綜放面覆巖運動“時-空-強”演化規(guī)律分析

來興平，許慧聰，康延雷

(1.西安科技大學 能源學院，陜西西安 710054；2.西安科技大學 陜西省巖層控制重點實驗室，陜西 西安 710054；3.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；4.國網(wǎng)哈密能源煤電有限公司，新疆 哈密 839000)

0 引 言

新疆是“新絲綢之路”經(jīng)濟帶規(guī)劃建設的大型煤炭能源基地之一，蘊藏大量巨厚煤層，多采用綜放開采方式。綜放面覆巖斷裂失穩(wěn)誘發(fā)動力災害一直以來都是制約安全開采的關鍵問題，研究揭示綜放面覆巖運動規(guī)律對保障新疆地區(qū)安全生產(chǎn)、保護地下水資源、保護生態(tài)環(huán)境至關重要。采動作用下綜放工作面覆巖斷裂失穩(wěn)直接影響支架穩(wěn)定性，且不同區(qū)塊頂板覆巖破斷下沉的“時間-空間-強度”特征迥異。受時空關系、覆巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，多場應力疊加與演化致災給現(xiàn)場安全防控提出了難題。

近年來眾多學者對不同開采條件下覆巖運動開展了深入的研究。錢鳴高等認為關鍵層運動是影響綠色開采的重要因素[1]。王雙明等研究了生態(tài)脆弱礦區(qū)含(隔)水層特征及保水開采分區(qū)[2]。許家林等認為神東礦區(qū)淺埋煤層覆巖存在4類特定條件的上覆巖層相互作用導致關鍵層結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)[3]。竇林名等揭示了3種覆巖空間結(jié)構(gòu)的礦壓規(guī)律[4]。謝廣祥等分析了不同開采厚度對綜放面覆巖運動規(guī)律影響[5]。潘俊峰等分析采場動態(tài)推進過程中，采動巖層塊體垂直與水平應力的動態(tài)演化特征[6]。來興平等研發(fā)了復雜煤巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)“聲-光-電”多元指標監(jiān)測與分析方法，揭示新疆特厚煤層綜放面覆巖破斷垮落及裂隙演化導水特征等[7-11]。曹建濤等揭示了急斜特厚煤層開采環(huán)境條件下深部開采擾動區(qū)結(jié)構(gòu)演化特征[12]。鞠金峰等通過覆巖垮落帶類拋物空間形態(tài)模型的構(gòu)建，得到了考慮不同煤層傾角條件下垮落帶巖體空隙量[13]。姜福興等利用高精度微地震監(jiān)測技術探測到千米深井厚煤層綜放面微震數(shù)目與圍巖破裂的關系[14]。邵小平等通過現(xiàn)場實測認為急斜煤層大段高工作面支架將受到其上方上覆巖層臨時結(jié)構(gòu)的保護作用，工作面沿走向具有明顯的周期性礦壓顯現(xiàn)[15]。馬念杰等基于深部采動巷道圍巖受力環(huán)境對深部采動巷道頂板穩(wěn)定性進行了綜合分析，認為當巷道圍巖雙向應力比值較小時，圍巖塑性區(qū)呈現(xiàn)蝶形分布特征[16]。隨采深與開采強度增加，開采擾動區(qū)(Mining Disturbed Zone，MDZ)煤巖呈現(xiàn)分區(qū)破裂與失穩(wěn)致災現(xiàn)象。因此加強精細數(shù)值建模與計算是綜放面覆巖穩(wěn)定性預測的前提與基礎[17-19]。

基于對工作面覆巖運動“橫三區(qū)”與“豎三帶”經(jīng)典理論的理解，以大南湖一礦綜放面覆巖穩(wěn)定性預測為目標，以1303綜放面為工程背景，將區(qū)塊鏈式演化思想應用于綜放覆巖運動數(shù)值模型構(gòu)建與鏈式演化過程精細計算，揭示綜放面覆巖運動“時間-空間-強度”演化與失穩(wěn)破壞規(guī)律，為安全開采提供科學依據(jù)。

1 煤層賦存條件和開采條件

大南湖一礦位于新疆哈密地區(qū)，地層層序自下而上分別是：下侏羅統(tǒng)三工河組(J1s)、中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)、頭屯河組(J2t)和第四系。1303工作面是3#煤層首采面，煤層平均厚度6.3 m，平均傾角10°，平均埋深210 m.3#煤層屬于典型的三軟煤層，煤層與頂?shù)装逑嚓P特性參數(shù)見表1.

