馮國(guó)瑞，白錦文,，楊文博，王善勇，康立勛

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024; 2.山西省綠色采礦工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030024; 3.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590; 4.The University of Newcastle，Priority Research Centre for Geotechnical Science & Engineering，Callaghan NSW 2308,Australia)

保水開(kāi)采是我國(guó)綠色開(kāi)采的重要組成部分[1-2]。保水開(kāi)采是指通過(guò)控制巖層移動(dòng)維持含水層(巖組)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或水位變化在合理范圍內(nèi)，尋求煤炭開(kāi)采量與水資源承載力之間最優(yōu)解的煤炭開(kāi)采技術(shù)[3]。保水開(kāi)采不僅可以優(yōu)化煤炭資源開(kāi)采和水資源供需平衡之間的矛盾，還能實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)發(fā)與水環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一[4-5]。

隔水層的穩(wěn)定性控制是實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采的關(guān)鍵。王雙明等[6]分析了隔水巖組厚度和采高對(duì)隔水層穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)上覆隔水巖組厚度≤18倍采高時(shí)，煤層開(kāi)采會(huì)引發(fā)隔水層的破壞;黃慶享等[7-10]研究了淺埋煤層開(kāi)采覆巖隔水層的變形破壞特征，揭示了隔水層“上行裂隙”和“下行裂隙”的發(fā)育規(guī)律，提出了隔水層穩(wěn)定性的判據(jù)，分析了基巖運(yùn)動(dòng)對(duì)隔水層穩(wěn)定性的影響機(jī)理;繆協(xié)興等[11-13]提出了保水開(kāi)采隔水關(guān)鍵層的基本概念，確定了隔水關(guān)鍵層位置的判別流程，建立了隔水關(guān)鍵層的力學(xué)模型，分析了隔水關(guān)鍵層的受力與變形特征，得到了隔水關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和滲流失穩(wěn)的臨界判別條件;張東升等[14]分析了我國(guó)西北煤炭開(kāi)采時(shí)阻隔巖層變形破壞過(guò)程中裂隙的分布特征，構(gòu)建了“上位隔水層-中位阻隔層-下位基本頂結(jié)構(gòu)”協(xié)同變化模型和漸序變化模型，揭示了采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)與隔水層穩(wěn)定性的時(shí)空演變規(guī)律;劉建功等[15]構(gòu)建了充填開(kāi)采隔水層采動(dòng)沉降結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，推導(dǎo)了隔水層穩(wěn)定的邊界條件，分析了充填密實(shí)率和充填率等因素對(duì)隔水層穩(wěn)定性的影響規(guī)律;郭文兵等[16]揭示了薄基巖厚松散層下充填開(kāi)采覆巖裂隙的發(fā)育規(guī)律，分析了隔水關(guān)鍵層的穩(wěn)定性;李文平等[17]分析了采動(dòng)破裂前后和采后應(yīng)力恢復(fù)蠕變等條件下隔水關(guān)鍵層N2紅土的隔水性能與穩(wěn)定性;姚邦華等[18]研究了破碎巖體支撐作用下四邊固支隔水薄板的應(yīng)力分布特征和臨界載荷變化規(guī)律，并分析了覆巖隔水層的穩(wěn)定性;劉偉韜等[19]建立了底板隔水層的薄板力學(xué)模型，分析了隔水層的最大撓曲位置和最大主應(yīng)力方向，得到了底板隔水層突水機(jī)理的力學(xué)判據(jù);呂廣羅等[20]分析了巨厚砂礫巖含水層下特厚煤層開(kāi)采隔水層的破壞特征;孫建等[21]建立了條帶充填覆巖結(jié)構(gòu)隔水層的力學(xué)模型，推導(dǎo)了隔水層穩(wěn)定性的力學(xué)判據(jù)和影響因素;師本強(qiáng)等[22]分析了淺埋煤層砂土基型礦區(qū)開(kāi)采隔水土層中裂隙的破壞深度和導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，計(jì)算了隔水保護(hù)層的厚度;徐智敏等[23]采用類比法估算了哈密煤田生態(tài)脆弱區(qū)采動(dòng)條件下導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，分析了隔水關(guān)鍵層的穩(wěn)定性;黃存捍等[24]應(yīng)用尖點(diǎn)突變理論建立了組合隔水層的突變模型，探討了其失穩(wěn)非線性特征和力學(xué)充要條件。

