煤层底板岩层的渗流特性以及水岩耦合作用的理论研究_杜 琳.pdf

煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 当矿井底板中含有含水层时， 在采场采动作用下 含水层的运移变形以及稳定性演化特征是应力场和 渗流场相互作用相互耦合的结果[1]。具体作用形式表 现为 在围岩应力作用下裂隙岩体含水介质会发生运 移变形， 从而改变了岩体内部结构的力学特性， 进而 影响岩体的渗透特性， 在宏观角度会对地下水的分流 等形成影响；当岩体内部形成水体的渗流通道时， 在 渗流场的作用下岩体的受力特征发生改变； 故本文对 煤层底板岩层的渗流特性以及水岩耦合作用进行系 统研究， 从而为矿井防治水提供一定理论依据。 1岩体全应力 - 应变 - 渗透特征 岩体内部孔隙和裂隙的发育贯通程度决定了水 体的渗透通路， 也就决定了岩体的渗透性； 而岩体在 应力作用下的变形特征也决定了内部孔隙裂隙的演 化规律， 故岩体在应力作用下的变形是引起其自身渗 透性改变的内在因素。岩体的岩性不同， 则力学特性 就具有差异， 在应力作用下变形特征就不同。矿井底 板不同岩性岩体的渗透特性如下 1 ） 砂岩的渗透性较大，而泥岩的渗透性往往较 小， 故一般作为隔水层。 2 ） 在峰值强度之前， 随着所受应力的增大， 砂岩 和泥岩的渗透性也在不断增加， 但强度峰值要超前于 渗透峰值。 3 ） 在不同的围压作用下泥岩渗透率的变化特征 不同； 当围压较小时， 在峰值强度后渗透率的变化较 小， 而围岩较大时在峰值强度后渗透率的减小速率较 快； 但灰岩的渗透率受围压的影响较小。 4 ） 通常情况下不同种类岩体的渗透性随着围岩 的增大而减小， 但随着渗透压力的增大而增大。 有专家学者[2]研究表明， 岩体在受载过程中表现 出的渗透率是应变的函数。 在应变软化阶段会出现渗 透率的峰值点， 也就是说该峰值点要滞后与岩体破坏 而出现， 如图 1 所示。由此可见， 在矿井防治水过程 中， 避免岩层发生失稳破坏是固然重要的， 但对于已 经失稳破坏的岩体， 需要避免岩体在应变软化阶段变 形的进一步演化。 图 1岩体全应力 - 应变 - 渗透示意图 煤层底板岩层的渗流特性以及水岩耦合作用的理论研究 杜琳 （大同煤矿集团同生峪沟煤业有限公司 ，山西 朔州 036002 ） 摘要 本文对煤层底板岩层的渗流特性以及水岩耦合作用进行系统研究，认为对于已经失稳破坏 的岩体， 需要避免岩体在应变软化阶段变形的进一步演化； 如果泥岩在采动作用下发生失稳； 随着静 水压力的增大裂隙屈服区宽度也在增大， 裂隙的粗糙度和宽度均会影响裂隙受到的水压； 应力场的改 变影响了裂隙面的开度， 进而改变的渗透系数， 改变了岩体对水的渗透能力。 关键词 底板 ； 渗流 ； 耦合 ； 突水 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0094- 04 Seepage characteristics of coal seam floor and theoretical study on coupling effect of water and rock DU Lin （DatongCoal Mine Group Tongshengyugou Coal IndustryCo., Ltd. ， Shanxi Shuozhou 036002） Abstract In this paper, the seepage characteristics ofthe coal seam floor and the coupling effect ofwater and rock are systematically studied. For the rock mass which has been unstable, it is necessary to avoid the further evolution of the deation of the rock mass during the strain softening stage; if the mudstone