承压水体上下位煤层工作面采前底板岩体损伤破坏研究_许延春.pdf

承压水体上下位煤层工作面采前底板岩体 损伤破坏研究 许延春 1， 2 李鹏飞 1， 2 郭文砚 1， 2 赵朝 1， 2 禹云雷 31 （1. 中国矿业大学北京 能源与矿业学院， 北京 100083； 2. 国家煤矿水害防治工程技术研究中心， 北京 100083； 3. 大屯能源股份有限公司， 江苏 徐州 221611） 摘要为研究徐庄矿承压水体上近距离煤层上位7199工作面开采后对下位8199工作面采前底板岩体的损 伤程度， 将该矿8199工作面和姚桥矿7265工作面底板岩体进行对比， 采用钻孔超声探测、 岩芯室内超声透射及点 载荷试验方法进行研究。研究表明 岩体弹性模量与岩体密度、 岩性及完整性呈非线性正相关关系。徐庄矿8199 工作面底板浅部砂质泥岩、 砂岩受顶煤采动影响， 损伤程度大， 已散失原有的承载能力； 中部完整泥岩段未受顶煤 采动及逆断层影响， 损伤程度弱； 底部泥岩及灰岩段受逆断层影响严重， 原始损伤程度大。力学试验验证了室内外 声波测试结果的准确性， 建立了泥岩、 砂岩损伤前后强度弹性模量数学关系式。分析成果对于相似条件下煤层 底板破坏深度预计及工作面底板防治水等方面具有一定的参考意义。 关键词近距离煤层岩体损伤超声波弹性模量岩石强度 中图分类号TD325， P631.8文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -10-119-07 DOI10.19614/ki.jsks.201910019 Study on the Damage of Floor Rock Mass Before Mining in Lower Coal Seam Working Face above the Confined Water Xu Yanchun1， 2Li Pengfei1， 2Guo Wenyan1， 2Zhao Zhao1， 2Yu Yunlei32 （1. School of Energy and Mining Engineering， China University of Mining Technology（Beijing） ， Beijing 100083， China； 2. National Engineering Research Center of Coal Mine Water Hazard Controlling， Beijing 100083， China； 3. Datun Group Co. Ltd. of Coal and Electricity， Xuzhou 221611， China） AbstractIn order to study the damage degree of floor rock mass before the lower 7199 working face is mined and after the upper 8199 working face is explored for close-distance coal seam above confined water body of Xuzhuang Mine， the floor rock mass at 8199 working face of the mine and 7265 working face of Yaoqiao Mine are compared and studied by borehole ul- trasonic detection， core indoor ultrasonic transmission and point load experiment.The study results show that the elastic modu- lus of rock mass is positively correlated with the density， lithology and integrity of rock mass.The shallow sandy mudstone and sandstone of Xuzhuang 8199 working face floor are affected by top coal mining， with large damage degree， which makes it lose the original bearing capacity； the complete mudstone section in the middle is not affected by top coal mining and reverse fault， with weak damage degree； the mudstone and limestone section in the bottom is seriously