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第 40 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 40 No.2 2012 年 4 月 COAL GEOLOGY 41030422; 国家科技重大专项示范工程2011ZX05063; 国家重点基础研究发 展计划973 计划课题2012CB214705; 教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目20100023110003 作者简介 孟召平1963, 男, 湖南汨罗人, 博士, 教授, 博士生导师, 从事矿井工程地质和煤层气地质研究. 文章编号 1001-1986201202-0039-05 煤炭开采对煤层底板变形破坏及渗透性的影响 孟召平 1,2，王保玉1,3，徐良伟1，吴志远1，白 刚1，路波涛1 1. 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，地球科学与测绘工程学院，北京 100083； 2. 三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002； 3. 山西晋城无烟煤矿业集团蓝焰煤层气有限责任公司，山西 晋城 048204 摘要 煤层底板变形破坏除受地质因素控制外，还受开采因素影响。通过试验和理论分析，系统 研究了煤炭开采对回采工作面底板应力、应变和破坏及渗透性的影响。研究结果表明，不同岩性 岩石的渗透性在全应力–应变过程中为应变的函数，在微裂隙闭合和弹性变形阶段，岩石的原生孔 隙和裂隙容易被压密，岩石的渗透率随应力的增加由大变小明显，当应力增大至极限强度时岩石 试件破坏形成贯穿裂隙，岩石的渗透率迅速增大至最大，不同岩性岩石存在一定差异性；随着回 采工作面推进，煤层底板岩层在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、采动矿压直接破坏 区和底板岩体应力恢复区 4 个区。煤层底板岩体的渗透性随着煤炭开采底板岩体变形破坏而呈规 律性变化。 关 键 词煤炭开采；煤层底板；变形破坏；渗透性 中图分类号TD741 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2012.02.010 Influence of coal mining on the deation-failure and permeability of seam floor MENG Zhaoping1,2, WANG Baoyu1,3, XU Liangwei1, WU Zhiyuan1, BAI Gang1, LU Botao1 1. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, College of Geosciences and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China; 2. Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area, Ministry of Education, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 3. Lanyan CBM Corporation of Jincheng Anthracite Mining Group, Jincheng 048204, China Abstract Except the geological factors, the deation and failure of seam floor are also controlled by mining factors. The influence of coal mining on stress-strain and permeability of seam floor in working face and its failure regularities were studied through theoretical analysis and the experiment. The research result shows that the per- meability of the rock with different lithology is a function of strain in the process of complete stress-strain. In the micro-fracture closure and elastic deation stage, the primary pores and cracks of rocks are easily com- pacted, it is obviously that rock permeability decreases with the increase of stress, when