煤田露頭火區引起的地表塌陷形式及基巖破壞分析

張 培 王文才

(內蒙古科技大學礦業研究院,內蒙古自治區包頭市,014010)

煤田露頭火區引起的地表塌陷形式及基巖破壞分析

張 培 王文才

(內蒙古科技大學礦業研究院,內蒙古自治區包頭市,014010)

為了得到煤田露頭火區地表塌陷和上覆巖層破壞機理,通過火區實地考察結合理論分析的方法,揭示了地表塌陷的實質是火區上覆巖層的移動,且分為連續變形破壞和非連續變形破壞,將火區上覆巖層的破壞形式歸納為彎曲變形、移動垮落、巖體滑動、滑落充填、基巖滑移,并劃分了煤田露頭火區的“三帶”,其高度的確定可依據采空區“三帶”的計算方法進行判定。運用彈性力學方法分析得出了火區上下盤巖體的應力分量表達式,以及最大剪應力作用面的方位變化規律。

地表塌陷 基巖破壞 煤田火區 火區“三帶” 巖體彈性

煤田露頭煤層由于氧化蓄熱自燃,隨著火區不斷蔓延,燒空區不斷增大,露頭煤層的圍巖受溫度場和重力場的共同作用,將會產生不同程度的變形和破壞,導致地表形成裂隙、覆巖體滑動,從而形成了火區的進回風通道,為火區復合氧化燃燒提供必備條件,促進了火區的燃燒及發展,周而復始煤田火區形成燃燒—裂隙—供氧—再燃燒惡性循壞,最終致使地表產生各種塌陷現象,給人類賴以生存的自然環境帶來嚴重的破壞和巨大的資源浪費。因此,研究煤田露頭火區圍巖破壞與地表塌陷機理具有十分重要的意義。

文獻通過理論分析和數值模擬對煤田露頭火區燃燒的自然通風系統及其機理進行了分析,研究表明火區進出風通道氣體運動規律符合達西定律和布西涅斯基窄縫流體規律,并且對火區燃燒動力風壓進行了計算,運用數值模擬方法研究得出了火區自然通風的影響因素;通過自主設計相似模擬試驗,對煤田火區不同燃燒時期的標志性氣體進行了確定,并且反過來利用火區標志性氣體對火區的燃燒狀態判定進行了研究;對煤田火區塌陷破碎巖塊的滲透系數計算進行了研究。本文將基于以上研究運用實地考察和理論分析的方法對煤田露頭火區地表塌陷的實質和覆巖破壞機理進行揭示。

1 煤田露頭火區地表塌陷分析

1.1 地表塌陷現象與實質

在煤田露頭火區燃燒的過程中,露頭煤層的覆巖體會產生大量不同程度的裂隙,長期破壞可導致地表下沉和塌陷。燒空區、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燃燒提供了漏風流,促使火災的發展,形成了一個明顯的煤田火災地質效應,即燃燒→塌陷→燃燒的惡性循環,地表裂縫、下沉、塌陷等現象的實質是煤田露頭火區上覆巖層的移動。

從空間和時間兩個方面考慮,煤田露頭火區引起的地表破壞可以分為巖層連續性的變形破壞和巖層非連續性的變形破壞兩大類。火區上覆巖層連續性的變形破壞是指地表受火區燃燒損壞影響導致連續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,當露頭煤層厚度較大和燃燒深度較深時,火區上覆巖層地表破壞多表現為巖層連續變形破壞的下沉盆地分布特征。火區上覆巖層非連續性的變形破壞是指地表受火區燃燒損害影響致使產生大尺度裂縫、臺階式沉降、塌陷井等破壞形式的地表變化。非連續性地表變形破壞一般發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破碎構造帶或較大斷層等地質條件下。

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形式具有變化復雜多樣性,按照塌陷規模和塌陷程度可以分為地表裂縫塌陷、地表臺階塌陷、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成的,此種地表塌陷形式一般是因為地表水平拉伸位移變形造成的。地表裂縫塌陷往往發生在露頭煤層埋藏較淺、燃燒厚度較小的條件下和多個煤層燃燒引起的復合破壞條件下。