affected by reverse fault， with large original damage.Mechanical experiments verify the accuracy of indoor and outdoor acoustic testing results， and establish the mathematical relationship between strength and elastic modulus of mudstone and sandstone before and after damage.The above study resutls can provide certain reference significance for the prediction of the failure depth of coal seam floor and wa- ter prevention and control of the floor of working face. KeywordsClose-distance coal seam， Rock mass damage， Ultrasonic wave， Elastic modulus， Rock strength 收稿日期2019-09-09 基金项目国家自然科学基金青年科学基金项目 （编号 51504095） ，“十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2017YFC0804108） ， 中央高校基金本 科研业务费项目 （编号 3142018021， 3142015082） 。 作者简介许延春 （1963） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 520 期 2019 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 520 October 2019 随着煤层开采深度逐年增加， 底板距离承压含水层越来越近， 工作面底板突水逐渐成为制约矿井 119 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 安全生产的主要因素。因此， 掌握近承压水体上开 采底板岩体的损伤程度是矿井防治水工作的关键。 近年来， 国内外学者对岩体损伤程度的研究较为深 入， 高峰等 ［1］对保护层开采煤岩损伤破坏特征进行 了研究， 建立了相应的弹塑性损伤本构方程； 李利平 等 ［2］揭示了突水通道形成过程中岩体 “应力渗流 损伤” 的耦合机制； 王宇等 ［3］、 张晓君等［4］研究了裂隙 岩体损伤破裂演化过程的超声波特性； 金长宇等 ［5］通 过现场声波测试方法， 分析了损伤岩体弹性模量的 分布规律； 潘卫东等 ［6］通过试验方法获得了超声波声 速和振幅随单轴压力变化的关系曲线； 成林等 ［7］、 赵 超杰 ［8］等研究了煤岩体干式和湿式状态下超声波波 速与物理力学参数之间的关系； 吴涛等 ［9］通过超声测 试， 确定了巷道围岩松动圈范围； 许延春等 ［10-11］应用 超声波现场探测了 “原岩注浆开采” 全过程中底 板岩体的弹性模量， 得到了注浆增强及开采损伤对 底板岩体弹性模量的影响规律； 严鹏等 ［12］利用声波 检测标定了人工预损岩样的损伤程度， 通过三轴压 缩试验建立了波速与岩体力学参数之间的关系； 程 爱平等 ［13］运用损伤力学理论构建了基于超声波波速 的胶结充填体损伤演化方程； 李月 ［14］建立了不同岩 性岩石物理力学参数与其纵波波速的数学关系模 型； 何鹏等 ［15］、 林斌等［16］在考虑岩石结构、 构造的基 础上， 通过大量单轴压缩试验， 得到了6种岩性单轴 抗压强度与弹性模量的回归模型； 于师健等 ［17］对煤 岩动、 静力学参数的关系进行了试验研究， 得出煤岩 动、 静弹性模量和动、 静泊松比的线性关系式； 陈鹏 辉等 ［18］通过研究岩体力学与声学之间的关系， 建立 了爆破累积损伤模型； 赵明阶等 ［19］、 闫立宏［20］对岩石 损伤特性与强度的超声波速关系分别进行了研究， 建立了岩石的损伤演化方程。综上分析可知， 学者 们对于岩体损伤程度的研究主要集中在室内岩石力 学试验与理论模型构建方面， 对于现场探测煤层开 采造成的岩体损伤方面研究较少。本研究以徐庄矿 8199工作面和姚桥矿7265工作面为工程背景， 对承 压水上近距离煤层上位工作面开采对下位煤层工作 面采前底板岩体的损伤破坏进行研究。 1工程背景 徐庄矿8199工作面位于逆断层上盘， 平均埋深 603 m， 采厚4.25 m， 直接顶为10 m厚的泥岩， 老顶为 采厚5.20 m的7199采空区； 底板岩性为泥岩、 砂岩、 太原组L4灰岩， 工作面突水系数为0.037 MPa/m。