3-注漿加固工作面底板突水“孔隙-裂隙升降型”力學(xué)模型-許延春

2025/1/61注漿加固工作面底板突水“孔隙裂隙巖體升降型”力學(xué)模型匯報人：許延春博士，研究員，博導(dǎo)研究人：許延春，李見波單位：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）2025/1/626

結(jié)論5采動提升巖體類型的機理及突水結(jié)構(gòu)力學(xué)模型4注漿加固降低巖體類型的作用機理3孔隙-裂隙巖體類型提綱

1問題提出2研究思路1問題提出底板水患在中國華北型煤田十分普遍，突水系數(shù)：

正常條件，Ts≥0.1MPa/m；復(fù)雜地質(zhì)條件,Ts≥0.06MPa/m

防治水技術(shù)疏水降壓，但奧灰等強補給源難以實施；底板注漿加固改造，目前為主要方法，多個大水礦區(qū)采用，包括肥城，峰峰，焦作等底板注漿加固后，工作面突水事故及突水量大幅度下降底板注漿加固后，工作面也發(fā)生突水事故

2006年以來，焦作礦區(qū)有8個底板注漿加固工作面發(fā)生了突水事故?！按怪钡摹⑿》秶膶?dǎo)水通道”特點以往學(xué)者們對工作面底板突水的機理進行了大量研究，提出多種突水模型但是對于工作面底板注漿加固后再突水的機理研究很少，尚未形成突水力學(xué)模型有必要研究力學(xué)模型，指導(dǎo)工作面防治水2研究思路

認(rèn)為注漿加固后工作面底板發(fā)生出水的過程經(jīng)過3個不同階段：第一階段為底板巖體原始裂隙狀態(tài)，分為連通裂隙與非連通裂隙狀態(tài)，運用孔隙裂隙彈性體理論劃分4種巖體類型；第二階段，注漿加固主要改變巖體裂隙狀態(tài)，主要是裂隙得到充填，使連通性降低。第三階段，采動影響改變巖體性質(zhì)，主要是原有裂隙的擴張及連通，也可能產(chǎn)生新裂隙，使連通性增強。

裂隙類型降低原始裂隙裂隙類型升高注漿加固采動影響3孔隙-裂隙巖體類型

孔隙裂隙彈性理論是研究流體或熱流體在裂縫性非均質(zhì)多孔介質(zhì)中流動的基本理論。（白矛、劉天泉.孔隙裂隙彈性理論及應(yīng)用導(dǎo)論.石油工業(yè)出版社.1999年）

參照該理論對雙重孔隙介質(zhì)的劃分，按照底板巖體的破碎程度和裂隙連通性，將巖體大致分為4種類型。分別為：完整隔水巖體（Ⅰ型）、非連通裂隙巖體（II型）、連通裂隙巖性（III型）和破碎巖體（IV型）。1）完整隔水巖體（Ⅰ型）

（1）Ⅰ型底板巖層完整，裂隙少，連通性差，無斷層影響。則宏觀上基本符合單一孔隙體模式，例如完整的厚層泥巖類，一般為隔水層考慮有效應(yīng)力影響及孔隙壓力的一般應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可表示為：、其中，分別為應(yīng)變張量和應(yīng)力張量；p是流體壓力，E是楊氏模量，ν是泊松比，H是比奧常數(shù)。σkk是靜水壓力，可以寫成：σkk＝σ1+σ2+σ3。

、其中，k為滲透率，c*是集總可壓縮性。固體變形控制方程為：式中，λ是拉梅常數(shù)，G是剪切模量，ui是位移。流體控制方程為：2）II型裂隙巖層

（2）

II型巖層中存在裂隙，斷層等明顯強度弱面，但不貫通；例如，粉砂巖層或不導(dǎo)水?dāng)鄬佑绊懙哪鄮r層。弱含水層、該種類型巖層通常認(rèn)為由于裂隙的存在而把巖體介質(zhì)分成巖隙（裂隙體）和巖基（孔隙體）?？紫斗Q為原生孔隙，裂隙體中的裂隙稱為次生孔隙。該模型的固體變形控制方程：式中，m=1和2，分別代表巖基和巖隙。、相應(yīng)的流體相控制方程為：式中，k是等效單滲透率值，或總體系統(tǒng)的平均滲透率；Γ是表征因壓差；ΔP引起的裂隙流體和扎隙流體交換強度的流體交換速率；其前面的正號表示從孔隙中流出，負(fù)號表示流人孔隙中。3）

Ⅲ型導(dǎo)水巖層

（3）

Ⅲ型該種類型巖層是在Ⅱ型不導(dǎo)水裂隙巖層基礎(chǔ)上進一步發(fā)育形成的，裂隙通連導(dǎo)水，但儲水空間小。例如砂巖、薄層灰?guī)r等裂隙含水體等。、該模型的固體相控制方程與非貫通裂隙模型方程形式相同:、相應(yīng)的流體相控制方程為：式中，Km為m相的滲透率4）

Ⅳ型導(dǎo)、儲水巖層

（4）

Ⅳ型底板巖層比較破碎，表現(xiàn)為即有主裂隙通道，又有次生裂隙通道，出水幾率很高；例如：裂隙、巖溶性灰?guī)r含水層等。、該模型的固體變形控制方程：該模型的固體相控制方程與非貫通裂隙模型方程形式相同。式中，m=1、2和3，分別代表孔隙、裂隙和裂縫。、相應(yīng)的流體相控制方程為：式中，k3是裂縫滲透率；k13是巖基與裂隙的平均滲透率；Γij是i相與j相之間的流體交換率，并假設(shè)二相之間均存在內(nèi)于壓差引起的隙間流。4注漿加固降低巖體類型的作用機理（1）注漿前（2）注漿后焦作礦區(qū)趙固二礦11011工作面膠帶順槽注漿前后底板巖體的視電阻率

