張 培 王文才

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院,內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市,014010)

煤田露頭火區(qū)引起的地表塌陷形式及基巖破壞分析

張 培 王文才

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院,內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市,014010)

為了得到煤田露頭火區(qū)地表塌陷和上覆巖層破壞機(jī)理,通過(guò)火區(qū)實(shí)地考察結(jié)合理論分析的方法,揭示了地表塌陷的實(shí)質(zhì)是火區(qū)上覆巖層的移動(dòng),且分為連續(xù)變形破壞和非連續(xù)變形破壞,將火區(qū)上覆巖層的破壞形式歸納為彎曲變形、移動(dòng)垮落、巖體滑動(dòng)、滑落充填、基巖滑移,并劃分了煤田露頭火區(qū)的“三帶”,其高度的確定可依據(jù)采空區(qū)“三帶”的計(jì)算方法進(jìn)行判定。運(yùn)用彈性力學(xué)方法分析得出了火區(qū)上下盤巖體的應(yīng)力分量表達(dá)式,以及最大剪應(yīng)力作用面的方位變化規(guī)律。

地表塌陷 基巖破壞 煤田火區(qū) 火區(qū)“三帶” 巖體彈性

煤田露頭煤層由于氧化蓄熱自燃,隨著火區(qū)不斷蔓延,燒空區(qū)不斷增大,露頭煤層的圍巖受溫度場(chǎng)和重力場(chǎng)的共同作用,將會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形和破壞,導(dǎo)致地表形成裂隙、覆巖體滑動(dòng),從而形成了火區(qū)的進(jìn)回風(fēng)通道,為火區(qū)復(fù)合氧化燃燒提供必備條件,促進(jìn)了火區(qū)的燃燒及發(fā)展,周而復(fù)始煤田火區(qū)形成燃燒—裂隙—供氧—再燃燒惡性循壞,最終致使地表產(chǎn)生各種塌陷現(xiàn)象,給人類賴以生存的自然環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的破壞和巨大的資源浪費(fèi)。因此,研究煤田露頭火區(qū)圍巖破壞與地表塌陷機(jī)理具有十分重要的意義。

文獻(xiàn)通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬對(duì)煤田露頭火區(qū)燃燒的自然通風(fēng)系統(tǒng)及其機(jī)理進(jìn)行了分析,研究表明火區(qū)進(jìn)出風(fēng)通道氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合達(dá)西定律和布西涅斯基窄縫流體規(guī)律,并且對(duì)火區(qū)燃燒動(dòng)力風(fēng)壓進(jìn)行了計(jì)算,運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究得出了火區(qū)自然通風(fēng)的影響因素;通過(guò)自主設(shè)計(jì)相似模擬試驗(yàn),對(duì)煤田火區(qū)不同燃燒時(shí)期的標(biāo)志性氣體進(jìn)行了確定,并且反過(guò)來(lái)利用火區(qū)標(biāo)志性氣體對(duì)火區(qū)的燃燒狀態(tài)判定進(jìn)行了研究;對(duì)煤田火區(qū)塌陷破碎巖塊的滲透系數(shù)計(jì)算進(jìn)行了研究。本文將基于以上研究運(yùn)用實(shí)地考察和理論分析的方法對(duì)煤田露頭火區(qū)地表塌陷的實(shí)質(zhì)和覆巖破壞機(jī)理進(jìn)行揭示。

1 煤田露頭火區(qū)地表塌陷分析

1.1 地表塌陷現(xiàn)象與實(shí)質(zhì)

在煤田露頭火區(qū)燃燒的過(guò)程中,露頭煤層的覆巖體會(huì)產(chǎn)生大量不同程度的裂隙,長(zhǎng)期破壞可導(dǎo)致地表下沉和塌陷。燒空區(qū)、燒變巖、燃燒裂隙和地面塌陷雖然是由于煤層自燃造成的,但是這些巖層的破壞影響卻又為火區(qū)燃燒提供了漏風(fēng)流,促使火災(zāi)的發(fā)展,形成了一個(gè)明顯的煤田火災(zāi)地質(zhì)效應(yīng),即燃燒→塌陷→燃燒的惡性循環(huán),地表裂縫、下沉、塌陷等現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是煤田露頭火區(qū)上覆巖層的移動(dòng)。

