采动过程中底板岩层变形破坏与损伤机理分析.

1、采动过程中底板岩层变形破坏与损伤机理分析     赵启峰，孟祥瑞，刘庆林    摘要：底板岩层在采动过程中的变形破坏取决于底板的应力场和原生缺陷分布。为了研究底板岩层破坏的细观机理，描述底板岩层的裂隙演化，在分析煤层底板应力环境的根底上，基于岩石工程破坏准那么，采用连续介质损伤力学和几何损伤理论的研究方法将损伤、渗流及孔隙率演化等相互耦合的有效应力概念引入莫尔库仑(Mohr-Coulomb)破坏准那么，建立了煤层底板脆性裂隙岩体介质在孔隙水压力作用下受采动影响的脆性动力损伤开展和孔隙率演变模型。并应用该模型对谢桥矿

2、8#煤层开采过程中的底板变形破坏特征和裂隙水的迁移活动规律进行了脆性动力损伤分析。该损伤力学模型可用于煤层底板稳定性分析。    关键词：底板破坏机理；裂隙岩体；岩石脆性动力损伤突变；损伤机理；损伤演化    几十年来，国内外许多学者对矿井底板岩层应力分布及变形破坏特征进行了一些有益探索，取得了大量的研究成果。“零位破坏与原位张裂、“关键层、“下三带等理论学说，都从各个方面揭示了底板岩层应力分布及变形破坏特征的机理，对于矿井平安生产起到了积极的指导作用。    运用岩移观测资

3、料判断底板岩层的破坏，分析底板岩层的破坏机理，必须研究如下两个问题：(1)开采过程中煤层底板岩层的应力场；(2)底板岩层原生缺陷的损伤演化。底板岩层破坏一方面受开采条件的影响，如采深、煤层厚度及工作面斜长等，这些条件决定了底板岩层的应力场；另一方面又取决于底板岩层的初始损伤，底板岩层的破坏往往表现为原有裂隙的扩展和连通，从而使岩层渗透性增大，降低其隔水能力，因此，对开采过程造成底板裂隙岩层的损伤演化进行评价就显得特别重要。本文在前人的根底上，运用损伤力学的研究方法，以谢桥矿8#煤层和6#煤层联合开采为工程背景，对8#煤层开采过程中底板裂隙岩层在裂隙水压力作用下的损伤演化进行定量描述，对采动过程

4、中底板岩层应力分布和变形破坏规律作进一步的探索。并在此根底上，依据谢桥矿的现场生产条件，采用所建立的损伤力学模型进行煤层底板稳定性分析。    1 谢桥矿8#、6#煤层联合开采概况    淮南矿业集团谢桥煤矿位于淮南复向斜中部。陈桥背斜的南翼、谢桥向斜的北翼。总体上呈一走向近东西、向南倾斜的单斜构造。区内二迭系山西组及上、下石盒子组，共含煤层3l层，总厚，其中可采煤层11层。稳定可采的为6#煤层和8#煤层。    6#煤层：厚度0，平均。上距8#煤层16.1，平均间距为。大部

5、可采，煤层结构较简单，局部含炭质泥岩夹矸12层。    8#煤层：厚度1.19，平均。煤层结构简单，局部含炭质泥岩夹矸一层。13118工作面为该煤层首采工作面，走向长1551m，倾向长，煤层平均倾角12o，平均煤厚。该面采用单一走向长壁、后退式综合机械化采煤方法，沿8#煤层底板推进，一次采全高。    2 采动过程中底板岩层的破坏机理和破坏深度确实定    采动过程中底板岩层的破坏机理的认识和破坏深度确实定，对于采场平安性评价具有重要意义，受到人们的普遍重视，也是现场实际观测

