岩体采动裂隙演化规律及突水危险性决策模型研究

20世纪50年代初，比利时学者A.Labasse提出预成裂隙梁理论，该理论揭示了煤层及其顶板岩层在超前支承压力作用下产生预成裂隙的机理，为以后煤岩裂隙演化规律进一步发展起到了推动作用[29]。采动裂隙场因采场上覆岩层随工作面的推进而形成，根据不同区域上覆岩受力的形式与位置特征，裂隙场可以分为工作面上方裂隙场和采空区上方裂隙场，其中工作面上方裂隙场主要受到超前支承压力的作用，是煤岩体原岩应力场发生巨大变化而形成的，采空区上方裂隙场是由于煤岩体支承力突然消失后，采空区上方覆岩负重完全作用在顶板上而形成的[64-65]。煤岩体是一种固体介质，其具有一定的强度，当受到采动破坏时，内部的承载力将被改变，但是在一定范围内不会发生大面积的变形和崩塌，而其内部由于承载力的关系会产生一系列的裂隙，从围岩内壁延伸到岩体内部。在工作面的倾向方向，裂隙的分布是不均匀的，因为在采动的过程中，两巷与工作面受到的采动应力不均匀，而在工作面两侧巷道由于其承载面积大，而大面积的破坏较少。但工作面由于距离较长，特别是有些长壁综采工作面，开采强度大，工作面上方有大体积煤岩体剥落，相应的垂直应力全部作用在未开采的煤壁上，会产生大开度和高密度的裂隙。而在工作面走向方向，裂隙的分布也有较大的差异，反映为采空区上方的裂隙密度或数量要比煤壁上方发育得多。

对于覆岩裂隙分布规律及形态方面，Bai、Palchik、Karmis和Hasenfus等认为长壁开采覆岩存在三个不同的移动带[66-70]。为探寻采动作用下覆岩裂隙演化规律，国内外学者进行大量的研究，研究主要采用理论研究、数值模拟、相似材料模拟、地球物理探测技术、钻探、现场实测等方法，这些研究目的是探寻采动对裂隙形成、扩展、形态和岩体裂隙场分布规律的影响。

刘天泉院士，基于相似模拟和现场实践提出“横三区”“竖三带”的认识，描述采场上覆围岩走向上覆岩经历支撑影响区、离层区和重新压实区。纵向上由采空区向上分别为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，归纳得出了计算导水裂隙带高度的经验公式，很好地指导了工程实践[71]。

钱鸣高应用模型实验、图像分析、离散元模拟等方法，对上覆岩层采动裂隙分布特征进行了研究，揭示了长壁工作面覆岩采动裂隙的两阶段发展规律与“O”形圈分布特征[72]。同时，他还指出岩层的硬度、厚度、断裂长度及层序是影响上覆岩层离层裂隙分布的主要因素，覆岩关键层下的离层裂隙比较发育，随着工作面的推进，覆岩离层裂隙的分布呈现两阶段规律：前一阶段，离层裂隙在采空区中部最为发育，其最大离层率是后一阶段的数倍；后一阶段，采空区中部离层裂隙趋于压实，而采空区四周存在一个离层裂隙发育的“O”形圈。

黄庆享通过对陕北浅埋煤层保水开采的模拟研究与采动损害实测，揭示采动覆岩裂隙主要由上行裂隙和下行裂隙构成，采动裂隙带的导通性决定覆岩隔水层的隔水性[73]。黄炳香进行了覆岩采动导水裂隙分布特征的相似模拟实验和力学分析，提出了破断裂隙贯通度的概念和计算公式，并对采场中小断层对导水裂隙带高度的影响进行了研究，得出了采场小断层对导水裂隙高度的影响规律[74]。马立强以神东矿区浅埋煤层为研究对象，采用平板力学模型、三维模拟、数值计算、三维流固耦合系统等方法与手段，对沙基型薄基岩浅埋煤层覆岩导水通道分布特征开展了系统的研究，分析了隔水层的裂隙演化机理和发育过程及分布特征[75]。