從空間和時(shí)間兩個(gè)方面考慮,煤田露頭火區(qū)引起的地表破壞可以分為巖層連續(xù)性的變形破壞和巖層非連續(xù)性的變形破壞兩大類?；饏^(qū)上覆巖層連續(xù)性的變形破壞是指地表受火區(qū)燃燒損壞影響導(dǎo)致連續(xù)性沉降形成簸箕狀盆地的地表變化。在緩傾斜和傾斜煤層的賦存條件下,當(dāng)露頭煤層厚度較大和燃燒深度較深時(shí),火區(qū)上覆巖層地表破壞多表現(xiàn)為巖層連續(xù)變形破壞的下沉盆地分布特征。火區(qū)上覆巖層非連續(xù)性的變形破壞是指地表受火區(qū)燃燒損害影響致使產(chǎn)生大尺度裂縫、臺(tái)階式沉降、塌陷井等破壞形式的地表變化。非連續(xù)性地表變形破壞一般發(fā)生在緩傾斜和傾斜煤層燃燒厚度和燃燒深度較小或存在較大的地質(zhì)破碎構(gòu)造帶或較大斷層等地質(zhì)條件下。

1.2 地表塌陷破壞形式

由煤田露頭煤層自燃燒空引起的地表塌陷的表現(xiàn)形式具有變化復(fù)雜多樣性,按照塌陷規(guī)模和塌陷程度可以分為地表裂縫塌陷、地表臺(tái)階塌陷、地表井坑塌陷3大類。

(1)地表裂縫塌陷。地表裂縫塌陷是由煤層燃燒引起覆巖塌陷或是由燒變巖富裂隙構(gòu)成的,此種地表塌陷形式一般是因?yàn)榈乇硭嚼煳灰谱冃卧斐傻?。地表裂縫塌陷往往發(fā)生在露頭煤層埋藏較淺、燃燒厚度較小的條件下和多個(gè)煤層燃燒引起的復(fù)合破壞條件下。

(2)地表臺(tái)階塌陷。對(duì)于賦存深度和煤層傾角較大的自燃煤層,其上下盤巖層在火區(qū)高溫和重力場(chǎng)的共同作用下,巖體開始發(fā)生彈性變形,隨著燃燒深度的加深和燒空區(qū)頂板暴露面積不斷增大,當(dāng)變形一旦達(dá)到彈性變形的極限后即會(huì)發(fā)生脆性斷裂破壞,從而地表可形成大裂縫,裂縫的燒空區(qū)一側(cè)覆巖下滑與另一側(cè)基巖形成落差,因此地表呈現(xiàn)出臺(tái)階塌陷形式。

地表塌陷的臺(tái)階落差高度和臺(tái)階步距以及臺(tái)階間裂縫寬度取決于兩個(gè)方面因素,一是煤層賦存的地質(zhì)條件,包括煤層厚度、傾角、煤質(zhì)、埋藏深度以及上覆巖層的力學(xué)特性等;二是煤層燃燒的特性,包括煤層燃燒的厚度、速度、深度及燃燒程度等因素。

(3)地表井坑塌陷。地表井坑塌陷往往出現(xiàn)在自燃煤層傾角較大的急傾斜露頭煤層區(qū)。地表井坑塌陷在地表破壞中表現(xiàn)為高度非連續(xù)性移動(dòng)變形破壞,按塌陷的深度可分為塌陷坑和塌陷井兩種形式。塌陷坑發(fā)生在煤層燃燒深度較淺的時(shí)候,而塌陷井則多發(fā)生在煤層深度燃燒后。

地表塌陷井多為漏斗形狀,普遍出現(xiàn)在煤層露頭處附近,偏離煤層露頭的距離會(huì)受煤層傾角、上下盤巖性、巖層露頭風(fēng)化程度、覆巖破壞程度以及火區(qū)燃燒速度等多方面因素影響。

1.3 火區(qū)上覆巖層破壞形式

自燃煤層燒空區(qū)的直接頂板在自身重力、上覆巖層應(yīng)力和燒變影響的共同作用下,依次經(jīng)歷離層、斷裂、破碎和冒落4個(gè)階段,這與采空區(qū)直接頂垮落基本相同,而燒空區(qū)的基本頂則以懸臂梁的形式經(jīng)歷離層、移動(dòng)、斷裂和垮落等過(guò)程,最終引起地表的塌陷,與工作面初次來(lái)壓不同,但與采空區(qū)形成后的周期來(lái)壓相似。

露頭煤層火區(qū)上覆巖層的破壞形式可歸納為以下5種情況:

