覆岩裂隙分布特征模拟实验与力学分析

覆岩裂隙分布特征模拟实验与力学分析

矿山突水通道主要为开采动裂缝。采动垂直断层裂缝的渗透性直接影响采动裂缝的导水性能。采场覆岩的破碎与岩石高度、岩石厚度、力学特征、破碎肿胀和岩石结构有关。对旧采区岩石屑带岩石结构的结构形状和稳定性进行了深入的研究。然而，对不同层位软岩屑带的岩石破碎过程、破裂程度以及岩石梯度变形角的关系研究较少。不同层位软岩的动态破碎过程，不仅直接影响到工作面的矿压表现和支架的压力损失，而且还影响到采空区裂缝的分布和采空区顶板的高度。然后影响采空区天花板区域的安全高效生产和水资源保护。本文基于采场覆岩裂隙带上位岩层破断特征的相似模拟结果,提出了采动覆岩破断裂隙导水程度的贯通度概念,建立了基于破断裂隙贯通度的覆岩结构力学模型,分析了覆岩破断裂隙贯通度的影响因素,为采场隔水关键层的判定和导水裂隙带高度的计算提供理论依据.1工作面断裂特征采用相似模拟的方法,以某矿工作面为工程背景,分析岩层采动导水裂隙发育区和易贯通区,研究采场顶板裂隙带上位岩层采动裂隙的发育程度及其与岩层厚度、回转角、岩性参数等的关系.工作面推进75m时亚关键层2初次破断(图1),但由于煤层偏薄,关键层破断的回转变形空间小,回转角为2.51°,导致关键层初次破断裂缝长度占其岩层厚度的1/2,呈现断续岩体结构特征,没有形成竖向“导水、导气”裂隙.工作面推进152.5m时老顶周期破断(图2),破断角为51°,老顶破断岩块长度平均19.82m.主关键层的切眼侧开始破断,切眼侧回转角为1.85°,由于岩层的回转变形空间小,破断裂缝未贯通整个岩层;煤壁侧为连续弯曲下沉,回转角为1.04°,未产生破断.采场覆岩裂隙带上位岩层的回转变形空间较小,由于岩层刚度和厚度的差异,薄岩层会完全破断,但坚硬厚岩层不完全破断,呈现断续岩体结构特征.随工作面的推进,未完全破断的坚硬厚岩层的张拉裂缝经历张开至闭合的动态过程.关键层的下沉曲线明显存在2个拐点(图3),岩层在此处的曲率大,弯曲产生的张拉应力使得岩层破断;且由于岩层破断触矸后对采空区矸石的压实作用,采空侧拐点的曲率明显小于煤壁侧.两拐点区域为采动导水裂隙的发育区,煤壁侧拐点的曲率最大,为采动覆岩导水裂隙的易贯通区.当煤壁侧岩层上部的张拉裂隙长度与岩层厚度比值小于一定值,破断面动态弯曲下沉至采空侧拐点时,虽然岩层下部由压应力转变为拉应力,但弯曲拉应力小于岩石的抗拉强度,则破断裂隙整体闭合,岩层起到“隔水、阻气”的作用.由于亚关键层至煤层的距离小于主关键层,其下自由空间大于主关键层,导致亚关键层的破断程度大于主关键层.2破断裂隙贯通度的概念根据采场覆岩裂隙带上位岩层的破断特征,当有一坚硬厚岩层在采空区弯曲下沉、而未完全破断,则该岩层的破断裂隙未贯通,导水能力弱.为了描述岩层(组)的破断程度及破断裂隙导水能力的强弱,引入破断裂隙贯通度的概念.当岩层(组)的破断裂隙长度为零时,对应的贯通度为零;而当岩层(组)完全破断时,对应的贯通度为1.即Di=aihi,(1)Di=aihi,(1)式中:Di为第i层老顶岩层(组)破断裂隙的贯通度;hi为岩层(组)的厚度,m;ai为破断裂隙在层厚方向的长度,m.采动竖向破断裂隙贯通度的物理意义:当已知上覆岩层破断裂隙的贯通度时,可以确定采场导水裂隙带的高度,为隔水关键层的判定提供理论依据.3岩梁弯管角度和强度根据相似模拟实验结果和采动竖向裂隙贯通度的概念,建立基于破断裂隙贯通度的覆岩结构模型如图4.由于岩石水理性质的影响,岩层见水后岩石体积膨胀,可能导致原来的采动裂隙闭合;但在高渗透水压作用下,裂隙面岩石体积膨胀产生的堵水作用有限.同时,渗透水压对采动裂隙具有渗透冲刷作用,因此,为安全起见不考虑其堵水作用.以第i层老顶为研究对象,在采空区该岩层下的自由空间Si为ΔSi=m−hz(Kz−1)−∑0i−1hi(Ki−1),(2)ΔSi=m-hz(Κz-1)-∑0i-1hi(Κi-1),(2)式中:m为采高,m;hz为直接顶的厚度,m;Kz为直接顶的碎胀系数,依据实验和现场实测取1.33～1.5;hi为下位第i层老顶岩层厚度,m;Ki为下位第i层老顶岩层的碎胀系数,取1.15～1.33.第i层老顶岩层破断的回转角θi为θi=arcsinΔSiLi,(3)θi=arcsinΔSiLi,(3)式中Li为老顶岩层的周期破断步距,m,由采场矿压观测得到.同时,也可以通过现场钻孔观测岩层内部下沉位移,下沉曲线两拐点间线段的整体斜率所对应的倾角即为岩层破断的回转角.