表1 煤層與頂?shù)装逦锢砹W參數(shù)Table 1 Physical-mechanical parameters of top and floor upon coal seam

工作面上部分別賦存6.05，15.6 m粉砂巖，距工作面底部分別為6.5 m和22.5 m.采用ZF10000/20/32型低位放頂煤液壓支架，初撐力31.4 MPa.采煤機割煤高度2.8 m，放煤高度3.5 m，采放比1∶1.25，進尺0.8 m，放煤步距0.8 m.

2 覆巖區(qū)塊運動與鏈式演化計算原理

目前，采礦領域數(shù)值計算發(fā)展趨勢為：模擬尺度精細化、算例規(guī)模大型化。但大多數(shù)模型構(gòu)建與計算仍為大量的人工調(diào)參過程，具有很大隨機性，耗時費力，可靠性差。區(qū)塊鏈因其特殊的去中心化、時間不可篡改等優(yōu)勢，使區(qū)塊鏈演化計算過程成為有效可靠的精細數(shù)值計算新方法。如圖1所示，區(qū)塊是組成區(qū)塊鏈的基本單位，由區(qū)塊頭和區(qū)塊主體2部分組成，一個數(shù)據(jù)集合就是一個區(qū)塊，區(qū)塊鏈是由不同“區(qū)塊”按一定規(guī)則連接形成的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。巖層區(qū)塊頭的作用是鏈接前面的巖層區(qū)塊，并保持覆巖運動區(qū)塊鏈的完整性，而巖層區(qū)塊主體則記錄了覆巖運動區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)更新。巖層區(qū)塊之間通過鏈接之前的區(qū)塊來獲取巖層區(qū)塊頭的運動演化信息，從而形成相應的覆巖區(qū)塊運動與鏈式演化結(jié)構(gòu)[20]。

圖1 區(qū)塊鏈演化方式Fig.1 Organization structure of block chain

將區(qū)塊鏈思想引入采礦覆巖運動數(shù)值模擬過程中，實現(xiàn)覆巖運動計算模型的分區(qū)“塊化”，顯著提高數(shù)值計算過程的透明度和實時交互性，最終實現(xiàn)精細高效數(shù)值計算。

3 覆巖運動演化規(guī)律數(shù)值計算

3.1 數(shù)值計算模型建立

以大南湖一礦地質(zhì)與開采條件為背景，基于對工作面覆巖運動“橫三區(qū)”與“豎三帶”經(jīng)典理論的理解，選用三維有限差分程序FLAC3D，構(gòu)建開采擾動區(qū)覆巖運動數(shù)值計算模型(圖2)。本次計算模型建立采用分區(qū)“塊化”建模方式，以大南湖一礦開采條件和煤層柱狀圖為依據(jù)，各分區(qū)劃分網(wǎng)格原則為“重點考察區(qū)塊密集布置”，最后建立的開采擾動區(qū)覆巖運動數(shù)值計算模型由各區(qū)塊組合形成。分區(qū)“塊化”組合構(gòu)建模型方法的特點就是對重點考察區(qū)塊布置相對密集的網(wǎng)格，從而對模型進行合理簡化，使程序運算速度大大提高，最終實現(xiàn)精細高效數(shù)值計算。

圖2 計算模型構(gòu)建Fig.2 Computational model construction

該數(shù)值計算模型沿煤層走向長600 m，傾向?qū)?00 m，平均高200 m，模型模擬至煤層上部152 m.模型水平施加垂直應力2.45 MPa，底部和四周約束；y軸兩端留有160 m的煤柱，每次開挖推進8 m，累計開挖37步。頂板巖層和15.6 m粉砂巖分別以2，4 m的間距布置監(jiān)測點。

重點計算并考察3#煤層上部6.05，15.6 m頂板巖層區(qū)塊運動情況，揭示頂板覆巖“分離-協(xié)同”運動演化規(guī)律。

3.2 覆巖變化特征

將上覆巖層“塊化”為3個區(qū)域，即頂板巖層、中部巖層和上部巖層，由此考察不同覆巖區(qū)塊的運動演化規(guī)律。隨著工作面的推進，上覆巖層整體強度降低，離層現(xiàn)象逐漸出現(xiàn)于直接頂?shù)撞?。第五次開挖時(累計推進40 m)，由于頂板懸空面積不斷增大，達到其極限跨距，頂板發(fā)生初次垮落現(xiàn)象，垮落至15.6 m粉砂巖底部，垮落高度約16.8 m，老頂裂隙逐漸發(fā)育，且應力達到新的平衡狀態(tài)。隨著第6，7次的依次開挖，頂板發(fā)生隨采隨落現(xiàn)象。此時頂板巖層“區(qū)塊”發(fā)生應力演化，而中部“區(qū)塊”和上部“區(qū)塊”并未發(fā)生變化。

