煤层底板阻水抗压强度及矿压破坏损伤程度的深度影响与分析

侯龙君，赵刘会，姜　本

(西北有色勘测工程公司，陕西 西安 710054)



煤层底板阻水抗压强度及矿压破坏损伤程度的深度影响与分析

侯龙君，赵刘会，姜本

(西北有色勘测工程公司，陕西 西安 710054)

现今煤矿开采深度逾千米已不鲜见，随开采深度的加大，采掘的深度问题，如高矿压、高水压及高地温等问题逐渐显现出来，这也自然涉及到深部、超深部带压开采的安全性问题。阐述煤层带压开采安全性的深度影响，说明煤层隔水底板保护性能存在深度效应——阻水抗压强度有随深度加大而增强的趋势，同时对底板矿压破坏损伤程度的深度效应不明显的原因进行分析。

隔水底板；保护性能；阻水抗压强度；深度效应

1　煤层隔水底板的两种不同保护性能

与阻水抗压强度(隔水质量)

隔水底板的第一种保护性能是阻水性能。隔水层都存在不连续的结构面(断层、裂隙等)，只是相对于含水层而言，其细小而已。当下伏承压含水层的水压超过起始水压力P始(或水压差大于起始水压差△P始)时，水会强行进入隔水层的结构面中而发生侵水现象(属弹性范畴，即具恢复性或可重复性)，形成侵水带。侵水因需撑扩裂隙和挤压薄膜水而消耗压力能，每米消耗的压力能称为消压强度(MPa/m)，也可称阻水系数E(图1)。当侵水带中的水压差△P大于起始水压差△P始，或水力梯度I大于消压强度E时便会发生水的运移，因此阻水系数E亦可称为起始水力梯度I始。在侵水裂隙十分发育的特定条件下(如井陉矿区)，整个底板(全厚度)的起始水力梯度I始(全厚)便是该底板的 临界突水系数T临(MPa/m)，因为超过此值，即发生下伏含水层水向底板顶面之上的越流(井陉矿区以I始即E来确定临界安全水压力)。

图1　鹤壁矿区183-6孔本溪组隔水层侵水带消压强度(阻水系数)E实测图

应说明的是，隔水层的侵水与含水层或导水构造的导水有着本质上的差异，侵水需消耗压力能，因而隔水层具消压功能，在静态条件下侵水带不同高度的压力水头不同，而含水层和导水构造(包括潜越导水构造)无起始水压差或起始水力梯度(有水压差或水力梯度就有水的运移)，不具消压功能，在静态条件下同一含水层不同高度上的压力水头相同。因此，含水层导水与隔水层侵水的水力学公式也不同，前者为

式中：K为含水层或导水构造的渗透系数，Kp为隔水层在侵水条件下的渗透系数；L为过水长度，ω为过水截面积。由上可见，侵水带与潜越导水构造(体)不同，它是隔水层的一部分，但有时人们“侵水”与“导水”不分，不正确地主张将有侵水的岩段(所谓原始导高)一概从有效隔水层厚度中减除。

隔水层的消压性能实际是其构造面(断裂)的阻水功能，因此与岩性密切相关。具塑性的软岩，如泥岩的结构面闭合性好，且有一定的膨胀性，因此阻水(消压)性能强，具刚性的硬岩，如砂岩的结构面闭合性差，无膨胀性，故阻水(消压)性能弱。在上面的鹤壁矿区实例中，泥岩的阻水系数是砂岩的123倍。

隔水底板的第二种保护性能是抗应变性能。水压力与固体压力一样都是应力，应力施加于底板岩体便产生应变：变形、断裂、破坏。岩石抗应变性能的强弱用岩石力学强度(抗压、抗拉、抗剪等强度)表示，破坏强度应用强度准则，如考虑围压和水压的Drucker-Prager破坏准则。岩层的抗应变性能更与岩性密切相关。塑性的软岩抗应变性能弱，但吸收应力的能力强，因此应力传递距离近。刚性的硬岩抗应变性能强，但吸收应力的能力弱，故应力传递距离远。

阻水和抗应变是两种不同的性能，前者表现为隔水底板的结构面特征，属水动力学范畴，后者表现为隔水底板的岩石力学特征，属岩体力学范畴。隔水底板抗御承压水的是其阻水与抗应变的综合性能，这种保护性能称为阻水抗压性能(强度)，代表隔水质量。