the stress intensity in- creases to the limit, the rock sample is destroyed and cracks through the sample are ed,, the rock permeability rapidly increases to the maximum. There are some differences between rocks with different lithology. With ad- vancement of working face, the seam floor rocks are divided into four areas horizontally, they are initial stress area, advanced stress compression area, direct damaged area of mining stress and stress recovery area of floor rock mass. Permeability of seam floor rock shows regular variation with the deation and failure of seam floor rock during coal mining. Key words coal mining; coal floor; deation and failure; permeability 煤炭开采过程中底板突水危险性受控于含水层 条件、隔水介质条件和导水通道条件。20 世纪 60 年 代，我国学者总结了大量突水案例，筛选出含水层水 压和隔水层厚度两个主要因子， 提出了突水系数的概 念， 建立了突水系数的经验公式并很快在全国推广使 用。 由于最先提出的突水系数法没有考虑矿压和水压 对底板破坏的影响，20 世纪 7080 年代，中煤科工 集团西安研究院水文所曾先后两次对突水系数的表 40 煤田地质与勘探 第 40 卷 达式进行了修改。 在考虑矿压和水压对底板隔水层破 坏影响时， 从隔水层厚度中减去了矿压和水压对底板 的破坏深度[1-2]，因此，准确确定煤炭开采过程中底 板岩体变形破坏深度对煤层底板突水危险性评价就 尤为重要。长期以来，国内外不少学者已开展了地质 因素和开采因素对煤层底板变形破坏及突水的影响， 并已进行了卓有成效的研究[3-10]。由于矿井地质条件 的复杂性和受地下观测条件的限制， 目前认识仍然有 限。 关于开采因素对底板岩体变形破坏的影响缺乏系 统的研究。 因此开展煤炭开采因素对煤层底板岩体变 形破坏和渗透性的影响研究， 对煤层底板岩层突水预 测与评价具有理论和实际意义[9-12]。 1 岩石全应力–应变–渗透规律 为了了解煤炭开采过程中变形破坏与渗透规 律， 采用 MTS 电液伺服控制实验系统对煤层底板岩 石样品进行全应力应变渗透试验研究。 试验表明， 不同岩性岩石全应力应变渗透曲线变化趋势近乎 一致[13-14]图 1。 不同岩性岩石全应力应变曲线在峰值强度之前 都呈现有一个微裂纹压密闭合阶段； 然后有一段较好 的线性段弹性变形阶段；进入裂纹扩展的非线性变 形阶段塑性变形阶段，达到峰值强度后，随着应变 值的增加，应力迅速降低，发生应变软化，同时伴随 体积膨胀扩容；直至达到一个残余强度值，因此， 由峰值强度至残余强度这一区段可以看作岩石由完 整发展到破碎的过程。 在全应力应变过程中岩石渗透率变化的总体规 律是在微裂隙闭合和弹性变形阶段，岩石体积被压 缩、岩石体积应变曲线降低、地震波速度增高；岩石 渗透率随应力的增大而略有降低或渗透率变化不大； 在岩石的弹性极限后，随着应力的增加，岩石进入裂 纹扩展阶段，岩石体积由压缩转为膨胀、岩石体积应 变曲线升高、地震波速度降低，岩石的渗透率先是缓 慢增加然后随着裂隙的扩展而急剧增大； 在岩石峰值 强度后的应变软化阶段岩石体积应变曲线急剧升高、 地震波速度急剧降低，岩石的渗透率达到极大值，然 后均急剧降低；在残余强度阶段，随应变的增加，岩 石体积应变、地震波速度和渗透率降低平缓图 1。 不同岩性的岩石试验表明岩石的渗透性在全应 力-应变过程中为应变的函数，在微裂隙闭合和弹性 变形阶段，岩石的原生孔隙和裂隙容易被压密，岩石 图 1 不同岩性岩石全应力–应变–渗透关系曲线图[13-14] Fig. 1 Relationship curve of the complete stress-strain-permeability from different rocks a*中粗砂岩，围压 6 MPa，孔压 2.8 MPa，压差ΔP1.5 MPa；b 中砂岩，围压 4 MPa，孔压 3.8 MPa，压差ΔP 1.5 MPa； c细砂岩，围压 4 MPa，孔压 3.8 MPa，压差ΔP1.5 MPa；d 泥岩，围压 4 MPa，孔压 3.8 MPa，压差ΔP 1.5 MPa *孟召平等. 矿井突水的危险性评价理论与方法. 国家重点基础研究发展计划973 计划课题2007CB209405阶段研究报告，2008. 第 2 期 孟召平等 煤炭开采对煤层底板变形破坏及渗透性的影响 41 的渗透率随应力的增加由大变小明显，当应力增大 至极限强度时岩石试件破坏形成贯穿裂隙，岩石的 渗透率迅速增大至最大渗透率 kmax，不同岩性岩石 存在一定差异性。 李世平等对殷庄 16 个砂岩试样进行了全应力 应变过程的渗透试验[15]，研究表明，岩石渗透率在 全应力应变过程都是应变的函数， 并归纳出 3 种类 型图 2， 即 a 型的最大渗透率 kmax出现在塑性流动 阶段，发生频率为 4/16；b 型的 kmax发生在应变软 化阶段，发生频率为 11/16；c 型的 kmax与应力峰值 max重合，发生频率仅为 1/16。 岩石应力应变过程中最大渗透率 kmax主要发 生在岩石的应变软化阶段，说明岩石的破坏并非与 渗透率极大值同步，只有岩石破坏后变形的进一步 发展，才会导致峰值渗透的到来。因此，防止岩 石破坏与控制岩石破坏后应变软化阶段变形的进 一步发展，在防治煤矿顶底板岩层突水上是同等 重要的。 图 2 典型的全应力–应变–渗透关系曲线类型[15] Fig. 2 Relationship curve s of the typical complete stress-strain-permeability 根据岩石全应力应变渗透试验，将岩石变形 破坏过程划分为 6 个阶段图 3，即微裂隙闭合阶段 OA、弹性变形阶段AB、裂隙发生和扩展阶段 BC、裂隙不稳定发展直到破裂阶段CD、应变软化 阶段DE和残余强度阶段EF。岩石全应力应变过 程中最大渗透率 kmax发生在岩石的应变软化阶段。 图 3 岩石全应力–应变–渗透过程曲线变化图 Fig. 3 Relationship curve of the complete stress-strain-permeability 2 煤炭开采底板岩体变形破坏特征及渗透规律 为了了解煤炭开采对煤层底板变形破坏的影响， 应用 FLAC3D数值模拟软件，对不同回采工作面长度 进行了开采模拟计算。 地质模型以开滦范各庄井田南 四采区二水平 12 号煤层为对象图 4，12 号煤层埋 深 280510 m， 煤层厚度平均约为 6 m， 倾角为 83。 取模型的长Y 方向、宽X 方向、高Z 方向分别为 600 m、500 m、300 m。地质模型岩性由上至下依次 为细砂岩、粉砂岩、12号煤层、泥岩、砂岩、粉砂岩 和奥陶系石灰岩， 模拟采用 Coulomb-Mohr力学模型， 模型计算中各层所采用的岩石力学参数根据试验获 得，在模拟开采过程中，是在初始应力场的基础上采 用全部垮落法采煤， 在回采空间的覆岩重量作为附加 应力分布在煤层和其两侧回采工作面边缘。 图 4 范各庄井田南 4 号地质剖面图 Fig. 4 No.4 south geologic section in Fangezhuang mining field 模拟结果表明，随着煤层开采，煤层底板岩层中 垂直应力分布明显地表现为工作面前方出现支承应 力区，包括应力升高区、应力峰值区和应力降低至原 岩应力区。 在工作面前方 8090 m 煤层底板压力开始 缓慢递增，在工作面前方 4050 m 压力明显增加，由 原岩应力区过渡到支承应力区， 最大支承应力位于回 采工作面前方煤体 510 m范围内， 为原始压力的 23 倍。 在超前压力压缩区内煤层底板岩体承受着工作面 顶板支承压力带来的超前压缩，呈现整体受压状态。 在深度方向上随着深度增加， 底板岩体对应力传递呈 42 煤田地质与勘探 第 40 卷 现衰减作用。 在超前压力压缩区内底板岩体类似横弯 褶皱作用。靠近煤层底板岩体受水平压缩，而下部岩 体受水平拉伸， 其下部岩体由于水平拉伸而易产生张 裂隙，并沿原生节理、裂隙发展扩大。 在回采工作面及后方采空区煤层底板岩体处 于一个比原岩应力低的卸载区， 为采动矿压直接破坏 区，而且在回采工作面推过一定时间后，这个卸载区 仍能较稳定地长期保存下来。 采空区下方由于卸压而 处于膨胀状态，底板破坏。 在工作面后方 25 m 以远， 随采空区压力的增加， 煤层底板岩体又开始压缩。 在工作面后方覆岩活动稳 定后，由于采空区后方压力的恢复，采空区下方岩体 产生压缩变形。随着工作面开采滞后距的增加，采空 区压力逐渐增大， 采动矿压直接破坏带内的底板岩体 逐渐地接近原岩应力状态，但不能完全恢复。 随着工作面长度的增大在工作面前方煤层底板 岩体中垂直应力也逐渐增大。 从工作面长度 60240 m 的 10 种模型中，工作面前方最大支承应力依次分别 为14.1 MPa、16.5 MPa、18.7 MPa、20.1 MPa、 20.8 MPa、21.3 MPa、22 MPa、22.7 MPa、23.9 MPa、25.1 MPa图 5。随着工作面长度的增加，在 回采空间范围内，煤层底板岩体垂直应力逐渐减小。 在工作面后方，由于采空区后方压力的恢复，随着工 作面长度的增加，开采滞后距的增加，煤层底板岩体 中垂直应力也逐渐增大图 5。 图 5 不同长度工作面底板垂直应力 Fig. 5 Vertical stress in coal floor under different working face length 随着工作面长度的加大， 回采空间下方底板岩体 位移增加越大图 6。