基于巖石工程系統(tǒng)的煤層底板突水機制

劉再斌

(1.中煤科工集團 西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.長安大學 環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710054)

煤層底板突水受多種因素影響，采掘活動導致了巖體內(nèi)部結構及滲流特性的變化，是突水孕育及演化過程的誘因。底板突水影響因素之間相互作用，相互影響，并且隨著時間不斷地發(fā)生變化，各影響因素與其間的相互作用過程形成了復雜的底板突水系統(tǒng)，該系統(tǒng)難以用單因素分析方法進行描述。英國倫敦大學 Hudson教授在1992年提出的巖石工程系統(tǒng)(Rock Engineering Systems，RES)理論能夠為解決該類復雜系統(tǒng)分析問題提供有效技術途徑。RES將以系統(tǒng)的、動態(tài)發(fā)展的觀點分析處理巖石工程問題，既有系統(tǒng)中各組成要素的分析，又有各要素間相互作用機理的分析，從而可以很好地分析煤層底板多因素耦合作用機理[1-2]。RES方法已在煤與瓦斯突出危險性預測、煤層自燃危險性預測、邊坡穩(wěn)定性評價、地下巷道工程穩(wěn)定性分析等方面得到了應用[3-7]。本文提出一種優(yōu)化的RES方法，構建出各影響因素相互作用矩陣，不僅解決影響因素耦合機制分析問題，也可以基于相互作用矩陣構建水害綜合控制體系，為突水問題的研究提供一種思路和方法。

1 優(yōu)化的RES方法

1.1 元素間的相互作用

RES系統(tǒng)的基礎單元是元素及元素間的相互作用，用對角線元素表示變量，非對角線元素標明狀態(tài)變量之間的作用過程，形成二元的相互作用矩陣，順時針方向表示元素間作用的主動與被動狀態(tài)。典型的應力應變二元相互作用的矩陣如圖1所示。

圖1 應力應變矩陣

應力和應變處于主對角線上，是矩陣中互相作用的元素。以應變作為自變量，應力作為因變量時，作用的過程為左下角的元素。自變量為應力，因變量為應變式，作用的過程是右上角的元素。左下角的元素和右上角的元素相互對稱時說明應力與應變之間的關系固定，元素間的相互作用過程不斷循環(huán)。在巖石發(fā)生不可逆的破壞后，矩陣變?yōu)榉菍ΨQ二階矩陣，其內(nèi)部的相互作用不可重復性地循環(huán)。

1.2 系統(tǒng)構建

基于二元的相互作用矩陣，增加相互作用元素，不斷擴展矩陣，形成多源的巖石工程系統(tǒng)交互作用矩陣，如公式1所示。

(1)

當有n個相互作用元素時，矩陣主對角線上的元素，xij,i=j，構成相互作用的主體，其余的元素是相互作用的結果。

1.3 系統(tǒng)優(yōu)化

由于元素之間的相互作用既有過程又有結果，在機理性問題分析時除了關注相互作用的過程之外，往往也需要關注相互作用的結果。因此引入相互作用函數(shù)，進一步優(yōu)化巖石工程系統(tǒng)，提出優(yōu)化的RES系統(tǒng)(ORES)，在ORES系統(tǒng)中，非對角線元素表示相互作用的過程與作用結果之和。在二元相互作用矩陣中，相互作用結果表示為xij(i≠j)，采用函數(shù)元素表示相互作用的過程：

(2)

在一般情況下，相互作用過程不具有對稱性，fij≠fji。相互作用函數(shù)在對角線上時值為0，fij=0,i=j。相互作用過程矩陣(BIM)的形式為：

(3)

ORES矩陣為RES矩陣與BIM矩陣之和：

ORES=RES+BIM=

(4)

2 突水ORES網(wǎng)絡

采用優(yōu)化的巖石工程系統(tǒng)(ORES)分析煤層底板突水問題，采掘工程是突水的誘因，在突水的演化過程中滲流場與應力場的耦合效應是突水演化機理的本質(zhì)，煤層底板巖體結構控制著滲流應力耦合作用過程，因此將突水ORES系統(tǒng)的主對角線元素包括滲流場、應力場、巖體結構和采掘工程，構建的四階矩陣系統(tǒng)為：

ORES′=

(5)

在相互作用矩陣的基礎上可以形成突水多因素耦合作用網(wǎng)絡，如圖2所示。以帶箭頭的曲線表示相互作用過程。在突水網(wǎng)絡系統(tǒng)中，元素間的相互作用結果包括突水現(xiàn)象、防治水工程對策及防治水工程效果等。

圖2 突水網(wǎng)絡示意

突水ORES網(wǎng)絡由4個相互作用元素、12種相互作用過程及12個作用結果組成。主對角線元素x11是采掘工程，包括掘進及工作面回采等生產(chǎn)活動，是突水ORES網(wǎng)絡產(chǎn)生不斷變化的起因；應力場為x22，指的是系統(tǒng)所處的應力環(huán)境，包括原始地應力場與采動應力場，應力函數(shù)是分析巖體變形、破壞的基礎；巖體結構為x33，不同的底板巖體結構影響底板突水演化進程，受斷層、陷落柱影響，底板巖體結構分為不同類型；滲流場為x44，基底灰?guī)r含水層是底板突水的主要突水水源，滲透率張量用來反映巖體的滲流能力和滲流狀態(tài)，采動巖體滲流場的變化即為突水進程的演化。