(2)地表臺階塌陷。對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高溫和重力場的共同作用下,巖體開始發生彈性變形,隨著燃燒深度的加深和燒空區頂板暴露面積不斷增大,當變形一旦達到彈性變形的極限后即會發生脆性斷裂破壞,從而地表可形成大裂縫,裂縫的燒空區一側覆巖下滑與另一側基巖形成落差,因此地表呈現出臺階塌陷形式。

地表塌陷的臺階落差高度和臺階步距以及臺階間裂縫寬度取決于兩個方面因素,一是煤層賦存的地質條件,包括煤層厚度、傾角、煤質、埋藏深度以及上覆巖層的力學特性等;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在自燃煤層傾角較大的急傾斜露頭煤層區。地表井坑塌陷在地表破壞中表現為高度非連續性移動變形破壞,按塌陷的深度可分為塌陷坑和塌陷井兩種形式。塌陷坑發生在煤層燃燒深度較淺的時候,而塌陷井則多發生在煤層深度燃燒后。

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

1.3 火區上覆巖層破壞形式

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

露頭煤層火區上覆巖層的破壞形式可歸納為以下5種情況:

(1)彎曲變形。對于近水平露頭煤層發生自燃時,火區燒空區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生彎曲變形。在彎曲變形巖層局部應力會超越彈性變形極限而產生少量細小裂隙,但基本上會保持原來的層狀結構與連續性。

(2)移動垮落。移動垮落是彎曲變形進一步嚴重的破壞形式。當燒空區直接頂板暴露區達到一定范圍,逐漸發生離層,一旦拉應力大于巖石抗拉強度時,直接頂自發垮落且破碎,充填燒空區,構成多孔介質區,成為火區漏風供氧通道。

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

(4)滑落充填。在燒空區頂板垮落充填后,煤田火區進一步燃燒加深而形成新的燒空區,此時充填區部分石塊受自重作用會沿巖層面向火區方向滑落再充填,這一過程稱為煤田露頭火區覆巖滑落充填。滑落充填一般發生在自燃煤層傾角較大的條件下。

(5)基巖滑移。對于自燃煤層傾角較大且底板巖層為軟巖的煤田露頭火區,當火區燃燒到一定深度時,燒空區底板巖層同樣受燒變破壞和自身重力影響,其水平拉應力加大,有時底板基巖失穩向燒空區隆起,嚴重時會發生滑移。

1.4 露頭煤層燒空區的“三帶”

在露頭煤層自燃過程中,煤層上覆巖層的破壞形式以及破壞程度在時間和空間上連續發生變形、移動、滑落、滾動等變化,是一個復雜而無嚴格規律的巖層破壞過程。對于煤田露頭燃燒深度較大的火區,燒空區上覆巖層的變形破裂可以借鑒工作面采空區上覆巖層的移動破壞規律進行研究。自燃煤層上覆巖層可以劃分為煤田露頭火區的“三帶”:垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,如圖1所示。

圖1 煤田露頭火區覆巖“三帶”示意

(1)垮落帶。燒空區直接頂與基巖離層,受自重和燒變影響發生破裂,呈現不規則狀巖塊或層狀巨石,并垮落充填至燒空區,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,但隨著時間延長或燃燒程度的加大,可得到一定程度的壓實。

(2)裂隙帶。垮落帶上部具有與火區貫通裂隙而未垮落的巖層區域帶稱為煤田火區裂隙帶。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,裂隙兩側巖體無明顯相對移動并保持層狀結構。

平行裂隙是由于不同巖層的力學性質差異較大,當發生彎曲變形時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育程度往往強于上部,平行裂隙一般與垂向裂隙和斜交裂隙錯落相交,形成復雜的富裂隙網,且與燃燒區貫通,為火區的氣體流動提供了運移通道。

