韓興江

（六枝工礦（集團(tuán)）恒達(dá)勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州 六盤水 553400）

在煤炭開采作業(yè)中，含水層環(huán)境及通水導(dǎo)水通道等客觀因素是引起底板承載力變化的重要因素，同時(shí)也可能會完成整體底板結(jié)構(gòu)的突水性危險(xiǎn)。底板突水的危害主要有滲透性發(fā)生較大的改變，整體承載力變小，經(jīng)過實(shí)踐工程驗(yàn)證，加上實(shí)驗(yàn)過程的分析，成功總結(jié)了有關(guān)含水層水壓及隔水層厚度兩個(gè)重要的參數(shù)，并針對性的提出了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，為進(jìn)一步研究煤炭開采底板承載力變化引起的破壞和滲透性提供了理論支撐。為了確定影響煤層底板突水性主要因素，需要分析煤層底板巖體變形情況，并根據(jù)變形情況確定破壞深度。但由于煤炭開采作業(yè)環(huán)境不利，仍需要對開采作業(yè)的施工因素進(jìn)行系統(tǒng)化分析，并確定煤層底板完成的變形破壞原因。這不僅對維護(hù)煤炭開采作業(yè)人身安全具有重要意義，對于煤炭開采技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展具有理論和實(shí)踐意義。

1 煤炭開采中底板變形破壞特征及規(guī)律性分析

通過建立數(shù)值分析模型，模擬煤層開采作業(yè)中影響底板變形破壞的因素，對于不同煤層的厚度及長度進(jìn)行模擬，并對煤層的傾角等進(jìn)行測量，可有效的分析出煤層應(yīng)力的支撐區(qū)，從而有效的分析出底板巖體結(jié)構(gòu)對應(yīng)承載力的遞減變化及其分析。按照應(yīng)用較為廣泛的FLAC數(shù)值模擬法，模擬圖式如下。可建立基本數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)的底板承載力變化因素。進(jìn)而得出底板巖體在受到超前壓力作用下，外形呈現(xiàn)出褶皺區(qū)域，并且結(jié)合受到水平拉伸力的影響導(dǎo)致巖體裂縫產(chǎn)生，且裂縫的寬度與拉力值呈現(xiàn)正比例關(guān)系。

圖1 FLAC數(shù)值模擬圖

煤炭回采作業(yè)的過程中，會由于工作面面積增大，導(dǎo)致底板巖體位移增大，進(jìn)而導(dǎo)致底板受到的水平應(yīng)力增加，這是造成底板巖變形破壞的重要原因。在煤層回采作業(yè)的過程中，需要針對底板巖體位移增大，提前做好可能會引發(fā)煤層底板變形破壞的時(shí)間點(diǎn)及破壞程度的預(yù)防工作，做好相應(yīng)防護(hù)措施。此外在煤層巖體的卸載區(qū)域，由于其是整體煤層底板破壞的直接區(qū)域，因此在長期負(fù)荷作用下，會導(dǎo)致煤層底板承載力發(fā)生較大變化。煤層底板的垂直應(yīng)力也是不斷變化的，與巖體工作面的大小有關(guān)，并與工作面中的巖體長度呈現(xiàn)出正比例關(guān)系。在煤層回采作業(yè)的過程中，垂直應(yīng)力是不斷減小的，但是回采作業(yè)完成以后，垂直應(yīng)力又不斷增大，導(dǎo)致整體巖體工作面面積變化不穩(wěn)定。從整體實(shí)踐研究分析，結(jié)合模擬化數(shù)值分析，可以得出整體的底板變形破壞的規(guī)律一般呈現(xiàn)為：穩(wěn)定破壞到不穩(wěn)定破壞，再到穩(wěn)定破壞的過程。煤層底板結(jié)構(gòu)布局具有一定層次性，自上而下分別為：下沉并彎曲層、裂縫產(chǎn)生層、冒落層三個(gè)層面。在底板橫向上，由于不同階段下變化狀態(tài)的影響，導(dǎo)致巖體的破壞是一個(gè)由整體到破碎的過程。整體的承載力變化階段可以分解為：應(yīng)力變化原狀態(tài)、壓縮變形狀態(tài)到膨脹破壞狀態(tài)進(jìn)而又恢復(fù)到了與原應(yīng)力值接近的狀態(tài)。

2 煤層底板巖石全應(yīng)力應(yīng)變及滲透規(guī)律分析

結(jié)合煤層底板巖體結(jié)構(gòu)的全應(yīng)力應(yīng)變滲透試驗(yàn)，分析了不同巖體的應(yīng)力、應(yīng)變及滲透性規(guī)律，對于不同巖體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變滲透性規(guī)律的分析具有重要的參考意義。以具備不同巖性的巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化為分析對象，在滲透率和應(yīng)力變化曲線中，如圖2所示。都存在一個(gè)峰值，表示的是微裂縫壓力密實(shí)閉合狀態(tài)，從曲線的整體階段性的劃分看，主要涉及到彈性變形階段、塑性變形階段，進(jìn)而結(jié)合應(yīng)力的變化，應(yīng)力值迅速呈現(xiàn)降低的趨勢，同時(shí)伴隨著整體體積的變化。因此在整體的巖體峰值強(qiáng)度的變化中，由峰值強(qiáng)度到殘余強(qiáng)度，這一區(qū)域的巖石可呈現(xiàn)出完整到破碎的狀態(tài)。

