滲流條件下不同覆巖結構采動破壞數值分析

王云平　趙德深

摘要：運用有限元軟件（ADINA）建立二維模型，模擬分析滲流和采動作用下4種不同覆巖結構的破壞場和孔隙水壓力分布特征。結果顯示：巖性結構影響覆巖端部破壞規律，當上硬下軟時，裂縫帶范圍以最下位巖層斷裂線為界向采空區外側擴展；當上軟下硬時，以最下位巖層斷裂線為界向采空區內側方向擴展。硬巖交替型結構，裂隙帶的側邊界則是內外交叉發展；巖性越硬相應導水裂隙帶的高度越高。在其他條件相同時，導水裂隙帶的高度由大到小的順序為：堅硬-堅硬型、軟弱-堅硬型、堅硬-軟弱型和硬軟交替型。

關鍵詞：覆巖結構；破壞場；孔隙水壓力；巖性結構

中圖分類號：TD32 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）01-0085-06

0 引言

我國受地表水體、松散含水層和基巖含水層等水體侵蝕威脅的煤炭量約占受水體侵蝕威脅煤炭總量的二分之一（張守仁，陳佩佩，2009；李悅，2011）。對于富水覆巖工作面來說，煤層開采時將導致覆巖斷裂和彎曲，使巖層產生變形和破壞，最終形成覆巖裂隙（張慈增，2012；孫玉杰，2009）。一旦上覆含水層和導水裂隙帶溝通，富水域水體則會涌入或潰入井下，形成礦井水災害（袁景，2005）。因此，煤層開采形成的覆巖裂隙是否相互連通以及相互連通的裂隙是否波及到水體是水體下采煤主要考慮的問題（于水，2012；牛學軍，2009；代長青，楊本水，2009）。研究滲流作用下不同采動覆巖結構的破壞場和孔隙水壓力的變化規律，有助于研究采場頂板導水通道分布規律，對采場頂板透水預測以及如何實現在地表水體下安全采煤有著重要意義。

1 工程概況

1.1 覆巖巖性概況

覆巖的巖性結構對于導水裂隙帶形態和高度的發育具有控制作用，是主導因素。由于煤層的沉積條件、漫長的地質沉積及地質構造運動作用等原因，煤層的上覆巖性往往是有多種巖性組成的，比較典型的覆巖巖性結構有堅硬-堅硬型、軟弱-堅硬型、堅硬-軟弱型、硬軟交替型等。對這4種典型覆巖巖性結構進行模擬研究時，為了減少開采深度、采厚、煤層傾角、地表水深等因素對不同覆巖力學模型的影響，將上述條件統一為開采深度H=733m，煤層采出厚度M=9m，傾向長度L=120m，走向長度D=1200m，煤層傾角α=7°，地表水庫水深按最大水深計5.58m。

1.2 不同覆巖結構力學參數的選擇

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》（國家煤炭工業局，2000），按覆巖單向抗壓強度（σ_t，單位MPa）將覆巖巖性劃分為4類，即：40≤σ_t≤80的巖層為堅硬巖層；20≤σ_t≤的巖層為中硬巖層；10≤σ_t≤20巖層為軟弱巖層；σ_t≤10的巖層為極軟弱巖層。結合《巖石力學參數手冊》（水利水電科學研究院等，1991）和《構造地質力學》（謝仁海等，2007），挑選不同覆巖的力學參數，參照全應力應變實驗和《地下水文學原理》（余鐘波，黃勇，2008），挑選不同覆巖的水力學參數。

2 數值模型的建立

開采深度H=733m，采厚M=9m，工作面走向長度D=795m，煤層傾角α=7°，地表水庫水深5.58m，為消除邊界影響，左右各取280m、底部取200m作為邊界影響區。最終不同覆巖結構的數值模型的尺寸統一為：Y×Z=1355m×802m，Y為走向，Z為深度方向。每次推進15m，共模擬15組巖層、1層煤層、1層地表水、17個單元組、5994單元、6234節點。其中力學約束邊界：左右邊界施加水平約束，底部邊界固定，水平和豎直位移均為零。滲流邊界：左右邊界和底部邊界設置為不透水邊界，水庫表面為自由面。圖1為計算模型示意圖。