圖3 頂板巖層垮落特征Fig.3 Roof deformation characteristics

如圖3所示，9～15次開挖后，隨著工作面的持續(xù)推進，煤層回采后會遺留下一定范圍的懸頂，頂板受到方向向下的壓力，導致覆巖裂隙不斷發(fā)育并發(fā)生快速擴展，因此發(fā)生向上發(fā)展的巖層破壞。第15次開挖后(累計推進120 m)，巖層擾動至粗砂巖底部(高度約48 m)發(fā)生破損現(xiàn)象。由此可知6.05，15.6 m粉砂巖具有明顯的承載作用。此時頂板巖層“區(qū)塊”和中部巖層“區(qū)塊”發(fā)生應力演化，而上部巖層“區(qū)塊”并未發(fā)生變化。

第16次開挖后，每次開采均會造成覆巖運動沿走向和傾向演化，采空區(qū)上方的懸空頂板在自身重力和覆巖壓力作用下發(fā)生破斷，因此覆巖發(fā)生向上持續(xù)演化的巖層破壞。如圖4所示，第22次開挖后，原巖應力場在工作面推進過程中重新分布，上覆巖層變形進一步加大，采動覆巖裂隙持續(xù)擴展導致覆巖發(fā)生破斷，多次破斷造成覆巖逐漸下沉從而誘發(fā)頂板來壓，覆巖運動發(fā)生持續(xù)演化且演化至模型頂部；此時頂板巖層、中部巖層和上部巖層區(qū)域都發(fā)生了應力演化，加劇了頂板巖層區(qū)塊的應力集中程度。第28次開挖后，隨著應力逐漸增大模型頂部均出現(xiàn)塑性破壞，不同的巖塊間發(fā)生斷裂但保持較為穩(wěn)定的擠壓平衡現(xiàn)象，覆巖斷裂不再縱向發(fā)展，工作面達到充分采動，則上部巖層區(qū)塊整體發(fā)生彎曲下沉，從而出現(xiàn)覆巖“三帶”現(xiàn)象。綜合分析覆巖“三塊”區(qū)域：工作面底板為軟巖，隨開挖尺度增大，易發(fā)生底鼓。采空區(qū)上方老頂在水平拉力作用下易發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)、冒落，最終使頂板產(chǎn)生拉伸破壞。覆巖破壞演化特征是“裂隙發(fā)育擴展-破裂-垮落”。

圖4 巖層“三帶”顯現(xiàn)Fig.4 “Three zones” of rock formations appear

工作面初次來壓步距約40 m，而15.6 m粉砂巖初次垮落步距約120 m.頂板出現(xiàn)隨采隨落現(xiàn)象；覆巖分別以粉砂巖、中砂巖為界劃分“三帶”，且垮落帶、裂隙帶高度約為16.8，115 m.

3.3 應力變化特征

3.3.1 應力分布特征

覆層的破斷往往伴隨著能量的釋放和轉(zhuǎn)移，分別提取第7，15，22次開采覆巖應力分布情況，如圖5(a)所示。前15次開挖過程中，覆巖應力呈現(xiàn)為傳統(tǒng)的拱結(jié)構(gòu)；第15次開挖后覆巖應力集中范圍逐漸增大。在工作面推進的反復擾動下，頂板應力進入反復的“平衡-失穩(wěn)-再平衡”階段，應力集中位置始終向頂板上部方向發(fā)展，由于15.6 m粉砂巖具有承載作用，第22次開挖后分別在頂板巖層區(qū)塊和中部巖層區(qū)塊出現(xiàn)分離，并逐步擴大。同時頂部煤層出現(xiàn)“馬鞍”狀曲線，平均2個應力集中相差8m。由此可知：具有承載性的巖層受到外力破壞的情況下，均會出現(xiàn)應力集中，且具有較好的一致性。

隨著開采尺度加大，各承載層應力集中區(qū)域逐漸重合。如圖5(b)所示，第31次開挖后，2個承載層的應力出現(xiàn)“集中-分離-集中”的發(fā)展演化特征。

圖5 覆巖應力分布規(guī)律Fig.5 Stress distribution law of overburden

由此可知：由于承載層和開挖尺寸的不同且采空區(qū)堆積的破碎巖層散體與工作面尚未開采的煤層的物理力學參數(shù)有較大差異，因此不同位置的巖塊垮落特征也有差異：破碎散體巖塊對頂板的支撐能力相對較差，從而使采空區(qū)處有較大的頂板變形量；而工作面尚未開采的煤層對頂板有相對較強的支撐能力，導致其上方頂板的變形量較小。工作面前后頂板產(chǎn)生的變形量差異導致頂板巖層區(qū)塊破壞向上部發(fā)生急速演化，塑性變形向頂板巖層上部區(qū)塊發(fā)育，中部巖層區(qū)塊排列較為整齊，集中應力與形變均呈“先增大后減小”現(xiàn)象，因此發(fā)生“分離-協(xié)同”運動；應力出現(xiàn)“集中-分離-集中”現(xiàn)象，覆巖會由于再次重合后的應力而發(fā)生大范圍和高強度的運動。