現(xiàn)有研究成果針對(duì)不同賦存狀況和不同采動(dòng)條件下隔水層的應(yīng)力分布、變形破壞、滲流特性和失穩(wěn)機(jī)理等開(kāi)展了較為系統(tǒng)地分析，極大地促進(jìn)了保水開(kāi)采理論與技術(shù)的發(fā)展。然而，前述研究涉及的采動(dòng)影響主要來(lái)源于單一煤層開(kāi)采或分層開(kāi)采，關(guān)注的對(duì)象多集中于覆巖隔水層或底板隔水層。

近距離煤層群下行開(kāi)采在我國(guó)多個(gè)礦區(qū)應(yīng)用實(shí)踐[25]。上部煤層開(kāi)采后，形成的大面積采空區(qū)中可能會(huì)賦存有大量的積水[25]。下部煤層開(kāi)采時(shí)，上部采空區(qū)積水是否會(huì)向下方滲流擴(kuò)逸是制約安全開(kāi)采的主要問(wèn)題之一。此時(shí)，層間巖體中隔水層的穩(wěn)定性至關(guān)重要。上下煤層復(fù)合采動(dòng)影響下，若層間隔水層的穩(wěn)定性遭受破壞，會(huì)形成大量的積水滲流通道，進(jìn)而誘導(dǎo)上方積水的瞬時(shí)涌出;若層間隔水層的穩(wěn)定性良好，則下部煤層開(kāi)采受上方積水水患的威脅較小，安全性較好。因此，亟需開(kāi)展復(fù)合采動(dòng)影響下層間隔水層的穩(wěn)定性研究。

筆者提出了復(fù)合采動(dòng)影響下層間隔水控制層的基本概念，構(gòu)建了復(fù)合采動(dòng)影響下層間巖體損傷參量的計(jì)算模型，確定了損傷參量與層間巖體抗壓強(qiáng)度及破壞范圍之間的關(guān)系，分析了復(fù)合采動(dòng)損傷對(duì)層間隔水控制層穩(wěn)定性的影響，從而為積水采空區(qū)下部煤層安全開(kāi)采提供理論指導(dǎo)。

1 層間隔水控制層

隔水層是指隔水性能較高、能夠阻隔含水層水源滲流擴(kuò)逸的巖層或土層[3-4,8-9]。控制層是指近距離煤層群開(kāi)采時(shí)層間巖體中對(duì)局部或全部巖體的運(yùn)動(dòng)起主要承載作用的厚硬巖層[26-27]。借鑒了隔水層和控制層的基本定義，筆者提出了復(fù)合采動(dòng)影響下層間隔水控制層的概念:復(fù)合采動(dòng)影響下，層間巖體中不發(fā)生破斷失穩(wěn)，且能起到阻隔上方采空區(qū)中積水向下滲流擴(kuò)逸的控制巖層，如圖1所示。圖1中上部煤層與隔水控制層之間的巖體稱為上位層間巖體，隔水控制層與下部煤層之間的巖體稱為下位層間巖體。

圖1 隔水控制層結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of water-resisting control strata

層間隔水控制層的穩(wěn)定性對(duì)于積水采空區(qū)下方煤層的安全開(kāi)采至關(guān)重要。如果層間隔水控制層在復(fù)合采動(dòng)損傷影響下不發(fā)生破斷，則其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好，能夠起到阻隔上覆采空區(qū)積水的作用;如果層間隔水控制層在單一或復(fù)合采動(dòng)影響下發(fā)生破斷，則其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，會(huì)誘導(dǎo)上覆采空區(qū)積水的滲流擴(kuò)逸，進(jìn)而對(duì)下部煤層的安全開(kāi)采形成威脅。因此，層間隔水控制層的穩(wěn)定性與上下煤層復(fù)合采動(dòng)的疊加損傷密切相關(guān)。

2 層間巖體的損傷參量D

隨著上下煤層的逐漸開(kāi)采，層間巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，進(jìn)而誘導(dǎo)微裂紋的形成、擴(kuò)展與傳遞，使其逐漸經(jīng)歷體積元的破裂、宏觀裂紋形成、裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展等變化過(guò)程[28-29]，并最終引發(fā)層間巖體不同程度的損傷與破壞。

多重采動(dòng)影響下，層間巖體的損傷破壞主要包括[30]:① 上部煤層開(kāi)采對(duì)層間巖體的損傷破壞;② 下部煤層開(kāi)采對(duì)層間巖體的損傷破壞。圖2為復(fù)合采動(dòng)影響下層間巖體的損傷模型。圖2(a)為復(fù)合采動(dòng)影響前層間巖體示意，其總體積為V;圖2(b)為復(fù)合采動(dòng)影響后層間巖體的損傷示意，圖中陰影部分區(qū)域表示層間巖體發(fā)生了損傷破壞，其總體積為VD:

VD=V1+V2

(1)

式中，V1為上部煤層開(kāi)采后層間巖體的損傷體積;V2為下部煤層開(kāi)采后層間巖體的損傷體積。

根據(jù)應(yīng)變等效假設(shè)[31]易知:復(fù)合采動(dòng)影響下，發(fā)生損傷破壞的層間巖體已經(jīng)喪失了承載能力。因此，覆巖自重與采動(dòng)支承壓力產(chǎn)生的疊加載荷主要由層間巖體中未發(fā)生損傷破壞的巖體來(lái)承載，其有效體積為V′:

V′=V-VD

(2)

此時(shí)，可以用損傷參量D來(lái)衡量復(fù)合采動(dòng)影響下層間巖體的損傷破壞程度。它表示單軸應(yīng)力狀態(tài)下材料單元體積內(nèi)存在的微裂紋(微孔隙、微缺陷)的比率[32]，即

(3)

一般地，煤巖材料損傷參量D的變化范圍為:0≤D≤1。通常認(rèn)為:① 當(dāng)D=0時(shí)，復(fù)合采動(dòng)影響下層間巖體完全沒(méi)有受到損傷;② 當(dāng)0

3 層間巖體抗壓強(qiáng)度與D的關(guān)系

筆者在分析復(fù)合采動(dòng)影響下層間巖體的損傷破壞時(shí)，對(duì)層間巖體進(jìn)行了假設(shè)[33-34]:① 連續(xù)介質(zhì);② 各向同性;③ 應(yīng)變等效?；诖耍⒘藦?fù)合采動(dòng)影響下層間巖體的損傷破壞的本構(gòu)關(guān)系[32]:

(4)

式中，[σ*]為有效應(yīng)力矩陣;[σ]為名義應(yīng)力矩陣;D為復(fù)合采動(dòng)影響下層間巖體的損傷參量。

由此可知，復(fù)合采動(dòng)影響下層間巖體的抗壓強(qiáng)度RD與其原始強(qiáng)度R之間的關(guān)系[33]可表示為

RD=(1-D)R

(5)

根據(jù)式(5)，分別取層間巖體的原始強(qiáng)度R為1.5,2.0,2.5,3.0,3.5和4.0 MPa六種情況，損傷參量D為0～1，可以得到復(fù)合采動(dòng)影響下層間巖體的抗壓強(qiáng)度RD與其損傷參量D之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 層間巖體的抗壓強(qiáng)度與損傷參量D的關(guān)系Fig.3 Relationship between the damage parameter (D) and the compressive strength

由圖3可以看出:① 當(dāng)損傷參量D一定時(shí)，復(fù)合采動(dòng)影響下層間巖體的抗壓強(qiáng)度RD隨著原始強(qiáng)度R的增大而增強(qiáng);② 當(dāng)原始抗壓強(qiáng)度R為定值時(shí)，復(fù)合采動(dòng)影響下層間巖體的抗壓強(qiáng)度RD隨著損傷參量D的增大表現(xiàn)出線性遞減的變化趨勢(shì);此時(shí)，層間巖體強(qiáng)度RD的折減系數(shù)為1-D。綜上，損傷參量D越大，復(fù)合采動(dòng)影響下層間巖體內(nèi)部能夠起到承載作用的完整材料的體積V′越小，即其受到的損傷破壞越大，也更容易發(fā)生破斷失穩(wěn)。

4 層間巖體破壞范圍與D的關(guān)系

筆者通過(guò)分析計(jì)算上部/下部煤層開(kāi)采對(duì)層間巖體的最大損傷深度/高度Hmax及其距工作面端部的距離Lmax來(lái)表征采動(dòng)影響下層間巖體的破壞范圍[34-35]，如圖4所示。多重采動(dòng)影響下，層間巖體的破壞范圍與其損傷參量D密切相關(guān)。

圖4 上部/下部煤層開(kāi)采層間巖體的損傷破壞范圍示意Fig.4 Damage schematic diagram of interburden in upper/lower coal seam

一般地，采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)是控制層間巖體損傷破壞的核心[36-37]。因此，非常有必要深入剖析采動(dòng)影響下層間巖體的應(yīng)力分布狀況。運(yùn)用彈性力學(xué)基礎(chǔ)理論[33]易知，平面應(yīng)變條件下層間巖體的主應(yīng)力為

(6)

將式(6)代入Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[37]，可以求得層間巖體損傷破壞的邊界方程:

(7)

(8)