3 模型分析

3.1 破壞場分析

忽略模型左上角和右上角兩側的第一主拉應力破壞區，將采空區上方相互貫通的主拉應力破壞區視為導水裂隙帶。圖2、圖3分別表示工作面推進135m、405m時不同覆巖模型第一主應力場的模擬結果。從中可以看出導水裂隙帶的形態隨著工作面的不同推進距離在不斷變化，其側邊界縱向發展趨勢和最終形態與上覆巖層的巖性有較大的關系。在軟弱-堅硬型結構中，導水裂隙帶的側邊界以最下位巖層斷裂線為起點向上向采空區外側（煤柱側）擴展，而堅硬-軟弱型覆巖結構的導水裂隙帶側邊界是以最下位巖層斷裂線為起點向上向采空區內側擴展，在硬軟交替的覆巖結構中，導水裂隙帶的沿縱向發展趨勢則是向采空區的內外側交叉發展。

（1）當開挖工作面推進135m時，最大主應力應力場的分布如圖2所示：在采空區前后方均出現了“耳朵狀”的高主應力區域，但導水裂隙帶的形態和上覆巖層的巖性有很大的關系，在堅硬-堅硬型結構、軟弱-堅硬型結構和堅硬-軟弱型結構中出現了兩頭高，中間低的“鞍型”破壞形態，并且導水裂隙帶在工作面開切眼一側的發育高度比推進一側的發育高度大，這在堅硬-軟弱型結構中尤其明顯。在硬軟交替覆巖結構中，覆巖破壞區域出現不連續情況，在第一硬巖層頂和第二軟巖層交界面出現主壓力區域，這是由于第一層的硬巖層跨落后，第二層的軟巖由于失去了支撐隨即冒落導致的。導水裂隙帶的高度也因上覆巖層巖性的不同而有所不同，最大為堅硬一堅硬型結構，其數值為36m，而最小的為硬軟交替結構，其數值為26m。

（2）當開挖工作面推進405m時，最大主應力應力場的分布如圖3所示：導水裂隙帶的側邊界向采空區的上方的發展趨勢因上覆巖性的不同而有所不同，軟弱-堅硬型覆巖結構和堅硬-堅硬型覆巖結構是以最下位巖層斷裂線為起點向上向煤柱側擴展，堅硬-軟弱型覆巖結構中導水裂隙帶的側邊界是以最下位巖層斷裂線為起點向上向采空區內側擴展，而硬軟交替的覆巖結構則是向采空區的內外側交叉發展。另外，堅硬-堅硬型的“馬鞍形”破壞形態沒有其他覆巖結構明顯。

（3）模擬開挖結束后，導水裂隙帶高度因其上覆巖層性不同而存在差異，覆巖強度越大則導水裂隙帶高度越大，導水裂隙帶的高度也因上覆巖層巖性的不同而有所不同，覆巖強度越大導水裂隙帶的高度越大，導水裂隙帶的高度依次為：堅硬-堅硬型為196m、軟弱-堅硬型為180m、堅硬-軟弱型為176m、硬軟交替型為136m。從中可以看出在其他條件相同時，硬軟交替的覆巖結構導水裂隙帶的高度最小，這是由于第一層的硬巖能較快支撐上部的巖層，另一方面第二層軟巖層不易產生裂隙（即使產生后裂隙也容易閉合），從而對裂隙的發展起到了抑制作用。

通過上述分析可知，在工作面的不同推進過程中導水裂隙帶的形態、側邊界的發展趨勢和高度都因上覆巖性的不同而有所不同：

（1）巖性結構影響覆巖端部破壞規律，當為堅硬一軟弱型結構時，裂隙帶范圍就以最下位巖層斷裂線為界向采空區外側擴展；當軟弱一堅硬型時，以最下位巖層斷裂線為界向采空區內側方向擴展。

