌量有所下降或底臌趨勢減緩，形成底臌變形減緩區;隨與底板距離增加，下部各巖層承載能力的增強，底臌區內受矸石壓實作用影響程度減弱，底臌形態從采場兩端向中部逐漸增高，為底臌穩定發展區;含水層上邊界到底板不受采動影響深度為底

8、臌變形削弱區，該區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采進一步降低，總體亦呈中間高兩端低的形態;
　　(9)相擬材料模擬過程中對底板破壞深度采用并行電法進行實測，結果表明:頂板巖層破壞最顯著區域為頂板上方48m，而底板巖層破壞最顯著區域為底板下方19m。針對面長120m、160m、200m，水壓1MPa、3MPa、5MPa，采厚1.0m、2.0m、3.0m、4.0m、5.0m等開采條件，進行數值分析采場底板破壞形態

9、及破壞深度，得出適合于面長100m以上，關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)對采場底板豎向空間從塑性破壞角度進行分帶，分別是:充分破壞帶、潛在導水破壞帶、塑性破壞帶。在充分破壞帶內形成三個區，采場中部①區原拉破壞基礎上產生新的剪切破壞，稱重復破壞區;兩端頭的②區受中部壓應力作用與①區力學聯系降低，進一步加劇了破壞深度及拉應力受力范圍，稱之為破壞

10、加劇區。在潛在導水破壞帶內中部③區三向應力增大，盡管形成塑性破壞，但仍具備承載能力，稱損傷破壞區;兩側剪切面到兩端頭形成④區，從破壞形式看以拉剪破壞為主，與③區相比三向應力增加幅度不大，為潛在突水區域，稱為潛在透水破壞區;
　　(11)針對A組煤底板巖石進行抗壓、抗拉常規性試驗得出相應強度值。采用MTS-815液壓伺服系統對標準巖石試件進行蠕變試驗，得出各級應力水平下試件軸向、橫向蠕變參數值;
　　(12)建立了底板粘彈性巖

11、梁力學分析模型，由虛功原理及能量泛函變分條件，得出采動應力及底板水壓不同作用時間下，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力變化趨勢。分析了巖梁彈性模量、粘滯系數及水壓變化對其形變影響程度，得出:加固底板以提高巖梁力學性質，一方面增加彈性模量，有助于加強底板抗變形能力，另一方面提高了導水破壞區巖石粘滯系數，減緩完整巖梁受力變形強度:疏水降壓可有效降低巖梁邊界受力，使其穩定性增強;
　　(13)針對潘北礦A3煤層地質

12、條件及水文地質條件，結合采場底板破壞深度計算公式，對水壓4.5MPa，面長100m、120m、160m、200m時底板破壞深度進行計算，得出為滿足安全生產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120m;分層開采上分層厚2.8m～3.2m，平均3.0m;實施探放水工程使水壓降為0.5MPa。針對現有開采技術條件及水文條件，計算突水系數滿足規程要求，同時對工作面底板長期穩定性進行分析表明: