王云平　趙德深

摘要：運(yùn)用有限元軟件（ADINA）建立二維模型，模擬分析滲流和采動(dòng)作用下4種不同覆巖結(jié)構(gòu)的破壞場(chǎng)和孔隙水壓力分布特征。結(jié)果顯示：巖性結(jié)構(gòu)影響覆巖端部破壞規(guī)律，當(dāng)上硬下軟時(shí)，裂縫帶范圍以最下位巖層斷裂線為界向采空區(qū)外側(cè)擴(kuò)展；當(dāng)上軟下硬時(shí)，以最下位巖層斷裂線為界向采空區(qū)內(nèi)側(cè)方向擴(kuò)展。硬巖交替型結(jié)構(gòu)，裂隙帶的側(cè)邊界則是內(nèi)外交叉發(fā)展；巖性越硬相應(yīng)導(dǎo)水裂隙帶的高度越高。在其他條件相同時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶的高度由大到小的順序?yàn)椋簣?jiān)硬-堅(jiān)硬型、軟弱-堅(jiān)硬型、堅(jiān)硬-軟弱型和硬軟交替型。

關(guān)鍵詞：覆巖結(jié)構(gòu)；破壞場(chǎng)；孔隙水壓力；巖性結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2016）01-0085-06

0 引言

我國(guó)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?lèi)偅?011）。對(duì)于富水覆巖工作面來(lái)說(shuō)，煤層開(kāi)采時(shí)將導(dǎo)致覆巖斷裂和彎曲，使巖層產(chǎn)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(dǎo)水裂隙帶溝通，富水域水體則會(huì)涌入或潰入井下，形成礦井水災(zāi)害（袁景，2005）。因此，煤層開(kāi)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(wèn)題（于水，2012；牛學(xué)軍，2009；代長(zhǎng)青，楊本水，2009）。研究滲流作用下不同采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)的破壞場(chǎng)和孔隙水壓力的變化規(guī)律，有助于研究采場(chǎng)頂板導(dǎo)水通道分布規(guī)律，對(duì)采場(chǎng)頂板透水預(yù)測(cè)以及如何實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)對(duì)于導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)和高度的發(fā)育具有控制作用，是主導(dǎo)因素。由于煤層的沉積條件、漫長(zhǎng)的地質(zhì)沉積及地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)有堅(jiān)硬-堅(jiān)硬型、軟弱-堅(jiān)硬型、堅(jiān)硬-軟弱型、硬軟交替型等。對(duì)這4種典型覆巖巖性結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬研究時(shí)，為了減少開(kāi)采深度、采厚、煤層傾角、地表水深等因素對(duì)不同覆巖力學(xué)模型的影響，將上述條件統(tǒng)一為開(kāi)采深度H=733m，煤層采出厚度M=9m，傾向長(zhǎng)度L=120m，走向長(zhǎng)度D=1200m，煤層傾角α=7°，地表水庫(kù)水深按最大水深計(jì)5.58m。

1.2 不同覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)的選擇

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》（國(guó)家煤炭工業(yè)局，2000），按覆巖單向抗壓強(qiáng)度（σ_t，單位MPa）將覆巖巖性劃分為4類(lèi)，即：40≤σ_t≤80的巖層為堅(jiān)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(jié)合《巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)》（水利水電科學(xué)研究院等，1991）和《構(gòu)造地質(zhì)力學(xué)》（謝仁海等，2007），挑選不同覆巖的力學(xué)參數(shù)，參照全應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)和《地下水文學(xué)原理》（余鐘波，黃勇，2008），挑選不同覆巖的水力學(xué)參數(shù)。

2 數(shù)值模型的建立

開(kāi)采深度H=733m，采厚M=9m，工作面走向長(zhǎng)度D=795m，煤層傾角α=7°，地表水庫(kù)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(qū)。最終不同覆巖結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型的尺寸統(tǒng)一為：Y×Z=1355m×802m，Y為走向，Z為深度方向。每次推進(jìn)15m，共模擬15組巖層、1層煤層、1層地表水、17個(gè)單元組、5994單元、6234節(jié)點(diǎn)。其中力學(xué)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(shè)置為不透水邊界，水庫(kù)表面為自由面。圖1為計(jì)算模型示意圖。

3 模型分析

3.1 破壞場(chǎng)分析

忽略模型左上角和右上角兩側(cè)的第一主拉應(yīng)力破壞區(qū)，將采空區(qū)上方相互貫通的主拉應(yīng)力破壞區(qū)視為導(dǎo)水裂隙帶。圖2、圖3分別表示工作面推進(jìn)135m、405m時(shí)不同覆巖模型第一主應(yīng)力場(chǎng)的模擬結(jié)果。從中可以看出導(dǎo)水裂隙帶的形態(tài)隨著工作面的不同推進(jìn)距離在不斷變化，其側(cè)邊界縱向發(fā)展趨勢(shì)和最終形態(tài)與上覆巖層的巖性有較大的關(guān)系。在軟弱-堅(jiān)硬型結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)水裂隙帶的側(cè)邊界以最下位巖層斷裂線為起點(diǎn)向上向采空區(qū)外側(cè)（煤柱側(cè)）擴(kuò)展，而堅(jiān)硬-軟弱型覆巖結(jié)構(gòu)的導(dǎo)水裂隙帶側(cè)邊界是以最下位巖層斷裂線為起點(diǎn)向上向采空區(qū)內(nèi)側(cè)擴(kuò)展，在硬軟交替的覆巖結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)水裂隙帶的沿縱向發(fā)展趨勢(shì)則是向采空區(qū)的內(nèi)外側(cè)交叉發(fā)展。

（1）當(dāng)開(kāi)挖工作面推進(jìn)135m時(shí)，最大主應(yīng)力應(yīng)力場(chǎng)的分布如圖2所示：在采空區(qū)前后方均出現(xiàn)了“耳朵狀”的高主應(yīng)力區(qū)域，但導(dǎo)水裂隙帶的形態(tài)和上覆巖層的巖性有很大的關(guān)系，在堅(jiān)硬-堅(jiān)硬型結(jié)構(gòu)、軟弱-堅(jiān)硬型結(jié)構(gòu)和堅(jiān)硬-軟弱型結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了兩頭高，中間低的“鞍型”破壞形態(tài)，并且導(dǎo)水裂隙帶在工作面開(kāi)切眼一側(cè)的發(fā)育高度比推進(jìn)一側(cè)的發(fā)育高度大，這在堅(jiān)硬-軟弱型結(jié)構(gòu)中尤其明顯。在硬軟交替覆巖結(jié)構(gòu)中，覆巖破壞區(qū)域出現(xiàn)不連續(xù)情況，在第一硬巖層頂和第二軟巖層交界面出現(xiàn)主壓力區(qū)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(dǎo)致的。導(dǎo)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(jiān)硬一堅(jiān)硬型結(jié)構(gòu)，其數(shù)值為36m，而最小的為硬軟交替結(jié)構(gòu)，其數(shù)值為26m。

（2）當(dāng)開(kāi)挖工作面推進(jìn)405m時(shí)，最大主應(yīng)力應(yīng)力場(chǎng)的分布如圖3所示：導(dǎo)水裂隙帶的側(cè)邊界向采空區(qū)的上方的發(fā)展趨勢(shì)因上覆巖性的不同而有所不同，軟弱-堅(jiān)硬型覆巖結(jié)構(gòu)和堅(jiān)硬-堅(jiān)硬型覆巖結(jié)構(gòu)是以最下位巖層斷裂線為起點(diǎn)向上向煤柱側(cè)擴(kuò)展，堅(jiān)硬-軟弱型覆巖結(jié)構(gòu)中導(dǎo)水裂隙帶的側(cè)邊界是以最下位巖層斷裂線為起點(diǎn)向上向采空區(qū)內(nèi)側(cè)擴(kuò)展，而硬軟交替的覆巖結(jié)構(gòu)則是向采空區(qū)的內(nèi)外側(cè)交叉發(fā)展。另外，堅(jiān)硬-堅(jiān)硬型的“馬鞍形”破壞形態(tài)沒(méi)有其他覆巖結(jié)構(gòu)明顯。

（3）模擬開(kāi)挖結(jié)束后，導(dǎo)水裂隙帶高度因其上覆巖層性不同而存在差異，覆巖強(qiáng)度越大則導(dǎo)水裂隙帶高度越大，導(dǎo)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(qiáng)度越大導(dǎo)水裂隙帶的高度越大，導(dǎo)水裂隙帶的高度依次為：堅(jiān)硬-堅(jiān)硬型為196m、軟弱-堅(jiān)硬型為180m、堅(jiān)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(shí)，硬軟交替的覆巖結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(chǎn)生裂隙（即使產(chǎn)生后裂隙也容易閉合），從而對(duì)裂隙的發(fā)展起到了抑制作用。

通過(guò)上述分析可知，在工作面的不同推進(jìn)過(guò)程中導(dǎo)水裂隙帶的形態(tài)、側(cè)邊界的發(fā)展趨勢(shì)和高度都因上覆巖性的不同而有所不同：

（1）巖性結(jié)構(gòu)影響覆巖端部破壞規(guī)律，當(dāng)為堅(jiān)硬一軟弱型結(jié)構(gòu)時(shí)，裂隙帶范圍就以最下位巖層斷裂線為界向采空區(qū)外側(cè)擴(kuò)展；當(dāng)軟弱一堅(jiān)硬型時(shí)，以最下位巖層斷裂線為界向采空區(qū)內(nèi)側(cè)方向擴(kuò)展。

（2）覆巖巖性越硬，導(dǎo)水裂隙帶高度越高。導(dǎo)水裂隙帶的高度由大到小的順序?yàn)椋簣?jiān)硬-堅(jiān)硬型結(jié)構(gòu)、軟弱-堅(jiān)硬型結(jié)構(gòu)、堅(jiān)硬-軟弱型結(jié)構(gòu)、硬軟交替型結(jié)構(gòu)。

（3）導(dǎo)水裂隙帶的形態(tài)隨著工作面的不斷推進(jìn)在不斷變化。如堅(jiān)硬一軟弱型結(jié)構(gòu)開(kāi)始時(shí)其形態(tài)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(shí)，回采擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致巖層和土層的隔水性受到不同程度的破壞。受采動(dòng)影響的程度，與采動(dòng)引起的巖層變形性質(zhì)和巖層本身性質(zhì)有關(guān)。如巖層和土層處于拉伸變形狀態(tài)，同時(shí)拉伸變形達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，巖層和土層會(huì)發(fā)生垂直和水平方向的張開(kāi)裂縫。如果這些裂縫能夠形成一個(gè)彼此連接的通道，則巖層和土層的隔水性會(huì)遭到破壞。同時(shí)在采動(dòng)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?，改變了裂隙巖體的本構(gòu)特征，進(jìn)而影響其變形。巖體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與孔隙水壓力的大小變化和梯度分布有直接影響。

（1）當(dāng)開(kāi)挖工作面推進(jìn)135m時(shí)，孔隙水壓力的分布如圖4所示：在采空區(qū)上方覆巖均出現(xiàn)了孔隙水壓力增大區(qū)域，根據(jù)Terzaghi的有效應(yīng)力定律和飽水巖體爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，該區(qū)域的孔隙水壓力升高越多，其強(qiáng)度降低就越多，越容易形成破壞區(qū)。但由于上覆巖層巖性的不同，出現(xiàn)孔隙水壓力增大區(qū)域的高度是不同的，如堅(jiān)硬一堅(jiān)硬型結(jié)構(gòu)孔隙水壓力增大區(qū)域是在工作面頂板上方31～70m范圍內(nèi)，而軟弱-堅(jiān)硬型孔隙水壓力增大區(qū)域是在工作面頂板上方的21～46m，這與工作面推進(jìn)135m時(shí)堅(jiān)硬-堅(jiān)硬型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)水裂隙帶高度為36m、軟弱-軟弱型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)水裂隙的高度為26m是相符的。