6、和理论探讨的主要内容。    2.1 采动过程中底板岩层应力分布规律    在煤体与采空区交界地区，采动引起的底板岩层应力在水平方向上划分为4个特征区，即原岩应力区、压缩区、膨胀区和应力恢复区。底板岩层在垂直方向上划分为4带，即：矿压破坏带、新增损伤带、原始损伤带、原始导高带。如图1所示。    (1)工作面前前方底板的应力分布。由于煤层开采，上覆岩层荷载转移到工作面前方煤体和已压实的冒落矸石上，形成支承压力峰值区域。煤壁前方底板岩体处于压缩状态，表现为压缩位移，而工作面前方

7、采空区底板岩体处于卸压区，表现为膨胀位移。在压缩区与膨胀区的交界处，底板岩体容易剪切变形而发生剪切破坏。在正常推进过程中，煤层底板岩层具有采前应力(位移)升高(减小)，采后应力(位移)降低(增大)及恢复3个阶段，随工作面推进而重复出现。        图1 底板岩层应力分布区域    (2)工作面两侧底板的应力分布。在煤层倾角不大的情况下，工作面两侧底板应力分布状态根本相同。支承压力通过煤体向底板传递，其底板应力值随着远离开采层而递减。   &#

8、160;(3)煤柱区底板的位移特征。煤层开采之后。位于煤柱区的底板发生移动，底板岩体受支承压力的作用被压缩产生垂直向下的位移，由于受压缩底板岩体将向采空区方向延深而产生水平移动。    (4)切眼处底板的位移特征。随着工作面的开采，位于切眼附近的底板岩体应力总是小于原岩应力，即在切眼附近的底板岩层长期处于膨胀、卸压状态。长期处于膨胀状态的底板最易产生张裂隙，故切眼处的底板产生的采动裂隙较多，带压开采工作面最易在此部位发生突水。    2.2 底板岩层破坏深度确实定    采场

9、底板破坏深度是矿山压力控制理论研究的主要内容之一，它对研究煤层底板稳定性具有十分重要的意义。目前，国内外常用的底板破坏深度的研究方法已有很多种，本文运用弹塑性力学方法结合莫尔库仑(Mohr-Coulomb)强度理论，根据现场实测数据，计算谢桥矿8#煤层底板岩体受采动影响的最大破坏深度，从实践的角度提出了矿压对采场底板岩层破坏深度的新认识。    工作面底板下一定范围内的岩体，当作用在其上的支承压力到达或超过其临界值时，岩体中将产生塑性变形，形成塑性区；当支承压力到达导致局部岩体完全破坏的最大载荷时，支承压力作用区域周围的岩体塑性区将连成一片，已发生塑性变

10、形的岩体向采空区内移动，并形成一个连续的滑移面。根据魏西克(A.S.Vesic)提出的塑性滑移时，岩土层极限承载力的综合计算公式，结合莫尔库仑破坏准那么，可得到底板岩体的极限载荷，求出塑性区宽度(支承压力峰值垂直对应点至煤壁的距离)，从而得出极限支承压力条件下，应力集中导致的底板岩体最大破坏深度和采空区内底板破坏区沿水平方向的最大长度。计算过程如下：    塑性区宽度：        式中    a2倍的工作面控顶距，m； &

11、#160;  nm最大应力集中系数；    M煤壁边缘附近的极限应力，MPa；    c煤层底板岩层平均容重，kg/cm3；    H工作面距地表的垂直距离，cm2。    上式说明，采场边缘底板岩体塑性区宽度与工作面控顶距成正比，与岩层自身单轴抗压强度成反比关系。谢桥矿13118工作面现场观测数据：H=490m，最大控顶距为，M=12.44MPa，c=/cm3，nm=2.5，底板岩体内磨擦角=40o。将数值代入公式

12、(1)得：L'=    那么煤层底板岩体最大破坏深度h1：        煤层底板岩体最大破坏深度距工作面端部的水平距离1：        采空区内底板破坏区沿水平方向的最大长度2：        根据上述计算结果绘制出谢桥矿8#煤层底板破坏带的分布形态，如图2所示。   