is unstable under the action of mining, the width of the fracture yield area increases with the increase of the static water pressure, and the roughness and width of the fissure will affect the water pressure of the fissure; the change of the stress field will affect the rock mass. The openingoffractured surface and the change ofpermeabilitycoefficient change the permeabilityofrock mass towater. Keywords Floor ; seepage ; coupling; water inrush 94 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 总体上根据岩体在应力作用下的变形特征可将 其失稳过程分为六个阶段; 1 ） 裂隙闭合阶段， 在该阶段岩体在外载荷作用下 内部的孔隙和裂隙逐步闭合， 渗透率减小； 2 ） 弹性变形阶段，在该阶段岩体渗透率缓慢增 大； 3 ） 裂隙扩展阶段， 在该阶段岩体的体应变随着应 力的增加而逐步加大， 表现为渗透率的快速增大； 4 ） 岩体失稳破坏阶段， 在该阶段岩体变形以塑性 屈服为主， 内部裂隙不断扩展贯通， 形变增加显著， 体 积膨胀， 最终发生屈服破坏； 5 ） 应变软化阶段， 随着岩体应变的增大应力在不 断减小， 在阶阶段渗透率演变特征表现为峰值强度之 后逐步减小； 6 ） 残余强度阶段， 在该阶段应力随着应变的增大 而逐步趋于稳定。 本次研究矿井工作面底板岩层岩性以泥岩和灰 岩为主。当围压较小时， 未发生失稳屈服的泥岩渗透 率小， 具有良好的阻水性； 如果泥岩在采动作用下发 生失稳， 当围压较大时， 则泥岩内部扩展贯通的裂隙 容易被压实， 透水性减弱； 总体上围压对灰岩渗透性 的影响效果不是十分显著。 2矿井水对应力场的影响 矿井水不仅会使底板岩层内部的裂隙发生拉应 变， 而且会改变岩体的应力应变特征， 进而改变岩体 的强度和杨氏模量。 通过改变岩体内部的体积应变渗 流场实现了对应力场的改变。 矿井水根据突水动力源的不同可分为静水压突 水和懂水压突水。前者不受外界动力的冲击， 水体储 存稳定， 顶板岩层容易在水体的水理作用下而逐步发 生渗流； 后者水压较大， 会在一瞬间形成涌水通路而 使得水体涌入工作面。 2.1静水压突水的影响 静水压突水的影响主要体现在劈裂和导升两个 方面。 2.1.1劈裂 劈裂主要为对隔水层内部裂隙的破坏， 在静水压 作用下岩体内部裂隙的受力的对称的， 裂隙在水的作 用下发生张开， 如图 2 所示。 为了对静水压作用下的裂隙特征进行定量评价， 将裂隙视为椭圆结构， 长度为 2a， 围岩应力为 σ， 裂隙 内部水压为 p， 如图 3 所示。 图 2 岩体内部裂隙受力特征示意图 图 3岩体内部裂隙等效模型示意图 在图 3 中， 在静水压作用下发生扩展的裂隙面会 产生抵制扩展效应的屈服应力 σt，屈服区宽度为 R， Rc- a。 由于屈服区端部应力没有奇异性， 故裂隙尖端的 应力强度因子为 0， 由此可得公式 （1 ） a/ccosπp- σ 2σ t （1 ） 则屈服区宽度可通过公式 （2 ） 计算 Ra sec πp- σ 2σ t - [] 1（2 ） 通过公式 （2 ） 可以看出， 随着静水压力的增大裂 隙屈服区宽度也在增大，当围岩应力表现为拉应力 时， 裂隙容易发生扩展， 而围岩应力表现为压应力时， 裂隙扩展困难， 因为静水压需要克服围岩应力的作用 才回扩展起裂裂隙。 2.1.2导升 在静水压力作用下， 承压水会顺着岩体内部的天 然裂隙导升， 导升的高度为导高带。