（2）當(dāng)開(kāi)挖工作面推進(jìn)405m時(shí)，孔隙水壓力的分布如圖5所示：隨著煤層向前推進(jìn)，回采擾動(dòng)影響加劇，采空區(qū)上方高孔隙水壓力區(qū)域的高度相對(duì)于工作面推進(jìn)135m時(shí)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(jiān)硬型為15.83MPa、硬軟交替型為14.48MPa、堅(jiān)硬-軟弱型為13.27MPa、堅(jiān)硬一堅(jiān)硬型為9.0MPa。

（3）模擬開(kāi)挖結(jié)束后，上覆巖層高孔隙水壓力區(qū)域發(fā)生新的變化，如堅(jiān)硬一堅(jiān)硬型結(jié)構(gòu)的高孔隙水壓力區(qū)域在工作面上方的208.2m、軟弱-堅(jiān)硬型結(jié)構(gòu)為196m、這與模擬結(jié)束時(shí)堅(jiān)硬-堅(jiān)硬型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)水裂隙帶高度為196m、軟弱-堅(jiān)硬型結(jié)構(gòu)為180m是相符的，這說(shuō)明在高孔隙水壓力區(qū)域容易形成滲透性增加帶，形成覆巖破壞。

通過(guò)上述分析可知，由于采空區(qū)的開(kāi)挖，工作面和開(kāi)切眼附近出現(xiàn)的高孔隙水壓力區(qū)導(dǎo)致了該部分區(qū)域的有效應(yīng)力降低，使得該部分覆巖強(qiáng)度降低，容易形成滲透性增加帶和覆巖破壞區(qū)。但在采空區(qū)上方出現(xiàn)的高孔隙水壓力區(qū)域離采空區(qū)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(qū)域離采空區(qū)的高度從大到小依次為：堅(jiān)硬-堅(jiān)硬型結(jié)構(gòu)、軟弱-堅(jiān)硬型結(jié)構(gòu)、堅(jiān)硬-軟弱型結(jié)構(gòu)、硬軟交替型結(jié)構(gòu)，這與不同覆巖結(jié)構(gòu)的導(dǎo)水裂隙帶的高度是相符的。

4 結(jié)論與討論

本文通過(guò)二維模型分析了4種不同覆巖結(jié)構(gòu)的破壞場(chǎng)和孔隙水壓力分布規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）巖性結(jié)構(gòu)影響覆巖端部破壞規(guī)律。當(dāng)結(jié)構(gòu)為堅(jiān)硬-軟弱型時(shí)，裂縫帶范圍以最下位巖層斷裂線為界向采空區(qū)外側(cè)擴(kuò)展；當(dāng)結(jié)構(gòu)為軟弱-堅(jiān)硬型時(shí)，以最下位巖層斷裂線為界向采空區(qū)內(nèi)側(cè)方向擴(kuò)展；當(dāng)為硬軟交替型結(jié)構(gòu)時(shí)，裂隙帶的側(cè)邊界則是內(nèi)外交叉發(fā)展。

（2）覆巖巖性越硬，相應(yīng)的導(dǎo)水裂隙帶的高度越高。在其他條件相同時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶的高度由大到小的順序?yàn)椋簣?jiān)硬-堅(jiān)硬型結(jié)構(gòu)、軟弱-堅(jiān)硬型結(jié)構(gòu)、堅(jiān)硬-軟弱型結(jié)構(gòu)、硬軟交替型結(jié)構(gòu)。

（3）隨著回采面向前的推進(jìn)，高孔隙水壓力的區(qū)域不斷擴(kuò)大，其數(shù)值也逐漸增加，工作面頂板滲透性增強(qiáng)帶在不斷擴(kuò)大。不同覆巖結(jié)構(gòu)的高孔隙水壓力區(qū)域是不同的，其范圍與相應(yīng)覆巖結(jié)構(gòu)的導(dǎo)水裂隙帶范圍基本相符。