13、0;    图2谢桥矿8#煤层底板破坏带形态图(理论计算结果)    3 煤层底板岩体损伤演化分析    在回采过程中，由于支承压力的作用，底板岩层从原岩状态过度到支承压力作用区，是一个变形逐渐增加的过程。随着变形的增加，岩体内原有裂隙被压密，新的裂隙又不断产生，这些裂隙的尖端，处于应力集中状态，在静水压力作用下，水不仅进入裂隙系内，而且还使隔水层内的裂隙产生扩张、延伸现象。显然，在采掘工作影响下静水压力越大，这种作用便越明显。因此底板岩体在支承压力与裂隙水压力的共同作用下是

14、一个逐渐损伤的过程。将包含上述相互作用的岩层损伤所造成的有效应力和由孔隙水所造成的有效粘聚力的概念引入修正的莫尔库仑破坏准那么以后，底板裂隙岩体受采动影响的特性参数的动力学效应便可通过动力损伤开展方程来描述。    3.1 底板岩体初始损伤的力学描述    底板岩体是一种缺陷体，在采动过程中出现的局部拉伸或剪切破坏，便可能导致裂纹群和孔隙率局部化初始损伤。初始损伤的力学描述是建立力学模型分析计算的根底。假定底板中的裂隙在煤层未开采前是密闭的，此时底板岩梁处于初始损伤状态(图3a)，采空区岩梁处于损伤状态(图3b)，

15、而损伤状态的岩梁可看成由虚构无损岩梁(图3c)和扩张裂隙(图3d)组成。        图3 损伤岩体模型    根据几何损伤理论可知，材料的损伤是由材料内部的微裂纹和微空隙造成的，即材料内部的微裂纹和微空隙导致有效承载面积减小、材料的承载能力降低，从而使材料的力学性能劣化。由图4知，底板岩梁损伤面积越大，有效承载面积就会越小，应力增加就越快，一旦底板岩梁断裂，中性层就下移，底板岩体内部的微裂纹和微空隙加深，并逐渐和扩张裂隙相连，随着开裂加深，损伤度也越来越大，底板中拉应力也

16、相应加大，底板岩梁上最大拉应力发生在离中性层最远处，即受损底板岩梁首先断裂部位为采空区暴露部位。也就是说，随着断裂速度增加，当断裂与裂隙扩张发育到一定程度时，会以突变的方式贯穿底板，形成导水通道，最终导致底板岩层隔水能力的丧失。        图4 损伤底板断裂    3.2 含有损伤裂隙及孔隙水的底板岩层损伤演变模型    为了描述孔隙率和渗透系数的动力学效应，必须在研究煤层底板岩层中裂隙水的迁移活动规律时开展一种岩层特性损伤演变的模

17、型。    (1)损伤变量确实定。要利用损伤理论对底板岩层的变形破坏特征进行分析，必须先定义损伤变量。从损伤力学的观点看，面积的折减率影响材料的特性，于是，损伤变量可用来定义由于孔隙率所造成的面积折减率。底板岩体介质的各向异性损伤特征可通过引入主值(1、2、3)或(1，2、1)来描述。由此，利用面积折减率(损伤)的概念，我们有        其中i为沿Xi方向的损伤变量；i为法线方向沿Xi的截面的面积折减率；     

18、0;  是由于孔隙率所造成的法线方向为Xi的截面积dxjdxk的折减面积。显然，损伤变量与孔隙率之间存在一种关系，这种关系可被定义为：        在各向同性情况下，1=2=3=，因此，        公式(3)(4)可用于损伤开展方程，描述孔隙率的演变。    (2)底板裂隙岩体介质孔隙率与损伤间的关系。在孔隙介质中引入孔隙水压力，岩层损伤所造成的有效应力和由孔隙水所造成的

19、有效粘聚力的关系如下：        其中，        是破坏面上的有效剪应力；c*是有效粘聚力；        是破坏面上的有效法向应力；是介质的内摩擦角。有效法向应力        应当由破坏面上的外荷载所引起的法向内力及孔隙水压力所引起的内力的和来确定。鉴于损伤变量与孔