裂隙现场观测作为一种直接的研究方法，并结合理论能够有效地对现场裂隙特征进行研究分析，宋选民等[76]在潞安矿区对五阳、王庄等矿进行了现场裂隙实测研究，通过在巷道内选取3～5个测区，每个区域巷道长度选择5m，对区域内的顶板裂隙分组测量，对每组的裂隙数目及其间距进行测量计算，并通过地质罗盘等方法对裂隙的方向进行计算测量，然后绘制巷道顶板的裂隙玫瑰花图，统计每个测区的裂隙分布特征的平均值，最终得到潞安矿区构造影响下裂隙分布的方位特征，为巷道布置提供理论依据，以保障巷道的稳定性进而保障安全生产。

近年来，钻孔彩色电视系统被广泛应用于多采动煤岩裂隙场的现场观察与研究。钻孔电视法是一种有效的探测覆盖层采动裂隙的方法，因为它可以直观地看到裂隙，便于对其尺寸、数量、长度和其他特征进行定量分析。主要用于探测煤层开采前的原岩裂隙发育，受采动影响的覆岩破坏特征以及老采空区的破坏状态。Wang Hongzhi[77]等以王家岭煤矿20105工作面为研究对象，采用钻孔电视法，研究了采动裂隙从煤层到地表的上覆岩层运动及时空演化规律。发现在采动的过程中覆岩经历了顶板垮落、裂隙产生、离层、错动、裂隙扩展、地表下沉、裂隙闭合等阶段。沿开采方向可分为启动阶段、活跃阶段和退化阶段。工作面采空区高度为采高的2.9～4.11倍，破碎带高度为采高的19.35～22.19倍。裂隙带中三个部分的高度范围分别为24～26m、40～45m和30～35m。在弯曲带观察到明显的裂缝，采空区上方地表出现台阶状沉陷和裂隙，破坏严重。

综放开采中采动压力大，覆岩破坏面积大，制约了综放开采的大量生产和安全生产。Li Sheng等[78]应用全视钻孔摄影技术与地震CT扫描技术相结合，研究了浅埋煤层综放工作面覆岩的变形破坏规律，确定了覆岩的破坏发展规律。全视钻孔摄影能揭示地层特征，地震CT扫描仪能反映孔间地层特征。联合测量技术可以有效地确定覆岩裂隙带和垮落带的高度。

由于研究覆岩采动裂隙演化特征对顶板控制、瓦斯抽放、灾害防治和高效开采具有重要意义，Ye Qing等[79]建立了室内相似材料模拟实验系统，对大倾角深部开采覆岩开采裂隙演化特征进行了研究，随着工作面推进，采空区范围逐渐扩大，覆岩假顶的形成基本反映了塌陷演化过程。覆岩的重量不断地传递到工作面前后，在煤柱两侧形成支护压力，引起采空区岩石的崩塌。煤层大倾角导致应力增加区压力不平衡，顶板覆岩出现离层现象。沿工作面倾斜方向，裂隙发育，岩层离层明显，为瓦斯流动和运移提供了通道。相似模拟结果为更好地了解覆岩采动裂隙演化特征提供了基础资料，对控制采煤巷道稳定性、优化瓦斯抽放钻孔布置、提高开采安全性具有重要意义。(www.xing528.com)

岩体原生的裂隙结构面网络具有分形特征，同样对于由于开采等原因形成的岩体新裂隙或原生裂隙的扩展裂隙、再生裂隙所构成的网络也具有分形特征。地下煤层采出后，采空区顶板在自重及其上覆岩层作用下向下弯曲和移动，当其内部拉应力超过岩石强度极限时，直接顶板便断裂、破碎而冒落，同时亦导致整个上覆岩层的破坏和陷落，这是一个相当复杂的力学过程，涉及上覆岩层的岩石力学性质、地质构造条件、开采长度和开采速度等因素。然而，在这一复杂的力学过程中可以发现，采空区的破坏断裂也具有分形几何的规律性[80]，为了更好地对采动裂隙进行研究，模型试验与数值模拟的方法被广泛应用。