姚 桥矿7265工作面平均埋深746 m， 采厚4.15 m， 直接 顶为砂质泥岩， 老顶为中砂岩， 底板为泥岩， 砂岩。 工作面均采用综放开采方式， 自然垮落法管理顶板。 2钻孔布置及超声测井 为研究徐庄矿8199工作面底板受上部7199工 作面采动的损伤程度， 本研究将其底板岩体损伤效 应与姚桥矿7265工作面进行对比。分别在7265工 作面和8199工作面材料道停采线附近布置底板观测 钻孔ZK1、 ZK2， 分段收集钻孔岩芯。钻孔揭露的岩性 以及钻孔走向竖直剖面如图1、 图2所示。 采用ZBL-U520超声波探测仪对钻孔揭露段每 隔0.5 m进行一次测量， 超声测井之前钻孔先注满清 水， 以缩短声波在钻孔中的传播时间。测井方法及 原理如图3所示。 由于超声波波长远小于所测量原岩体的空间尺 寸， 故将岩体视为均质连续各向同性的线弹性材 料。测井过程中， 探头从发射换能器E辐射声波， 满足入射角的声线进入岩体并发生折射， 折射后的 源声波信号被R1和R2接收换能器捕捉。通过计算 两个换能器之间的位移差ΔL和捕捉同一源信号的 120 ChaoXing 2019年第10期许延春等 承压水体上下位煤层工作面采前底板岩体损伤破坏研究 时间差Δt的比值， 即可求得声波在岩体中的传播速 度。 3岩体损伤弹性模量关系 为便于分析， 本研究将不同孔深段测得的岩体 波速转换成岩体动弹性模量， 从动弹性模量角度分 析8199工作面采前底板岩体损伤程度。转换过程中 岩体动泊松比参考大屯矿区岩石物理力学试验结 果， 泥岩取0.27， 砂岩取0.20， 灰岩取0.18。 3. 1现场超声测井结果 为防止塌孔， 在钻孔前4 m段安置固孔套管。故 7265工作面超声波测量范围为4～69 m孔深段， 8199 工作面为4～84.5 m孔深段。测量得到的两个工作面 底板岩体动弹性模量变化曲线如图4所示。 由图4可知 ZK1孔所测底板未受采动影响， 岩体 动弹性模量集中于8～18 GPa， 整体偏大， 岩体承载能 力强， 可以判定钻孔揭露范围内岩体完整； ZK2孔所 测底板岩体动弹性模量集中于1～8 GPa， 相比于ZK1 孔整体偏小， 可以判定钻孔揭露范围内岩体破碎， 连 续性差， 岩体承载能力弱。整体上， 未受采动影响的 7265工作面底板相同垂深段的岩体所测的动弹性模 量均大于受顶煤采动影响的8199工作面。 根据钻孔揭露的岩性并结合钻孔动弹性模量变 化曲线可知， 底板岩体动弹性模量与岩层岩性、 完整 性密切相关， 动弹性模量的每一次突变伴随着岩性 或者岩体结构、 构造的变化。对ZK1、 ZK2孔超声波测 量结果进行了分段分析， 分段平均波速及动弹性模 量分别如图5、 图6所示。 对比分析图5、 图6可知 在ZK1孔泥岩段， 平均 动弹性模量约8 GPa， 砂岩段平均动弹性模量为11 121 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 GPa， 岩体完整性好； ZK2孔浅部4～9 m泥岩揭露段的 动弹性模量为 1.5 GPa， 相比减小 81.3， 砂岩 9.5～ 18.0 m揭露段的平均动弹性模量为4.6 GPa， 相比减 小59.1； 岩体破碎， 完整性差； 中部64～69 m泥岩段 的动弹性模量约4.8 GPa， 相比减小40， 岩体完整性 较好； 下部泥岩69.5～83.5 m揭露泥岩段的平均动弹 性模量为1.9 GPa， 相比减小76.3， 岩体破碎； 灰岩 段的平均动弹性模量为3.8 GPa， 岩体完整性差。 通过表1中钻孔取芯段岩芯采取率分析发现， 7265工作面各取芯段岩芯采取率为72.7～88.8， 岩 芯采取率高， 岩石质量较好； 8199工作面浅部泥岩、 砂岩取芯段岩芯采取率为17.3～23.1， 受顶煤采动 影响， 岩芯质量极差， 岩体破碎， 岩石损伤度高； 中部 泥岩岩芯采取率为80.5， 岩性较好， 顶煤采动破坏 及下部逆断层未波及该岩层； 底部灰岩岩芯采取率 为11～27， 底板下部逆断层对其产生了较大影响， 岩芯质量差。 通过对两个工作面底板揭露段整体及分段超声 波测井结果及岩芯采取率的分析， 可知徐庄近距离 煤层下位8199工作面采前底板浅部砂质泥岩和砂岩 受到了上位煤层采动影响损伤严重， 岩体破碎， 裂隙 发育， 已散失原有的承载能力； 中部泥岩段完整性相 对较好， 损伤程度弱， 有效终止了顶煤采动的影响深 度； 底部泥岩及灰岩段破碎， 原始损伤程度极大， 是 受到底部逆断层影响所致。 3. 2岩芯超声波室内测试结果 为进一步分析采前底板岩体的损伤程度， 采用 现场使用的ZBL-U520超声波检测仪对岩样进行了 干式状态下的声波透射， 获得的岩芯静弹性模量见 122 ChaoXing 2019年第10期许延春等 承压水体上下位煤层工作面采前底板岩体损伤破坏研究 表1。 由表1可知 姚桥矿7265工作面钻孔取芯段岩 石超声波室内试验获取的岩石弹性模量粉砂岩＞细 砂岩＞中砂岩； 徐庄8199工作面钻孔取芯段波速及弹 性模量灰岩＞砂岩＞泥岩。