（2）覆巖巖性越硬，導水裂隙帶高度越高。導水裂隙帶的高度由大到小的順序為：堅硬-堅硬型結構、軟弱-堅硬型結構、堅硬-軟弱型結構、硬軟交替型結構。

（3）導水裂隙帶的形態隨著工作面的不斷推進在不斷變化。如堅硬一軟弱型結構開始時其形態為兩頭高中間低的“馬鞍型”，最終為梯形。

3.2 孔隙水壓力分析

水體下采煤時，回采擾動會導致巖層和土層的隔水性受到不同程度的破壞。受采動影響的程度，與采動引起的巖層變形性質和巖層本身性質有關。如巖層和土層處于拉伸變形狀態，同時拉伸變形達到一定數值時，巖層和土層會發生垂直和水平方向的張開裂縫。如果這些裂縫能夠形成一個彼此連接的通道，則巖層和土層的隔水性會遭到破壞。同時在采動影響下，剛性、脆性巖層的隔水性容易遭到破壞?？紫端畨毫Φ拇嬖冢淖兞肆严稁r體的本構特征，進而影響其變形。巖體應力應變關系與孔隙水壓力的大小變化和梯度分布有直接影響。

（1）當開挖工作面推進135m時，孔隙水壓力的分布如圖4所示：在采空區上方覆巖均出現了孔隙水壓力增大區域，根據Terzaghi的有效應力定律和飽水巖體爾-庫倫強度準則，該區域的孔隙水壓力升高越多，其強度降低就越多，越容易形成破壞區。但由于上覆巖層巖性的不同，出現孔隙水壓力增大區域的高度是不同的，如堅硬一堅硬型結構孔隙水壓力增大區域是在工作面頂板上方31～70m范圍內，而軟弱-堅硬型孔隙水壓力增大區域是在工作面頂板上方的21～46m，這與工作面推進135m時堅硬-堅硬型結構的導水裂隙帶高度為36m、軟弱-軟弱型結構的導水裂隙的高度為26m是相符的。

（2）當開挖工作面推進405m時，孔隙水壓力的分布如圖5所示：隨著煤層向前推進，回采擾動影響加劇，采空區上方高孔隙水壓力區域的高度相對于工作面推進135m時有所增加，最大孔隙水壓力因上覆巖層的不同而有所不同，從大到小依次為：軟弱-堅硬型為15.83MPa、硬軟交替型為14.48MPa、堅硬-軟弱型為13.27MPa、堅硬一堅硬型為9.0MPa。

（3）模擬開挖結束后，上覆巖層高孔隙水壓力區域發生新的變化，如堅硬一堅硬型結構的高孔隙水壓力區域在工作面上方的208.2m、軟弱-堅硬型結構為196m、這與模擬結束時堅硬-堅硬型結構的導水裂隙帶高度為196m、軟弱-堅硬型結構為180m是相符的，這說明在高孔隙水壓力區域容易形成滲透性增加帶，形成覆巖破壞。

通過上述分析可知，由于采空區的開挖，工作面和開切眼附近出現的高孔隙水壓力區導致了該部分區域的有效應力降低，使得該部分覆巖強度降低，容易形成滲透性增加帶和覆巖破壞區。但在采空區上方出現的高孔隙水壓力區域離采空區的高度因上覆巖層巖性的不同而有所不同，高孔隙水壓力區域離采空區的高度從大到小依次為：堅硬-堅硬型結構、軟弱-堅硬型結構、堅硬-軟弱型結構、硬軟交替型結構，這與不同覆巖結構的導水裂隙帶的高度是相符的。

4 結論與討論

本文通過二維模型分析了4種不同覆巖結構的破壞場和孔隙水壓力分布規律，得出以下結論：

（1）巖性結構影響覆巖端部破壞規律。當結構為堅硬-軟弱型時，裂縫帶范圍以最下位巖層斷裂線為界向采空區外側擴展；當結構為軟弱-堅硬型時，以最下位巖層斷裂線為界向采空區內側方向擴展；當為硬軟交替型結構時，裂隙帶的側邊界則是內外交叉發展。

（2）覆巖巖性越硬，相應的導水裂隙帶的高度越高。在其他條件相同時，導水裂隙帶的高度由大到小的順序為：堅硬-堅硬型結構、軟弱-堅硬型結構、堅硬-軟弱型結構、硬軟交替型結構。

（3）隨著回采面向前的推進，高孔隙水壓力的區域不斷擴大，其數值也逐漸增加，工作面頂板滲透性增強帶在不斷擴大。不同覆巖結構的高孔隙水壓力區域是不同的，其范圍與相應覆巖結構的導水裂隙帶范圍基本相符。