当工作面推进到 100 m 时，不 同工作面长度 10 种模型底板岩层发生明显位移的深 度分别为 6.5 m、14.2 m、18.7 m、20.3 m、20.9 m、 21.4 m、22.1 m、23.8 m、26.5 m 和 31.6 m。煤层底 板岩体破坏区形态如图 7 所示。 根据数值模拟结果，并结合生产实际情况可知， 在采动过程中，从开切眼到工作面老顶初次来压，以 及正常回采时老顶的周期来压， 工作面的压力显现以 及顶底板的活动规律大体相同。 随着回采工作面的推 进，老顶初次来压后，老顶岩层中所形成的力学结构 将始终经历“稳定失稳再稳定”的变化，能量则为 “聚集释放聚集”的发展变化过程。 图 6 不同长度工作面底板垂直位移 Fig. 6 Vertical displacement in coal floor under different working face length 图 7 工作面长度为 200 m 时煤层底板破坏区分布图 深色为弹性区，其他为塑性破坏区 Fig. 7 Failure zone distribution of coal floor with working face of 200 m long 煤层顶板岩层在纵向上采空空间上方岩层自上 而下形成三带弯曲下沉带Ⅰ、裂隙带Ⅱ 和冒落 带Ⅲ。由于采动影响使采场周围岩体应力重新分 布，在横向上划分为 4 个区原岩应力区a-b、支承 压力区b-c、 卸载压力区c-d和应力恢复区d-e图 8。 图 8 煤炭开采顶板岩层变形破坏分布图 Fig. 8 Distribution of deation and failure in seam roof strata during coal mining A 原岩应力区a–b；B 支承压力区b–c； C 卸载压力区c–d；D 应力恢复区d–e 由于采动影响使采场周围岩体应力重新分布， 相 应地随着回采工作面推进，由于采动卸压，煤层底板 岩体应力的急剧释放， 从而引起工作面底板岩体发生 破坏，这一破坏带是由采动矿压直接引起的，故称为 采动矿压破坏带I 带[16-17]。根据煤层底板岩体受采 第 2 期 孟召平等 煤炭开采对煤层底板变形破坏及渗透性的影响 43 动影响的特点，在横向上同样可以划分为 4 个区，即 原岩应力区、超前压力压缩区、采动矿压直接破坏区 和底板岩体应力恢复区图 9。 图 9 煤炭开采煤层底板变形破坏的分区图 Fig. 9 Zonation of deation and failure in seam floor during coal mining ⅠA 原岩应力区；ⅠB 超前压力压缩区； ⅠC 采动矿压直接破坏区；ⅠD 底板岩体应力恢复区 原岩应力区IA区，该区内的底板岩体没有受到 采动的影响，为原岩应力状态；超前压力压缩区IB 区，该区位于工作面前方，该区内底板岩体受采前 超前支承压力作用而产生压缩变形； 采动矿压直接破 坏区IC区，该区内的底板岩体因采后卸压膨胀，表 明底板岩体已经破坏；底板岩体应力恢复区ID区， 该区内由垮落岩体作用， 底板岩体应力状态又逐渐恢 复到接近原岩应力状态。 随着工作面推进， 煤层底板岩体中的每一点都将 经历压缩膨胀重新压缩的变形过程。随深度的增 加，底板受采动影响的压缩和膨胀程度逐渐减小。 随着工作面的推进， 回采工作面前方的支承压力 区和工作面卸载压力区和工作面后方的应力恢复区 “三区”在工作面开采过程中交替出现。且在底板岩 体中的这种变形处于由压缩–膨胀–重新压缩的交替 运动中，直到工作面结束。 在煤炭开采过程中 IA区中底板岩体处于原岩应 力状态，一般是处于弹性应力状态，且渗透率一般较 低。当底板岩体由 IA区进入 IB区后，在工作面前方 超前支承压力的作用下，其应力也逐渐增加，渗透率 一般随着应力增加而减小， 渗透率下降的大小取决于 岩性及应力增量。 当底板岩体由 IB区过渡到 IC区后， 底板岩体因采后卸压膨胀，底板岩体受到破坏，采动 岩体结构因采后卸压发生了较大的变化， 其渗透率相 应增大，一般最大渗透率就出现在该区。ID区内的底 板岩体在采空区压力作用下其应力又逐渐增加， 并逐 渐恢复并接近原岩应力状态。 这表明该区内的底板岩 体在经过 IC区的破坏后又恢复，底板岩体重新压实， 故其渗透率减小。 3 结 论 a. 不同岩性岩石的渗透性在全应力–应变过程 中为应变的函数，在微裂隙闭合和弹性变形阶段，岩 石的原生孔隙和裂隙容易被压密， 岩石的渗透率随应 力的增加由大变小明显， 当应力增大至极限强度时岩 石试件破坏形成贯穿裂隙， 岩石的渗透率迅速增大至 最大渗透率，不同岩性岩石存在一定差异性。 b. 随着回采工作面推进，煤层底板岩层与顶板 一样， 在横向上划分为原岩应力区、 超前压力压缩区、 采动矿压直接破坏区和底板岩体应力恢复区 4 个区。 煤层底板岩体的渗透性随着煤炭开采底板岩体变形 破坏而呈规律性变化。 c. 煤层顶底板岩层的变形破坏与开采空间的范 围和本身的力学性质有关， 要控制煤层底板岩层变形 破坏，设法减轻老顶岩层作用在煤体上的集中载荷， 缩小采空区卸载范围。 参考文献 [1] 张金才， 张玉卓， 刘天泉. 岩体渗流与煤层底板突水[M]. 北京 地质出版社，1997. 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