分析不同岩性岩芯与弹性 模量之间的关系可以发现， 岩芯密度与弹性模量之 间存在明显的非线性正相关关系； 分析同种岩性岩 芯与弹性模量之间的关系可知， 弹性模量与岩芯质 量呈非线性正相关关系。 3. 3超声波现场与室内试验对比分析 将表1中7265、 8199工作面取芯段超声波现场 试测结果与室内试验结果进行对比分析， 进一步论 证岩体损伤与声学特性之间的关系。由表1可知 7265工作面底板取芯段室内透射法与现场反射法试 验结果所得的弹性模量相差较小， 泥岩折减率为 30.07～34.98， 砂岩折减率为 30.44～37.95； 相 比于7265工作面， 8199工作面分析结果相差较大， 浅 部破碎砂质泥岩弹性模量折减率为56.21， 破碎砂 岩段弹性模量折减率为 76.67～81.51， 平均为 79.09； 完整泥岩段弹性模量折减率为29.67； 底部 破碎灰岩及泥岩段弹性模量折减率为 63.23～ 65.47， 平均为64.34。弹性模量折减率可间接反 映煤层开采底板岩体损伤程度及影响范围。折减率 小说明其底板岩体质量好， 裂隙不发育； 折减率大一 方面说明底板未受采动及断层影响之前岩体质量 好、 强度大， 另一方面可说明顶煤采动对下位煤层底 板岩体的影响程度大。通过以上分析得到的岩体损 伤层位及程度与现场测试结果相符。 4岩体损伤强度关系 通过上述分析可知 岩体损伤程度在宏观上直 接表现为超声波波速及岩性采取率的变化。而波 速与弹性模量、 弹性模量与岩体强度之间都存在联 系， 研究岩体损伤前后强度与弹性模量的变化关系 也可体现岩体的损伤程度， 同时也可验证声波分析 结果。 4. 1岩体强度试验 室内岩体强度试验采用SD-1型点载荷仪， 姚桥 矿砂岩有效试件13块， 泥岩11块， 徐庄矿砂岩有效 试件12块， 泥岩13块。通过试验对底板砂岩、 泥岩 破坏形态及损伤前后弹性模量与抗压强度的关系进 行了分析， 结果见图7。 由图7可知 姚桥矿7265工作面底板试件点载 荷试验多数为竖直方向的单一破坏面， 岩块微裂隙 少， 整体性好； 徐庄矿8199工作面底板试件破坏面多 数为凹凸不平， 裂隙扩展方向不止1个， 说明徐庄矿 底板岩块受采动影响后内部产生了较多微裂隙， 整 体性差。 4. 2岩石抗压强度弹性模量关系 根据室内超声测试与点载荷试验结果， 对8199 和7265工作面底板砂岩、 泥岩抗压强度与弹性模量 进行了数值拟合， 结果如图8、 表2所示。 由图8可知 相比于徐庄矿， 姚桥矿7265工作面 未损伤的底板砂岩强度为60～70 MPa的有5块试件、 70～80 MPa的有4块试件， 80～90 MPa的有4块试件； 泥岩强度为22～30 MPa的有5块试件， 30～35 MPa的 有4块试件， 35～40 MPa的有2块试件； 8199工作面底 板岩体因受顶煤采动影响， 砂岩、 泥岩强度大幅度下 降， 砂岩强度为30～40 MPa的有5块试件， 40～50 MPa 的有6块试件， 50～60 MPa的有1块试件， 泥岩强度为 10～15 MPa的有3块试件， 15～20 MPa的有7块试件， 20～25 MPa的有3块试件。相比姚桥矿砂岩、 泥岩， 徐 庄砂岩、 泥岩强度整体偏小， 部分砂岩的强度甚至与 姚桥矿泥岩的强度相当， 充分说明了顶煤采动对其 造成的影响。 由表2分析可知 未受损伤状态的砂岩、 泥岩单 轴抗压强度与弹性模量之间利用二次函数进行拟 合， 相关性较好； 损伤状态下的泥岩、 砂岩利用幂函 数拟合回归效果显著。拟合关系式量化了8199与 7265工作面底板同种岩体损伤前后强度与弹性模量 的变化， 从力学角度分析了底板岩体的损伤情况， 同 时证明了声波分析的可靠性。 5结论 （1） 徐庄矿8199工作面采前底板浅部砂质泥岩 和砂岩取芯率低、 弹性模量折减率高， 岩体受顶煤采 动影响严重， 损伤程度大； 中部泥岩段取芯率高、 弹 性模量折减率小， 岩体未受顶煤采动影响， 损伤程度 小； 底部灰岩及泥岩段取芯率低、 弹性模量折减率偏 高， 岩体受逆断层影响， 原始损伤程度大。 （2） 不同岩性岩芯， 其弹性模量与岩芯密度存在 明显的非线性正相关关系； 同种岩性岩芯质量与弹 性模量呈非线性正相关关系； 岩石内部裂隙的发育 程度对岩体弹性模量的影响非常大。 123 ChaoXing （3） 泥岩、 砂岩未受损伤状态下抗压强度大， 破 坏面多为单一结构面； 损伤状态下的泥岩、 砂岩抗压 强度整体偏小， 破坏面为凹凸不平的多结构面。强 度试验证明了声波测试结果的正确性， 同时建立了 泥岩、 砂岩损伤前后的强度弹性模量数学关系式。 参 考 文 献 高峰， 许爱斌， 周福宝.保护层开采过程中煤岩损伤与瓦斯渗 透性的变化研究 ［J］ .煤炭学报， 2011， 36 （12） 1979-1984. 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