岩梁弯曲时,横截面上同时存在正应力和切应力;根据材料力学,梁的最大弯曲正应力远大于最大弯曲切应力.当老顶岩梁的弯曲达到一定值时,产生最大弯矩处对应的张拉应变达到岩石的极限拉应变,老顶岩梁将起裂,形成破断裂隙,即rphiρi0=εTi,(4)rphiρi0=εΤi,(4)式中:rp为塑性转动因子,反映了中性轴偏离形心的程度,可实验确定;ρi0为岩层起裂时曲率半径,m;εTi为第i层岩石的极限拉应变.岩层弯曲张拉破断过程中,其中性层随着岩层破断扩展而动态变化.断裂截面上中性轴的正应力为0,近似认为中性层不伸缩且断裂截面上应力呈直线分布(图5),取梁的宽度为单位长度,则断裂截面上的抗弯力矩Mi为Mi=∫(hi−ai)rp−(hi−ai)(1−rp)σTix2(hi−ai)rpdx=σTi(hi−ai)2(1−3rp+3r2p)3rp,(5)Μi=∫-(hi-ai)(1-rp)(hi-ai)rpσΤix2(hi-ai)rpdx=σΤi(hi-ai)2(1-3rp+3rp2)3rp,(5)式中σTi为第i层老顶岩层的岩石抗拉强度,Pa.梁在最大弯矩处的曲率半径ρi为ρi=EiIziMi,(6)ρi=EiΙziΜi,(6)式中:Ei为岩层的弹性模量;Izi=(hi−ai)312Ιzi=(hi-ai)312为岩层弯曲的惯性矩.老顶岩梁在断裂的过程中,裂纹尖端的张开位移一直处于临界值(图6),记为δci,从而由几何关系可得βi=δci(hi−ai)rp,(7)βi=δci(hi-ai)rp,(7)式中βi为岩层破断裂缝的张开角度.裂纹尖端的临界张开位移受控于岩层的极限拉伸应变等力学性能,岩层破断裂缝的张开角度(或张开度K)与岩层厚度有很大关系.岩层厚度不一样时,相同的裂缝张开角度对应不同的张拉应变.在岩层没有断裂之前,因岩重作用离层区岩层不同位置的弯矩有差异,根据岩梁的弯矩变形公式和前面实验结果可知βi<θi.由于岩层破断成块裂结构,断裂截面与完整岩层截面的弯曲刚度差异大,且随着破断裂缝扩展其差异增大,βi越接近于θi.近似认为θi=βi,有m−hz(Kz−1)−∑0i−1hi(Ki−1)=Lisinδci(hi−ai)rp.(8)m-hz(Κz-1)-∑0i-1hi(Κi-1)=Lisinδci(hi-ai)rp.(8)将式(1)变形为ai=Dihi并代入式(8)中,则第i老顶岩层破断裂隙的贯通度Di为Di=1−δcihirparcsinΔSiLi.(9)Di=1-δcihirparcsinΔSiLi.(9)当岩层破断裂隙的贯通度大于某一阀值Dλ时,岩层破断面的切应力可能超过其剪切强度,进而使得岩层完全破断.因此,只有当Di≤Dλ时,破断裂隙才不会导水;则从结构隔水的角度,导水裂隙发育高度为Hd=hz+∑0i−1hi.(10)Ηd=hz+∑0i-1hi.(10)4影响岩石断裂带的因素分析4.1自由空间对储层破断裂隙贯通度的影响下位岩层碎胀的充填程度直接决定了岩层破断的回转变形空间.取岩层厚度3.8m、周期破断距19.82m、裂纹尖端临界张开位移3mm和rp=0.46代入式(9)得自由空间对岩层破断裂隙贯通度的影响如图7a.其下自由空间越小,岩层变形的回转角和弯曲曲率越小,岩层破断裂隙的贯通度将越小.且存在自由空间阀值,自由空间小于其阀值时随自由空间的增大贯通度增加明显,而大于其阀值时则增加缓慢并趋于1.4.2岩性裂纹端面临界开裂位移和强度影响岩层破断裂隙贯通度的力学性质主要有岩石的极限张拉应变、裂纹尖端临界张开位移和强度等.随岩层裂纹尖端临界张开位移增大,贯通度呈线性减小(图7b).当岩石的极限张拉应变越大,则裂纹尖端临界张开位移会越大,破断裂缝的长度越小,对应的贯通度越小.4.3层厚度对煤层周期破断距的影响岩层厚度越大,岩层弯曲张拉破断起裂点至中性层的距离越大,起裂时岩层破断裂缝的张开角度越小.同时,岩层厚度越大,岩层的抗弯刚度越大,则岩层张拉起裂所需的弯矩越大,进而导致岩层的周期破断距增大.在给定岩层破断的回转变形空间条件下,岩层周期破断距直接影响岩层破断的回转角.随岩层周期破断距增大,贯通度也呈近似线性减小(图8).当岩层周期破断距越长,导致其破断的回转角越小,则破断裂隙的贯通度将越小.5层间破断裂隙贯通度的提出1)采场覆岩裂隙带上位岩层的回转变形空间较小,由于岩层刚度和厚度的差异,薄岩层会完全破断,但坚硬厚岩层不完全破断.随工作面的推进,未完全破断的坚硬厚岩层的张拉裂缝经历张开至闭合的动态过程.2)为了描述岩层的破断程度及