煤層底板突水ORES網(wǎng)絡系統(tǒng)可以分為4個功能分區(qū)，包括工程活動、采掘活動擾動效應、滲流應力耦合矩陣和水害綜合控制方法等，如圖3所示。

圖3 RES網(wǎng)絡功能分區(qū)

3 采掘活動擾動效應

采掘活動發(fā)生之前，系統(tǒng)為自然過程-響應系統(tǒng)，采掘活動對矩陣施加了人為影響，形成了并行和隨時間變化的近場和遠場[8-10]。近場的范圍指的是突水系統(tǒng)影響的范圍，近場范圍大于采掘活動直接擾動的范圍。處在對角線下方的元素，x1i+f1i,i=2,3,4，是指采掘活動對滲流應力矩陣的作用過程及影響結果，包括對應力場的作用f12、對巖體結構的作用f13和對滲流場的作用f14。

采掘活動行程改變了原巖地應力場的分布，行程采動應力場，即x12元素；采掘活動一方面直接開挖了巖體，可能觸及導水通道，并使得采掘空間周邊的巖體發(fā)生變形移動，用x13表示巖體結構的采動影響結果。采掘活動對滲流場的影響一方面是直接導通的導水通道形成礦井突水通道，另外一方面造成底板隔水層底面與頂面之間存在水壓差，采掘活動對滲流場的作用結果是礦井為礦井涌(突)水，表示為x14。

4 滲流應力耦合作用

突水RES網(wǎng)絡左上方的3×3次級矩陣為應力滲流耦合矩陣，為突水演化過程中滲流應力耦合作用機制。

突水通道的演化過程主要是巖體結構的變化過程，受滲流場與應力場耦合作用控制，底板的破壞表示為x23元素，突水發(fā)生之后，通道在水動力條件的影響下，會產(chǎn)生一定的變化，滲流通道的演化特征表示為x43元素。

底板巖體的滲流狀態(tài)和滲透性能都可作為滲流場的特征，巖體滲透性能在壓應力狀態(tài)下下降，在應力釋放得到而提高，應力對滲流場的作用過程為函數(shù)f24。地下水進入采掘空間的滲流形態(tài)受巖體結構的影響，函數(shù)為f34，不同類型的突水通道具有不同的滲流特征。

巖體結構同樣影響應力場的分布，不同類型的突水通道周邊具有不同的應力積聚及釋放特征，應力場的分布特征為元素x32。高孔隙水壓條件可以降低巖體骨架有效應力，同時突水發(fā)生后由于大量失水，巖體骨架會產(chǎn)生應力積聚，滲流場對應力場的作用函數(shù)表示為f42。

5 水害綜合控制方法

突水網(wǎng)絡對角線上方的元素，xi1+fi1,i=2,3,4，是滲流應力耦合矩陣同采掘活動的影響及作用機理，是各項水害防治措施制定的依據(jù)。支護措施、疏水措施、注漿加固等工程措施改變巖體結構及滲流場狀態(tài)。

采掘工程開展前，充分考慮應力場的影響，合理布置采掘工程，優(yōu)化回采工藝，可以降低采掘活動對原始地應力場的干擾，減小采掘工程對整個系統(tǒng)的影響，從而降低突水概率。

在工作面回采過程中，通過充填開采、限高開采等措施降低回采工程對巖體結構的影響。

底板水害防治主要手段包括疏水降壓和底板注漿。在災害水源富水性較弱時，通過水壓的疏降可以減小突水危險性。底板注漿是底板水害防治的主要手段，在地面或者井下施工鉆孔，形成注漿通道，向底板巖體的裂隙、孔隙及空洞空間內(nèi)注入可以膠結、固化的漿液，封堵突水通道，加固底板巖體，降低突水發(fā)生的概率，減小底板涌水量。

6 結 論

(1)底板突水RES網(wǎng)絡系統(tǒng)涵蓋了煤層底板突水發(fā)生機理和煤層底板突水水害防治方法的主要內(nèi)容，是對滲流-應力耦合突水機理的概念性表述。

(2)采掘活動激發(fā)了網(wǎng)絡中不同路徑的循環(huán)作用，采掘活動的擾動效應包括對應力場、巖體結構和滲流場的影響。

(3)巖體是采掘活動發(fā)生的主體，巖體結構控制著滲流應力耦合作用機制，煤層底板滲流場和應力場分布特征受到底板巖體結構的控制。

(4)在突水網(wǎng)絡中任意節(jié)點施加干擾都能通過循環(huán)作用影響整個系統(tǒng)，產(chǎn)生全系統(tǒng)的響應。底板水害控制要綜合考慮巖體結構、應力場、滲流場等不同方面的影響因素，實現(xiàn)煤層底板水害的綜合動態(tài)控制。

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