式中，γ為層間巖體的平均容重;H為煤層的開(kāi)采深度;a為遺留煤柱的寬度;b為工作面的長(zhǎng)度。

根據(jù)式(8)，分別取層間巖體的原始強(qiáng)度R為1.5,2.0,2.5,3.0,3.5和4.0 MPa六種情況，損傷參量D為0.2～0.8，平均容重γ=25 kN/m3，開(kāi)采深度H為100 m，遺留煤柱寬度a=8 m，工作面的長(zhǎng)度b=24 m，可以得到采動(dòng)影響下層間巖體的破壞范圍與其損傷參量D之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 層間巖體破壞范圍與損傷參量D的關(guān)系Fig.5 Relationship between the damage parameter (D) and failure range of interburden

由圖5可以看出:

(1)損傷參量D一定時(shí)，采動(dòng)影響下層間巖體的最大破壞深度/高度Hmax及其距工作面端部的距離Lmax均隨著原始強(qiáng)度R的增大而逐漸減小。

(2)原始抗壓強(qiáng)度R一定時(shí)，采動(dòng)影響下層間巖體的最大破壞深度/高度Hmax及其距工作面端部的距離Lmax均隨著損傷參量D的增大而增大，說(shuō)明損傷參量越大，層間巖體受上下煤層開(kāi)采的損傷影響越大;同時(shí)，原始強(qiáng)度R一定時(shí)，D越大，Hmax和Lmax的增幅也越大。

5 復(fù)合采動(dòng)損傷對(duì)層間隔水控制層穩(wěn)定性的影響

筆者分別用DU和DB表示上位層間巖體和下位層間巖體的厚度，用HUmax和HBmax分別表示上部/下部煤層開(kāi)采對(duì)層間巖體的最大破壞深度/高度，用LUmax和LBmax分別表示層間巖體最大破壞深度/高度的位置距工作面端部的距離，用M表示層間隔水控制層的厚度。根據(jù)采場(chǎng)煤巖體損傷破壞空間的分布形態(tài)和范圍[34-35]，筆者從以下6個(gè)方面來(lái)探討復(fù)合采動(dòng)損傷對(duì)層間隔水控制層的影響，如圖6所示。

圖6 復(fù)合采動(dòng)損傷對(duì)層間隔水控制層穩(wěn)定性的影響Fig.6 Influence of multiple mining on stability of water-resisting control strata

綜上，煤層群開(kāi)采時(shí)，層間隔水控制層的穩(wěn)定性與復(fù)合采動(dòng)影響產(chǎn)生的疊加損傷密切相關(guān)。在開(kāi)展積水采空區(qū)下部煤層開(kāi)采實(shí)踐之前，非常有必要綜合考量上下煤層多重開(kāi)采后層間巖體損傷破壞范圍，進(jìn)而全面了解不同條件下層間隔水控制層的穩(wěn)定性，并采取合理有效的控制措施來(lái)保障下部煤層的安全開(kāi)采。

6 結(jié) 論

(1)提出了層間隔水控制層的基本概念:復(fù)合采動(dòng)影響下，層間巖體中不發(fā)生破斷失穩(wěn)，且能夠起到阻隔上方采空區(qū)中積水向下滲流擴(kuò)逸的控制巖層。

(2)損傷參量D可以衡量復(fù)合采動(dòng)影響下層間巖體的損傷破壞程度。層間巖體抗壓強(qiáng)度RD與損傷參量D的關(guān)系為:當(dāng)原始抗壓強(qiáng)度R為定值時(shí)，損傷參量D越大，層間巖體內(nèi)部能夠起到承載作用的完整材料的體積V′越小，抗壓強(qiáng)度RD也越小，進(jìn)而表現(xiàn)出線性遞減的變化趨勢(shì)，其強(qiáng)度的折減系數(shù)為1-D。

(3)層間巖體破壞范圍與損傷參量D的關(guān)系為:當(dāng)原始抗壓強(qiáng)度R一定時(shí)，層間巖體的最大破壞深度/高度Hmax及其距工作面端部的距離Lmax均隨著損傷參量D的增大而增大;同時(shí)，原始強(qiáng)抗壓強(qiáng)度R一定時(shí)，D越大，Hmax和Lmax的增幅也越大。

(4)層間隔水控制層的穩(wěn)定性與復(fù)合采動(dòng)影響產(chǎn)生的疊加損傷密切相關(guān)。在開(kāi)展積水采空區(qū)下部煤層開(kāi)采實(shí)踐之前，非常有必要綜合考量上下煤層多重開(kāi)采后層間巖體損傷破壞范圍，進(jìn)而全面了解不同條件下層間隔水控制層的穩(wěn)定性，并采取合理有效的控制措施來(lái)保障下部煤層的安全開(kāi)采。