(1)彎曲變形。對(duì)于近水平露頭煤層發(fā)生自燃時(shí),火區(qū)燒空區(qū)上覆巖層受重力和燒變影響自下而上沿巖層面法向依次發(fā)生彎曲變形。在彎曲變形巖層局部應(yīng)力會(huì)超越彈性變形極限而產(chǎn)生少量細(xì)小裂隙,但基本上會(huì)保持原來(lái)的層狀結(jié)構(gòu)與連續(xù)性。

(2)移動(dòng)垮落。移動(dòng)垮落是彎曲變形進(jìn)一步嚴(yán)重的破壞形式。當(dāng)燒空區(qū)直接頂板暴露區(qū)達(dá)到一定范圍,逐漸發(fā)生離層,一旦拉應(yīng)力大于巖石抗拉強(qiáng)度時(shí),直接頂自發(fā)垮落且破碎,充填燒空區(qū),構(gòu)成多孔介質(zhì)區(qū),成為火區(qū)漏風(fēng)供氧通道。

(3)巖體滑動(dòng)。在傾斜煤層燃燒直接頂板垮落后,燒空區(qū)的基本頂受重力作用發(fā)生彎曲變形,巖體內(nèi)部拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力在增大,當(dāng)超過(guò)抗剪極限后巖體發(fā)生脆性破壞,沿縱向裂隙斷裂并下滑移動(dòng)向燒空區(qū),在地表形成臺(tái)階破壞。

(4)滑落充填。在燒空區(qū)頂板垮落充填后,煤田火區(qū)進(jìn)一步燃燒加深而形成新的燒空區(qū),此時(shí)充填區(qū)部分石塊受自重作用會(huì)沿巖層面向火區(qū)方向滑落再充填,這一過(guò)程稱為煤田露頭火區(qū)覆巖滑落充填?；涑涮钜话惆l(fā)生在自燃煤層傾角較大的條件下。

(5)基巖滑移。對(duì)于自燃煤層傾角較大且底板巖層為軟巖的煤田露頭火區(qū),當(dāng)火區(qū)燃燒到一定深度時(shí),燒空區(qū)底板巖層同樣受燒變破壞和自身重力影響,其水平拉應(yīng)力加大,有時(shí)底板基巖失穩(wěn)向燒空區(qū)隆起,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生滑移。

1.4 露頭煤層燒空區(qū)的“三帶”

在露頭煤層自燃過(guò)程中,煤層上覆巖層的破壞形式以及破壞程度在時(shí)間和空間上連續(xù)發(fā)生變形、移動(dòng)、滑落、滾動(dòng)等變化,是一個(gè)復(fù)雜而無(wú)嚴(yán)格規(guī)律的巖層破壞過(guò)程。對(duì)于煤田露頭燃燒深度較大的火區(qū),燒空區(qū)上覆巖層的變形破裂可以借鑒工作面采空區(qū)上覆巖層的移動(dòng)破壞規(guī)律進(jìn)行研究。自燃煤層上覆巖層可以劃分為煤田露頭火區(qū)的“三帶”:垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,如圖1所示。

圖1 煤田露頭火區(qū)覆巖“三帶”示意

(1)垮落帶。燒空區(qū)直接頂與基巖離層,受自重和燒變影響發(fā)生破裂,呈現(xiàn)不規(guī)則狀巖塊或?qū)訝罹奘?并垮落充填至燒空區(qū),這部分巖層稱為垮落帶。

垮落帶巖層破碎具有碎脹性和可壓縮性,巖塊孔隙率較大,有利于煙氣滲流,但隨著時(shí)間延長(zhǎng)或燃燒程度的加大,可得到一定程度的壓實(shí)。

(2)裂隙帶?？迓鋷喜烤哂信c火區(qū)貫通裂隙而未垮落的巖層區(qū)域帶稱為煤田火區(qū)裂隙帶。裂隙帶巖層的裂隙按空間張列方位可分為垂向裂隙、斜交裂隙和平行裂隙。

垂向裂隙和斜交裂隙是所在巖層受重力拉伸彎曲而形成的,它們的開裂面一般是垂直或斜交巖層面,開裂深度不相同,或半穿層,或全穿層,裂隙兩側(cè)巖體無(wú)明顯相對(duì)移動(dòng)并保持層狀結(jié)構(gòu)。

平行裂隙是由于不同巖層的力學(xué)性質(zhì)差異較大,當(dāng)發(fā)生彎曲變形時(shí)各自的形變程度也存在差異,形成離層,也稱為離層裂隙。平行裂隙的明顯特征是下部巖層的發(fā)育程度往往強(qiáng)于上部,平行裂隙一般與垂向裂隙和斜交裂隙錯(cuò)落相交,形成復(fù)雜的富裂隙網(wǎng),且與燃燒區(qū)貫通,為火區(qū)的氣體流動(dòng)提供了運(yùn)移通道。