3.3.2 支承應力演化特征

根據(jù)覆巖應力分布變化規(guī)律，分別提取出第7,15,22,31,37次開挖各應力監(jiān)測點的數(shù)值變化并對其進行分析。所得巖層應力演化規(guī)律如圖6所示。從圖6可看出，巖層頂板支承壓力影響范圍明顯大于15.6 m粉砂巖支承壓力影響范圍。

圖6 巖層應力演化規(guī)律Fig.6 Stress evolution law of rock seam

在應力出現(xiàn)“分離-疊加”的動態(tài)過程中，22次開挖后各應力峰值相差不大，表明隨開采尺度增加，工作面礦壓主要由15.6 m粉砂巖斷裂產(chǎn)生應力釋放。

從表2可以看出，15.6 m粉砂巖具有較強的穩(wěn)定性，致使兩巖層在第7，15次開挖過程中應力峰值相差較大，分別約為2.86 MPa和2.12 MPa.隨著開挖尺度的增加(22次后)，各巖層應力峰值基本呈線性增長。由此說明在22次開挖后，巖層運動具有同步性。

表2 支承應力峰值Table 2 Bearing stress peak

4 現(xiàn)場實測與評價

圖7詳細描述了開采期間(2017年4～5月)綜放面不同區(qū)塊支架的工作狀態(tài)、礦壓顯現(xiàn)的區(qū)域及覆巖出現(xiàn)裂隙的時間節(jié)點。

圖7 1303綜放面支架壓力Fig.7 Support pressure of 1303 fully mechanized caving face

沿工作面傾斜方向依據(jù)所受壓力不同對壓力集中區(qū)塊進行區(qū)分，從上至下大致分為5個壓力集中區(qū)：工作面中上部2個壓力集中區(qū)(1區(qū)和2區(qū))、工作面中間2個壓力集中區(qū)(3區(qū)和4區(qū))、工作面中下部一個壓力集中區(qū)(5區(qū))，集中范圍分別為工作面下順槽沿傾向方向上30～50 m，中間108～119 m與129～140 m，中上部170～192.5 m與210～231 m.頂板壓力從下向上經(jīng)歷了“升高-降低-升高-降低”的演化過程。工作面中上部與中下部的來壓強度較大，支架壓力超過40 MPa的數(shù)量較多，即1區(qū)和2區(qū)以及5區(qū)的支架壓力(紅色區(qū)域)偏高。工作面中間存在“雙駝峰”狀的壓力集中顯現(xiàn)區(qū)(3區(qū)和4區(qū))，3區(qū)和4區(qū)支架壓力基本在40 MPa以下，工作面2個順槽承受的動壓影響較為顯著，巷道受工作面采動影響較大。工作面推進約66 m(2017年4月)，考慮到工作面推進速度較慢，覆巖強度不高，工作面圍巖有充足的時間發(fā)生變形，這也降低了工作面突然發(fā)生來壓的可能性，但也會導致工作面來壓步距較小，巷道承受工作面采動影響作用的時間較長。這為準確判斷工作面來壓時間、空間位置與強度提供了重要依據(jù)。

5 結(jié) 論

1)在綜放面采動作用的影響下，具有承載性的巖層區(qū)塊均會出現(xiàn)不同程度的應力集中；巖層垮落根據(jù)承載層和開挖尺寸的不同，出現(xiàn)“分離-協(xié)同”運動現(xiàn)象，頂板出現(xiàn)隨采隨落現(xiàn)象。工作面初次來壓步距約40，15.6 m粉砂巖初次垮落步距約為120 m；

2)隨著工作面的繼續(xù)推進，綜放面頂板巖層運動呈現(xiàn)“破斷-平衡-破斷”的周期規(guī)律性。應力出現(xiàn)“重合-分離-重合”現(xiàn)象，重合后的集中應力加劇了覆巖運動的劇烈程度，覆巖會由于再次重合后的應力而發(fā)生大范圍和高強度的運動。覆巖以粉砂巖、中砂巖劃分“三帶”，垮落帶、裂隙帶分別約為16.8，115 m；

3)區(qū)塊鏈演化計算思想方法實現(xiàn)了覆巖運動計算模型的分區(qū)“塊化”，實現(xiàn)了精細高效數(shù)值計算。