20、隙率的面积折减率等效的概念，破坏面上的有效法向应力可通过损伤变量及孔隙水压力p表示为        通常，将有裂隙的孔隙介质作为损伤材料时，其有效粘聚力是与孔隙率及损伤变量有关的材料状态参数。孔隙水压力的影响可被假定为孔隙率的某种函数。于是，受孔隙水压力影响的底板隔水层介质的有效粘聚力c*被考虑为：        式中f(，p)被定义为孔压效应函数。对脆性材料，可假定损伤对材料的内摩擦角度没有影响，利用各向同性拉伸强度t与粘聚力c的关系

21、：        函数f(，p)可被重新表示为损伤岩石的有效拉伸强度与无损岩石的拉伸强度之比，即        式(9)中的函数f(，p)也是孔隙率和孔隙水压力对抗拉强度的某种影响函数，它可由在不同孔隙水压力条件下测量不同孔隙率材料的抗拉强度实验确定。于是，对含有损伤裂隙及孔隙水的底板脆性岩体，其修正后的失效破坏准那么可由式(5)(9)得到，如下：       

22、60;式中，eq被定义为破坏面上莫尔库仑等效应力：        大量研究说明，裂隙岩体的破坏往往具有时间效应。煤层底板的破坏机理是与底板岩层中损伤裂隙的增长和孔隙率的演化有关的，假设孔隙介质中任何点失效，该点邻域介质中的损伤开展和孔隙率演变便立刻开始，并且随着失效破坏程度的加重，损伤将增长和传播，造成底板岩体介质中孔隙率的增大和演变。于是可直接对式(10)关于时间求导数得：            

23、;    式中：为损伤开展率，        为孔隙水压力随时间的变化率。式(12)中的莫尔库仑等效应力的速率可表示为        式(10)和式(12)可描述裂隙岩体介质围岩应力、孔隙水压力、岩体损伤、孔隙率演变等对底板岩层强度劣化和介质的破坏失效条件局部突变的综合效应。    4 结语    (1)底板岩层在采动

24、过程中的破坏取决于底板的应力场和原生缺陷分布，底板岩层的损伤演化是应力场和底板原生缺陷共同作用的结果，其动力损伤是一个复杂的破坏失效过程，它包含了岩体断裂、裂隙围岩体介质变形、损伤效应、裂隙水压力变化、孔隙率演变等过程的耦合。    (2)煤层底板岩层不是一个完整的岩体，而是一个受到各种地质作用以后所形成的损伤体。底板岩体内己有的原生宏观、细观或微观的裂隙及其后期改造，如采掘、孔隙水压力、渗流及腐蚀等，是其强度减弱和失稳的先决条件。从某种意义上讲，煤层底板岩层变形破坏机理的研究，实际上是一个典型的岩体损伤断裂力学问题。   

25、 (3)正常开采底板岩层的变形破坏是一个细观层次上的力学问题，是原生缺陷(节理、裂隙等)扩展演化的结果，主要包括裂隙的扩展和裂隙间的贯穿。所以，底板岩体裂隙率的损伤演变应成为煤层开采平安性评价下一步重点研究的内容。    参考文献：    1关英斌，李海梅，金瞰昆煤层底板采动破坏特征的研究J煤矿平安，2003，34(2)：29-32    2王学文，李海梅，关英斌煤层底板采动过程中的应力、应变分析及研究J煤炭工程，2003(8)：50-51  &

26、#160; 3李兴高，高延法开采对底板岩体渗透性的影响J岩石力学与工程学报，2003，22(7)：1078-1082    4施龙青，韩进开采煤层底板“四带划分理论与实践J中国矿业大学学报，2005，34(1)：16-23    5尹尚先，王尚旭陷落柱影响采场围岩破坏和底板突水的数值模拟分析J煤炭学报，2003，28(3)：264-269    6王吉松，关英斌，鲍尚信，等相似材料模拟在研究煤层底板采动破坏规律中的应用J世界地质，2006，25(1)：86-90    7关英斌，李海梅，路军臣显德汪煤矿9号煤层底板破坏规律的研究J煤炭学报，2003，28(2)：121-125    8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