(3)彎曲下沉帶。彎曲下沉帶是指裂隙帶以上的巖層區(qū)域,它的變形破壞一般表現(xiàn)為整體變形彎曲,當(dāng)域內(nèi)巖層為軟巖時(shí),與裂隙帶接觸那部分巖層也可能存在離層現(xiàn)象,且具有離層裂隙,但與裂隙帶不連通。

雖然煤田露頭火區(qū)“三帶”的巖層特征各自不同,但是帶與帶之間是逐漸過(guò)渡的,沒(méi)有明顯的分界線,所以對(duì)火區(qū)“三帶”的劃分是比較困難的。例如在煤田火區(qū)燃燒深度較淺時(shí),可能就沒(méi)有彎曲下沉帶,甚至只存在垮落帶。

煤田露頭火區(qū)“三帶”的高度取決于煤田火區(qū)的燃燒厚度和燃燒面積以及上覆巖層的力學(xué)特性?；饏^(qū)“三帶”高度的確定方法可參考前人對(duì)采空區(qū)“三帶”劃分研究成果,根據(jù)文獻(xiàn),地下開采垮落帶的高度一般為采空區(qū)高度的3～5倍,當(dāng)采煤厚度較小時(shí)為1.5～2倍;垮落帶和裂隙帶合稱導(dǎo)水裂隙帶,這兩帶的高度與采高和覆巖巖性有關(guān),一般情況下,軟巖為采高的9～12倍,中硬巖12～18倍,堅(jiān)硬巖層18～28倍?；饏^(qū)“三帶”高度的確定可依據(jù)上述值進(jìn)行判定。

2 自燃煤層上下盤巖體彈性分析

以傾斜煤層露頭火區(qū)為研究對(duì)象,依據(jù)彈性力學(xué)理論分析方法,對(duì)自燃煤層的上下盤巖體受重力作用內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行理論研究。煤田傾斜煤層火區(qū)示意如圖2所示。

圖2 煤田傾斜煤層火區(qū)示意圖

2.1 火區(qū)上盤巖體的應(yīng)力分析

假設(shè)彈性介質(zhì)為上盤巖體,如圖3所示,建立xoy坐標(biāo)系,設(shè)巖體密度為ρ,巖體在x軸上的體力分量為X＝0,在y軸上體力分量為Y＝ρg(即巖體容重),巖體燒空面與y軸夾角α,運(yùn)用彈性理論方法求巖體任意點(diǎn)應(yīng)力分量。

圖3 火區(qū)上盤巖體的應(yīng)力分析

根據(jù)以上條件,運(yùn)用因次分析法假設(shè)應(yīng)力φ的函數(shù)表達(dá)式是x與y的純?nèi)味囗?xiàng)式:

式中:a、b、c、d——均為假設(shè)的常系數(shù)。

根據(jù)彈性力學(xué)可得應(yīng)力分量方程:

式中:σx——x方向的法應(yīng)力;

σy——y方向的法應(yīng)力;

τxy——xy平面的切應(yīng)力。

將式(1)帶入式(2),得:

在上述分析中,應(yīng)力分量應(yīng)滿足以下邊界條件:

式中:l、m——分別表示所在邊界面外法向方向的余弦。

水平邊界(y＝0)的面上無(wú)面力(即0),其外法線方向上余弦l＝0,m＝－1。斜面邊界(x＝y(tǒng)·tgα)上也無(wú)面力其外法線方向上余弦l＝－cosα,m＝sinα。將式(3)帶入式(4),便可解出式中待定系數(shù),從而得出火區(qū)上盤巖體內(nèi)任意點(diǎn)應(yīng)力分量為:

2.2 火區(qū)下盤巖體的應(yīng)力分析

假設(shè)彈性介質(zhì)為下盤巖體,如圖4所示,建立xoy坐標(biāo)系,巖體密度區(qū)ρ,體力分量分別為X＝0,Y＝ρg,巖體燒空面與y軸夾角α,運(yùn)用與上盤巖體應(yīng)力分析同樣的彈性力學(xué)方法求巖體任意點(diǎn)的應(yīng)力分量并滿足邊界條件式(4)。