塑性(韧性)和刚性(脆性)是岩石一种性质的两个面(正、反面)，此长彼消，其和∑为常数(∑=a塑+(∑-a)刚)。岩层的阻水性与抗应变性随岩性的韧度(或刚度)的变化亦此长彼消，塑性增大(刚性减小)则阻水性增强而抗应变性减弱。反之，塑性减小(刚性增大)则阻水性能减弱而抗应变性能增强。但岩性变化岩层的保护性能是否不变而保持恒定呢？不是这样的。在软岩与硬岩，阻水性能与抗应变性能关系中，软岩和阻水性能是占主导地位的。这是因为：(1)事实上承压水要压裂完整底板岩体，包括软岩是完全不可能的，因为这要求向上作用于底板的水压力P大于底板的垂向地应力σ垂，但深度H相同，而岩石比重γ岩明显大于水的比重γ水(=1)，σ垂=γ岩H，P=γ水H，因此P不可能大于σ垂。(2)这也是常被忽略的，下伏承压水对上覆隔水层施加的水压力仅仅是通过裂隙或溶隙狭小的含水接触面(B)进行的，因此总压力F有限(F=P压强·B)，压应力小，应变就小(有些计算带压安全性的力学公式，如曾被广泛引用的斯列萨夫公式，在推导中将含水层视为无介质含水体，概化模型与实际不符，此应是原理性缺陷)。(3)矿井突水通常是通过断层和陷落柱等构造，断层带和陷落柱中的硬岩为碎块，已无力学强度和抗应变能力，而构造影响带的张性断裂使硬性岩层变为导水层。因此总的说来，塑性软岩的保护性能(隔水质量)要强于刚性硬岩。匈牙利将泥岩隔水质量定为1，某种砂岩定为0.4。煤层底板通常是不同岩性岩层的组合，若软硬相间，以软岩为主是保护性能最好的组合。对于不同的底板，在硬性岩层都存在的条件下(华北都是如此)，谁的软岩比例大，谁的保护性能(隔水质量)就强。

a.采深——突水次数、突水量　　　b.采深——最大安全承压力

图3　厚度效应：井陉矿区(1)和淄博矿区(2)P临—M曲线图

2　隔水底板保护性能(隔水质量)随

深度加大而增强——深度效应

煤层底板保护性能(阻水抗压强度或隔水质量)有随深度加大而增强的趋势。大水淄博老矿区开采深度达千米，深部开采虽水压高，但反而突水次数减少，突水量变小，井陉矿区根据统计制成突水频率、突水量与采深关系曲线图(图2)。由图可见，在开始阶段，突水次数和突水量随采深即水压的加大而增大，达到峰值后突水次数和突水量随采深加大而减小。

采深加大，煤层底板承受水压就加大，突水次数和突水量自然增大，此属常态。深度加大，突水次数和突水量不增反减，属反态，这说明，在一定条件下，煤层隔水底板的保护性能，即隔水质量(阻水抗压强度，或临界突水系数)存在深度效应：随深度加大而增强。这种深度趋势可用深度H—最大安全水压力P临曲线表达。在厚度等条件一定时，H—P临曲线随深度变陡。底板保护性能还存在厚度效应，如厚度M—安全极限压力P临曲线图(图3)所示，临界突水系数(曲线斜率)随厚度加大而增大。于是，图2有不同底板厚度的深度效应曲线。

3　深度效应形成因素

造成深度效应的因素有：

3.1地应力

深部地应力大，承压水的应变作用需要克服地应力，因而作用于底板的有效应力变小。

3.2阻水性能

深部地层结构面(断裂)在高地应力围压条件下，更闭合，因此阻水系数大。

3.3塑性化

在深部高压高温条件下岩石塑性化，刚性减弱。

3.4岩溶发育

奥灰古岩溶发育无深度下限，因古岩溶是早期浅埋时期形成而后期造山运动深埋的，但近代岩溶在古岩溶基础上的发育与深度密切相关，灰岩深部现代岩溶不发育，岩溶体的密度和规模(如溶隙宽度)变小，因此，对隔水底板的破坏力度弱化。

3.5底板矿压破坏损伤对深度不敏感

国内外学者认为，埋深对底板的矿压破坏损伤影响不大。其原因是，采空区之上高处岩体因重力失衡而产生的附加矿山压力被采空顶板形成的拱形结构分散到远处底板之上，岩体越高分散得越远。图4是拱形原理分析示意图。图中r为采空区的附加矿山压力有效影响半径，r以远的附加压力对采空区底板基本无影响，盖山厚度(高度)h：ha

图4　拱形结构附加压力分散示意图

4　结语

本文所阐明的煤层隔水底板的深度效应，并非说深部不突水或不突大水，只是说明一种深度趋势，在深部突水次数和突水量受到一定制约，它与深度，即作用于底板的水压力并不成正比，有时呈反变关系。希望本文的认识对深部煤炭资源的开发有一定参鉴意义。

[1]谢和平，陈忠辉.岩石力学.科学出版社.2004.

[2]井陉矿务局.井陉矿区带压开采防治水技术与实践.全国煤矿重点水害防治技术方法交流会论文选编.1991.

[3]薛禹群.地下水动力学原理.北京地质出版社.1985.

[4]地质矿产部水文地质工程地质技术方法研究队.水文地质手册.地质出版社.1978.

2016-02-01

侯龙君(1983-)，男，河南新安人，工程师，主要从事水文地质工作。

P641.4+61

B

1004-1184(2016)04-0209-02