本次研究矿井底 板岩层中存在一小的断层， 在底板开挖过程中破坏了 原有的平衡状态， 底板发生弹性变形， 裂隙面发生展 布， 在承压水作用下断层面会继续开裂， 进而导致承 压水导升[3]， 如图 4 所示， 进一步建立承压水挤入岩体 的等效模型， 如图 5 所示。 图 4底板开挖引起的导升示意图 在图 5 中， 裂隙起裂的方向为 X 轴正向， 为裂隙 95 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 夹角， B为裂隙宽度， l 为裂隙厚度，裂隙受到的水压 为 p， K为裂隙面的粗糙系数， u 和 ρ 分别为水的密度 和流速， x为承压水挤入裂隙的深度。则在裂隙起裂 方向上有公式 （3 ） p ∂p ∂x d （） xB- dB- pB2 p ∂p 2∂x d （） x Kdx ∂2u ∂t 2 p 1 2 2B- dB [] x（3 ） 图 5底板开挖引起的导升示意图 在公式 （3 ） 中， 为水流速对时间的偏导， 可认为 等于 0， 裂隙的起裂角也极小， 由此可得公式 （4 ） pp0e-Kx/B（4 ） 式中 p0为承压水刚开始作用于裂隙的水压。 由此可以发现， 裂隙的粗糙度和宽度均会影响裂 隙受到的水压， 其中， 裂隙受到的水压与裂隙粗糙度 呈正相关关系， 而与裂隙宽度呈负相关关系。通常情 况下岩体内部发育的自然裂隙宽度较小， 则意味着承 压水挤入裂隙的深度也较小。 2.2动水压突水的影响 动水压突水的影响主要体现在对裂隙的冲刷和 对突水量的控制两个方面。 1 ） 对裂隙的冲刷。 动水压突水的能量和压力较大， 会对裂隙进行冲 刷侵蚀， 从而提高裂隙的过水性， 对裂隙的宽度起到 扩展作用， 动水压突水的冲刷作用可等效为图 6 所示 的模型。 图 6动水压突水的冲刷作用等效模型示意图 在图 6 中， 假设动水压压力为 pw， 裂隙为突水通 道， 通道壁面上的压力为 PR， 直径为 dR， 通过通道的 水量为 Q， 水体流速为 vt， 可通过公式 （5 ） 计算 vt 4Q πdR2 （5 ） 基于能量守恒定律， PR可通过公式 6 计算 PRPW- γw 2g v 2 t （6 ） 式中 γw为水体的密度。压力差为 ΔPPW- PR。 由此可知压力差与流速呈正相关关系， 当水流速 度增加到一定值时，压力差达到了岩石的极限强度， 则岩体发生失稳破坏， 进而扩展的突水通路。 2 ） 对突水量的控制。 假设水流能量在突水通路中 得到全部耗散， 则根据达西定律可得公式 （7 ） Q KA γw P lt （7 ） 式中 K 为渗透系数； A 为通路断面面积； P 为岩 溶水压； lt为渗流通路的长度。 3应力场对渗流场的作用 有研究结果[4]显示， 当岩体内部裂隙孔隙分布较 为均匀时， 则裂隙渗流遵循达西定律， 由此可得公式 （8 ） VKJ（8 ） 式中 V为水流速率； J 为水力梯度。 采场采动破坏了岩体的应力平衡状态， 在采场采 动过程中， 岩体发生运移变形， 内部孔隙裂隙发生一 系列的物理变化， 形态和特性均发生改变， 主要表现 为裂隙开度和长度的改变，进而影响岩体的渗透性。 为了达到应力场和渗流场的动态平衡状态， 二者必须 多次耦合， 如图 7 所示。 图 7应力场和渗流场耦合关系示意图 我们通过渗透系数来表征岩体渗透性的变化特 征。基于渗透张量理论， 则岩体渗透系数与裂隙开度 呈正相关关系，应力场的改变影响了裂隙面的开度， 进而改变的渗透系数，改变了岩体对水的渗透能力， 这便是应力场对渗流场的作用机理。 4结束语 1 ） 在矿井防治水过程中， 避免岩层发生失稳破坏 是固然重要的， 但对于已经失稳破坏的岩体， 需要避 免岩体在应变软化阶段变形的进一步演化。 2 ） 当围压较小时， 未发生失稳屈服的泥岩渗透率 （下转第 99 页 ） 96 ChaoXing （上接第 96 页 ） 小， 具有良好的阻水性； 如果泥岩在采动作用下发生 失稳， 当围压较大时， 则泥岩内部扩展贯通的裂隙容 易被压实， 透水性减弱； 总体上围压对灰岩渗透性的 影响效果不是十分显著。 3 ） 随着静水压力的增大裂隙屈服区宽度也在增 大， 当围岩应力表现为拉应力时， 裂隙容易发生扩展， 而围岩应力表现为压应力时， 裂隙扩展困难， 因为静 水压需要克服围岩应力的作用才回扩展起裂裂隙。 