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

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

煤田露頭火區“三帶”的高度取決于煤田火區的燃燒厚度和燃燒面積以及上覆巖層的力學特性。火區“三帶”高度的確定方法可參考前人對采空區“三帶”劃分研究成果,根據文獻,地下開采垮落帶的高度一般為采空區高度的3～5倍,當采煤厚度較小時為1.5～2倍;垮落帶和裂隙帶合稱導水裂隙帶,這兩帶的高度與采高和覆巖巖性有關,一般情況下,軟巖為采高的9～12倍,中硬巖12～18倍,堅硬巖層18～28倍。火區“三帶”高度的確定可依據上述值進行判定。

2 自燃煤層上下盤巖體彈性分析

以傾斜煤層露頭火區為研究對象,依據彈性力學理論分析方法,對自燃煤層的上下盤巖體受重力作用內部應力分布規律進行理論研究。煤田傾斜煤層火區示意如圖2所示。

圖2 煤田傾斜煤層火區示意圖

2.1 火區上盤巖體的應力分析

假設彈性介質為上盤巖體,如圖3所示,建立xoy坐標系,設巖體密度為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,運用彈性理論方法求巖體任意點應力分量。

圖3 火區上盤巖體的應力分析

根據以上條件,運用因次分析法假設應力φ的函數表達式是x與y的純三次多項式:

式中:a、b、c、d——均為假設的常系數。

根據彈性力學可得應力分量方程:

式中:σx——x方向的法應力;

σy——y方向的法應力;

τxy——xy平面的切應力。

將式(1)帶入式(2),得:

在上述分析中,應力分量應滿足以下邊界條件:

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)的面上無面力(即0),其外法線方向上余弦l＝0,m＝－1。斜面邊界(x＝y·tgα)上也無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,從而得出火區上盤巖體內任意點應力分量為:

2.2 火區下盤巖體的應力分析

假設彈性介質為下盤巖體,如圖4所示,建立xoy坐標系,巖體密度區ρ,體力分量分別為X＝0,Y＝ρg,巖體燒空面與y軸夾角α,運用與上盤巖體應力分析同樣的彈性力學方法求巖體任意點的應力分量并滿足邊界條件式(4)。

圖4 火區下盤巖體的應力分析

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

2.3 火區盤體內最大剪應力作用面的方位變化分析

由文獻可知,火區上下盤體內最大剪應力作用面的方位標志著巖體內可能剪切滑移方位。在上述求解巖體各點應力分量σx、σy、τxy基礎上可得到各點各個方位截面上的應力分布。

根據彈性力學確定巖體內最大剪應力作用面,求得最大剪應力作用平面法向的表達式為:

式中:θ——最大剪應力作用面外法線與x軸夾角。

在圖3和圖4的坐標系中,規定x軸沿順時針方向夾角為正,反之為負。

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

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

從式(8)和式(9)中可知,當x和y取不同值時,即可得出巖體內該點的最大剪應力方向場,從而得到最大剪應力作用面的方位變化規律。

3 結論

(1)地表裂縫、下沉、塌陷等現象的實質是煤田露頭火區上覆巖層的移動,可劃分為巖層連續變形破壞和非連續變形破壞,包含地表裂縫塌陷、地表臺階塌陷、地表井坑塌陷3種破壞形式。

(2)露頭煤層火區上覆巖層的破壞形式可歸納為彎曲變形、移動垮落、巖體滑動、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可以劃分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,煤田露頭火區的“三帶”高度的確定可依據采空區“三帶”的計算方法進行判定。

(4)通過理論分析,得到火區上下盤巖體內任意一點的應力分量的解析式分別為式(5)和式(6),從而得出了最大剪應力作用面的方位變化規律。

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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,河北平鄉人,碩士研究生,主要從事煤田火災及礦井瓦斯綜合防治的學習和研究。

(責任編輯 張艷華)

國家自然科學基金資助項目(51364028,51064018)

張培,王文才.煤田露頭火區引起的地表塌陷形式及基巖破壞分析[J].中國煤炭,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.