圖2 滲透率和應(yīng)力變化曲線

從圖2（a）中在應(yīng)變/10-3條件下，隨著應(yīng)變值的增大，滲透率和應(yīng)力值逐步增大，但是滲透率在應(yīng)變值達(dá)到3×10-3前，滲透率是逐漸變小的，而應(yīng)力值卻是逐漸變大，在應(yīng)變值達(dá)到3×10-3之后，滲透率和應(yīng)力值逐漸增大，且都會出現(xiàn)一個(gè)峰值，在達(dá)到峰值以后，滲透率和應(yīng)力值都逐步下降。從圖（b）中可以看出，在應(yīng)變值逐步增大的條件下，應(yīng)力值和滲透率都會達(dá)到一個(gè)峰值，且等峰值過后，其數(shù)值都趨于下降的趨勢。由此變化規(guī)律分析可知，在不同巖體結(jié)構(gòu)中，應(yīng)力、應(yīng)變和滲透率的數(shù)值變化有著緊密關(guān)聯(lián)，且可以形成一定的函數(shù)，在微裂隙閉合階段，實(shí)現(xiàn)原生孔隙和裂隙之間易被密實(shí)，從而導(dǎo)致巖石的滲透率會隨著相應(yīng)應(yīng)力的增大而減小，由此在極限強(qiáng)度變化的過程中，會對整體的試塊結(jié)構(gòu)形成貫穿裂縫，因此可以證明不同的巖體，在最大滲透率的數(shù)值上存在一定的差異。

根據(jù)不同巖體應(yīng)力、應(yīng)變和滲透率變化的試驗(yàn)中可以將巖體的變形破壞過程進(jìn)行階段性劃分，主要可分為6個(gè)階段，分別是微裂隙閉合階段、彈性變形階段、裂隙發(fā)生階段、擴(kuò)展階段和破裂、應(yīng)變軟化及殘余強(qiáng)度階段。因此，巖體在應(yīng)力及應(yīng)變變化的過程中，其最大的滲透性系數(shù)發(fā)生的巖石應(yīng)變軟化階段。此外，通過殘余強(qiáng)度值的計(jì)算和分析，可以得出巖體結(jié)構(gòu)在應(yīng)力和應(yīng)變變化的過程中，由殘余到徹底破碎階段過程中的變化，在整個(gè)的變化過程中，巖石的體積是逐漸變小的，同時(shí)結(jié)合巖石峰值及強(qiáng)度的變化，會導(dǎo)致殘余強(qiáng)度趨于平緩。因此在巖體結(jié)構(gòu)變化的過程中，應(yīng)充分的結(jié)合應(yīng)力變化，實(shí)現(xiàn)對整體結(jié)構(gòu)的貫穿性破裂。

3 結(jié)語

綜上所述，通過文章對煤層開采作業(yè)中底板承載力變化及對變形破壞和滲透性等因素的分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）在不同巖體的滲透性應(yīng)力、應(yīng)變及滲透性的試驗(yàn)中，可有函數(shù)確定彈性變形階段和塑性變形階段，并對原生孔隙和裂隙進(jìn)行壓密，而巖體的滲透性會隨著整體巖石的壓力的增大而逐漸變小，當(dāng)巖石試件在承受最大的應(yīng)力壓強(qiáng)時(shí)，會造成整體巖石的貫穿裂縫，滲透率迅速上升。

（2）在煤層回采作業(yè)過程中，隨著回采工作面面積的不斷增加，會導(dǎo)致煤層底板橫向受力力的作用加強(qiáng)，以此來劃分為不同的受力階段，分別為原來巖體的應(yīng)力區(qū)、超前應(yīng)力壓變區(qū)域、采動礦壓直接破壞區(qū)域和巖體的底板應(yīng)力恢復(fù)區(qū)域，4個(gè)區(qū)域（原巖應(yīng)力區(qū)、超前壓力壓縮區(qū)、采動礦壓直接破壞區(qū)和底板巖體應(yīng)力恢復(fù)區(qū)）會對煤層底板的巖體結(jié)構(gòu)滲透性造成一定的影響，并且煤層開采作業(yè)中的底板變形破壞也會呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。

（3）煤層底板的應(yīng)力破壞與其破壞的范圍與煤層本身的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，因此要想控制底板巖層結(jié)構(gòu)的變形破壞，應(yīng)分散集中荷載，縮小采煤空間的卸煤范圍。