注漿加固難以改變巖石的力學(xué)性質(zhì)，主要使得破碎巖體裂隙及巖溶被充填，使巖體變得致密，裂隙的連通性隨之下降，從而巖層類型降低。注漿將IV型和III型巖體含水巖體，降為II型或I型巖體，弱含水或隔水巖體。I型巖體由于注漿困難不再降低。通過對工作面底板注漿前后的電法探測，可比較直觀認(rèn)識降型過程。4注漿加固降低巖體類型的作用機理注漿后的巖體加固體由巖石和充填材料組成，認(rèn)為是一種復(fù)合材料，按照復(fù)合材料的彈性模量的“混合律”

，則注漿加固體的彈性模量為：式中，E為注漿加固體彈性模量；E0為基巖彈性模量；D為空隙比矩陣，對于節(jié)理巖體；Er為注漿材料固結(jié)體的彈性模量；η為充填系數(shù)矩陣。

所以，注漿加固后巖體變?yōu)镮型時的固流耦合方程應(yīng)該滿足：5采動提升巖體類型的機理及突水結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

在采動作用下，工作面底板出現(xiàn)移動、變形和破壞。采動影響不會改變巖石的力學(xué)性質(zhì)。（1）注漿后底板巖體被充填的裂隙重新擴展并相互貫通；（2）巖石破碎也產(chǎn)生新的裂隙。使得巖體裂隙增加，連通性增強，導(dǎo)致巖體類型升高因此采動影響（采動應(yīng)力）是注漿加固后工作面底板出水的重要影響因素。5.1采動后底板破壞形成的底板應(yīng)力分布a底板應(yīng)力分布云圖b底板應(yīng)力分布模型圖由底板應(yīng)力分布模型圖b：A—拉伸破裂區(qū)；B—層面滑移區(qū)；C—巖層剪切破裂區(qū)；a1、a2、a3—原巖應(yīng)力等值線；b—高峰應(yīng)力傳播線；c—剪切破壞線，θ—原巖應(yīng)力傳播角，10°～20°左右；θ1—高峰應(yīng)力傳播角，20°～25°左右：θ2—剪切力傳播角，10°～15°左右。底板不同區(qū)域的垂向應(yīng)力σz為：底板不同區(qū)域的側(cè)向應(yīng)力σ3=λσz；式中：γ—上覆巖層容重；H—開采深度；K—應(yīng)力集中系數(shù)。5.2應(yīng)力作用下的裂隙擴展a

巖橋張拉型破壞模型b巖橋剪切破壞型按照斷裂力學(xué)理論，研究具有貫穿裂紋的平板在均勻應(yīng)力作用下，裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力場和位移場。巖石中裂隙相互貫通方式有三種模式：巖橋張拉型破壞(圖a)、巖橋剪切型破壞(圖b)、巖橋拉剪復(fù)合型破壞（圖c）。c巖橋拉剪復(fù)合破壞模型1）巖橋張拉型破壞

、由斷裂力學(xué)理論知巖橋的貫通強度σ1為：式中：L=l/a；a為節(jié)理的半長；F為裂紋間相互的影響因子；φ為裂紋與水平方向夾角；fs為巖石的摩擦系數(shù)；Cn，Ct分別為傳壓、傳剪系數(shù)。2）巖橋剪切型破壞

、由斷裂力學(xué)理論知巖橋的貫通強度σ1為：式中：α為巖橋傾角；Ct為巖石黏結(jié)力。3）巖橋拉剪復(fù)合型破壞

、巖橋的拉剪復(fù)合破壞（如圖c）是由于巖橋中部首先產(chǎn)生的張拉裂紋EF和原生裂紋AB、CD擴展出來的剪切裂紋AF、CE連通而引起的。

由斷裂力學(xué)理論知巖橋的貫通強度σ1為：式中：σt為巖石的單軸抗拉強度；Cr為巖石的黏結(jié)力；fr巖石的摩擦系數(shù)、從上面分析可以看出：

當(dāng)圍巖應(yīng)力達到巖橋的貫通強度時（σz>σ1），巖體中的裂隙開始擴展貫通；本來加固改造為I、II型的巖體由于裂隙重新發(fā)育，向更高類型發(fā)展；受到應(yīng)力的影響，局部可能重新發(fā)育為III、IV型巖體，形成導(dǎo)水通道，造成工作面突水事故。由于是局部弱點率先剪切升型，因此導(dǎo)水通道表現(xiàn)為“垂直的、小范圍的導(dǎo)水通道”特點。所以，注漿加固后巖體裂隙貫通的條件為：σz>σ1。當(dāng)應(yīng)力條件滿足時，裂隙開始發(fā)育，由I型巖體發(fā)育為II型、III型或者IV型巖體。5.3工作面突水結(jié)構(gòu)力學(xué)模型注漿后，底板巖體在采動影響下發(fā)育為IV型突水巖體，則應(yīng)滿足的固流耦合方程為：6結(jié)論（1）借鑒孔隙裂隙彈性理論，按照底板巖體的破碎程度和裂隙連通性。將巖體大致分為4種類型，分別為：完整隔水巖體（Ⅰ型）、非連通裂隙巖體（II型）、連通裂隙巖性（Ⅲ型）和破碎巖體（Ⅳ型）。并且分別給出了固流耦合方程。（2）研究了底板注漿加固具有降低巖體類型的作用。（3）研究了采動影