圖4 火區(qū)下盤巖體的應(yīng)力分析

水平邊界(y＝0)的面上無(wú)面力其外法線方向上余弦l＝0,m＝－1。斜面邊界(x＝－y·tgα)上無(wú)面力其外法線方向上余弦l＝－cosα,m＝－sinα。通過(guò)公式推導(dǎo)解出式中待定系數(shù),從而得出火區(qū)下盤巖體任意點(diǎn)應(yīng)力分量為:

2.3 火區(qū)盤體內(nèi)最大剪應(yīng)力作用面的方位變化分析

由文獻(xiàn)可知,火區(qū)上下盤體內(nèi)最大剪應(yīng)力作用面的方位標(biāo)志著巖體內(nèi)可能剪切滑移方位。在上述求解巖體各點(diǎn)應(yīng)力分量σx、σy、τxy基礎(chǔ)上可得到各點(diǎn)各個(gè)方位截面上的應(yīng)力分布。

根據(jù)彈性力學(xué)確定巖體內(nèi)最大剪應(yīng)力作用面,求得最大剪應(yīng)力作用平面法向的表達(dá)式為:

式中:θ——最大剪應(yīng)力作用面外法線與x軸夾角。

在圖3和圖4的坐標(biāo)系中,規(guī)定x軸沿順時(shí)針?lè)较驃A角為正,反之為負(fù)。

由式(5)和式(6)知,每式分別有兩個(gè)角度值滿足上式的解,且相差90°,故可推斷巖體內(nèi)各點(diǎn)處都存在一對(duì)最大剪應(yīng)力垂直平面,其中一個(gè)最大剪應(yīng)力作用面方向即為另一個(gè)作用面的外法線方向。

將式(5)和式(6)分別帶入式(7),得出上下盤巖體內(nèi)各點(diǎn)最大剪應(yīng)力作用平面的外法向解析式:

從式(8)和式(9)中可知,當(dāng)x和y取不同值時(shí),即可得出巖體內(nèi)該點(diǎn)的最大剪應(yīng)力方向場(chǎng),從而得到最大剪應(yīng)力作用面的方位變化規(guī)律。

3 結(jié)論

(1)地表裂縫、下沉、塌陷等現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是煤田露頭火區(qū)上覆巖層的移動(dòng),可劃分為巖層連續(xù)變形破壞和非連續(xù)變形破壞,包含地表裂縫塌陷、地表臺(tái)階塌陷、地表井坑塌陷3種破壞形式。

(2)露頭煤層火區(qū)上覆巖層的破壞形式可歸納為彎曲變形、移動(dòng)垮落、巖體滑動(dòng)、滑落充填、基巖滑移等5種情況。

(3)自燃煤層上覆巖層塌陷區(qū)可以劃分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,煤田露頭火區(qū)的“三帶”高度的確定可依據(jù)采空區(qū)“三帶”的計(jì)算方法進(jìn)行判定。

(4)通過(guò)理論分析,得到火區(qū)上下盤巖體內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力分量的解析式分別為式(5)和式(6),從而得出了最大剪應(yīng)力作用面的方位變化規(guī)律。

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Analysis on ground subsidence types and bedrock failure induced by coalfield outcrop fire

Zhang Pei,Wang Wencai
(Mining Research Institute,Inner Mongolia University of Science&Technology,Baotou,Inner Mongolia 014010,China)

In order to understand the mechanism of ground subsidence and overlying rock strata failure in coalfield outcrop fire area,in-situ investigation,associated with theoretical analysis,disclosed that the nature of ground subsidence is the movement of overlying rock layer which could be divided into the continuous deformation failure and the discontinuous one.The types of overlying rock layer failure in fire area could be summarized as bending deformation,moving collapse,rockmass sliding,slide filling and bedrock sliding.In addition,＂three zones＂of coalfield outcrop fire area and their heights were defined according to calculation method for＂three zones＂in gob.Elastic mechanics was conducted to analyze stress component expression of hangingwall and footwall rockmass in fire area and azimuthal variation law of maximum shear stress plane.

ground subsidence,bedrock failure,coalfield fire area,three zones of fire area, rockmass elasticity

TD315

A

張培(1989－),男,河北平鄉(xiāng)人,碩士研究生,主要從事煤田火災(zāi)及礦井瓦斯綜合防治的學(xué)習(xí)和研究。

(責(zé)任編輯 張艷華)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51364028,51064018)

張培,王文才.煤田露頭火區(qū)引起的地表塌陷形式及基巖破壞分析[J].中國(guó)煤炭,2017,43(1):99－103. Zhang Pei,Wang Wencai.Analysis on ground subsidence types and bedrock failure induced by coalfield outcrop fire[J].China Coal,2017,43(1):99－103.