4 ） 裂隙的粗糙度和宽度均会影响裂隙受到的水 压。动水突水压力差与流速呈正相关关系， 当水流速 度增加到一定值时，压力差达到了岩石的极限强度， 则岩体发生失稳破坏， 进而扩展的突水通路。 5 ） 应力场的改变影响了裂隙面的开度，进而改 变的渗透系数， 改变了岩体对水的渗透能力， 这便是 应力场对渗流场的作用机理。 参考文献 [1] 李昂. 带压开采下底板渗流与应力耦合破坏突水机理及 其工程应用[D].西安科技大学,2012. [2] 刘洪磊,杨天鸿,陈仕阔,于庆磊,王培涛. 岩体破坏突水失 稳的水压致裂机理及工程应用分析[J]. 采矿与安全工程 学报,2010, （03） 356- 362. [3] 李天珍,马林,张连英. 煤层底板渗流稳定性分析[J]. 采矿 与安全工程学报,2009, （01） 78- 81. [4] 徐海燕, 肖洪天. 煤层开采过程中底板岩层渗流稳定性 分析[J]. 地质与勘探,2001, （05） 91- 93. 作者简介 杜琳 （1979.09.24-） ， 男， 山西朔州人。黑龙江科技大学， 煤矿 开采技术， 专科， 初级工程师。 现就职于大同煤矿集团同生峪沟煤 业有限公司， 主要从事测量、 地质工作。（收稿日期 2019- 5- 7 ） 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 3.4堵水方式 水灰比先低后高， 堵水由 “点” 到 “面” 。封孔后开 始注浆，初始以 0.61 水灰比配制浆液，使其进入钻 孔， 快速凝固封堵裂隙， 阻隔流水， 起到对 “点” 大股水 封堵的目的；当顶板淋水明显减小或者停止淋水时， 适当增大水灰比至 0.81， 延长浆液流动性时间， 使其 能更好扩散， 增大扩散半径， 起到对出水点附近 “面” 的封堵目的。 各个注浆钻孔浆液扩散范围相互交叉覆 盖， 从而对整个顶板淋水区域进行封堵加固。 4堵水加固效果考察 工程量 共施工 100m 范围， 钻孔排距 3m， 共 34 排钻孔， 根据巷道高度变化， 每排 5～7 个钻孔。合计 施工 178 个钻孔， 帮钻孔深度 6m， 顶钻孔深度 10m， 累计钻孔进尺 1476m， 孔径 φ75mm。注浆材料使用 量 62.75t， 平均单孔注浆量 0.35t， 最大单孔注浆量 1.5 吨， 平均每米注浆量 0.63t， 平均注浆压力8MPa。 图 4堵水注浆后顶板窥视截图 效果考察 堵水加固后， 整个加固范围淋水全部 封堵， 顶板钻孔窥视表明， 裂隙被浆液填充量好， 未发 现未被充填的裂隙， 如图 4 所示； 同时在巷道内进行 顶板离层和表面位移观测站， 经过 6 个月观测， 顶板 没有发生新的离层， 两帮变形量 7mm， 顶板下沉量量 8mm， 考虑测量误差的影响， 变形速度几乎为零； 经过 6 个月的观察， 顶板未发现淋水反复。 5结论 1 ） 大巷顶板淋水影响行人、 运输， 导致顶板裂隙 增大， 锚杆索锈蚀， 造成严重的安全隐患； 2 ） 注浆前钻孔窥视结果表明， 裂隙水来源高度在 9m以下； 3 ） 进行了堵水钻孔设计和堵水材料介绍， 堵水材 料具有快凝、 早强， 水中不易分散， 水灰比适应范围广 等性能， 满足流水环境下堵水加固需要； 4 ） 效果考察表明，浆液对裂隙充填效果良好， 6 个月观测期内， 顶板无明显下沉， 未发现淋水反复。 参考文献 [1] 李臣， 吕坤， 姚依林， 等.门克庆矿 2201 回风巷顶板破坏 机理与支护研究[j].煤炭工程， 2017， 49 （12） 124- 127. [2] 吕坤， 冯吉成， 唐青豹， 等.塔拉壕矿 3203 辅运巷顶板变形破 坏机理及支护技术研究[j]. 煤炭工程， 2018， 50 （3 ） 95- 98. 作者简介 蒋冬生 （1990-） ， 男， 山西霍州人，2015 年毕业于安徽理 工大学， 工学学士， 目前在霍州煤电吕临能化公司庞庞塔煤 矿开拓一队工作， 从事采掘和安全管理方面的工作。 （收稿日期 2019- 2- 22） 99 ChaoXing