Liu Xiuying[81]利用相似材料模拟实验，模拟了采动岩石裂隙的形成过程和分布，研究了垮落带岩体裂隙网络的演化规律，利用分形几何理论对裂隙带进行了研究。随着工作面推进，岩体裂隙由下至上发展，不同的裂隙网络形式对应着不同的工作面推进距离，后一种网络叠加了先前的网络，开采使岩体裂隙分布更加复杂。上覆岩层离层量是三个阶段的分离发展规律，包括起始相分离、膨胀相分离和闭合相分离。临界层沿任意点的分离经历了由小到大再到小而稳定的变化过程。同时，采动岩体裂隙的分形维数经历了从小到大的变化，在相同的开采宽度下，裂隙带的分形维数为垮落带的80%～90%，最后，当开采结束时，分形维数下降到一个比较稳定的值。

上行开采方法是我国煤矿安全生产中应用最为广泛的一种采矿方法。为了确定上行开采能否消除或降低煤层开采突出危险性，Liux等人利用FLAC3D软件建立数值模型，研究了上行开采过程中裂隙演化及能量的积累和耗散规律。采用现场测试对数值模型得到的裂缝演化进行了验证。结果表明，FLAC3D模型能较好地预测覆岩裂缝演化过程。研究结果有助于确定上行开采方式和进一步研究岩爆防治机理[82]。

Lu Yinlong[83]提出了一种基于细观力学的损伤流动耦合模拟方法，用于模拟承压含水层上方开采过程中底板岩层中裂隙的渐进发展和伴生渗流。该方法将基于微裂隙的连续损伤模型与广义Bio塑性相结合。并通过数值结果成功地再现了开采过程中底板岩层的应力重分布、声发射演化、裂隙发育、渗透性变化和突水通道的形成。采空区两侧出现渗透性强的最深裂隙带，随着开采距离的增加迅速向下延伸，最终进入下伏承压含水层形成贯通突水通道，突水压力和水流速度急剧增加。此外，在数值模型中引入了基于Weibull分布规律的非均匀性，研究了均匀性指数和承压水压力对非均质底板突水过程的影响。

池明波和张东升[84]将开采高度和隔水层位置作为分析含水层变化的主要影响因素。以伊犁四矿为例，采用通用离散元程序离散元模拟软件，以不同开采高度（3m、5m、8m、10m、15m、20m）和隔水层不同位置（上、中、下）为变化条件，建立了18个数值分析模型。通过研究扰动后含水层水资源的变化特征，总结出水压随开采高度和隔水层位置的变化规律，从而提出了以含水层水压变化作为判别采动裂隙发育程度的新判据。研究结果为评价采动裂隙发育程度提供了参考依据。

结构面在岩体的变形行为中起着重要作用。岩石不连续面的性质包括范围、方向、粗糙度、填充物和节理壁强度。粗糙度是指局部偏离平面度，它会影响摩擦角、剪胀性和峰值抗剪强度。分形维数（D）描述曲线、曲面或体积与直线、平面或立方体的变化程度。分形维数被认为是量化天然岩石节理剖面粗糙度的合适参数，对于完全平滑的轮廓，分形维数的最小值为1，对于极其粗糙的起伏轮廓，其最大值小于2。基于分形维数（D）的岩石裂隙节理粗糙度系数（JRC）已被提出了许多经验公式[85]。

岩石破裂面的不规则粗糙轮廓在统计学上可视为具有自相似性。谢和平等人应用分形几何来描述这种不规则性，研究分形几何在岩石力学中的应用。通过电子扫描和光学断口分析，研究了岩石破裂面的分形特征。最后得出了岩石断裂的分形维数与宏观力学量之间的关系。逐渐形成分形岩石力学这一新的交叉学科，同时也对采动岩体裂隙的分形特征进行研究[86-89]。齐庆新等[90-92]通过CT试验、相似材料模拟试验以及现场钻孔电视等对煤岩体在外力作用下的裂隙演化规律进行了研究，总结出裂隙集密度概念来描述煤岩体裂隙的演化规律，并且考虑到裂隙集度，对用于岩石类材料屈服判别的准则进行修正，通过采用考虑裂隙集度有效应力的方法，得到新的修正的D-P准则，并模拟了非均匀场煤岩体采动全过程，获得了应力、应变、位移和裂隙集度随工作面推进的分布规律。

综上所述，采动条件下煤岩体裂隙演化过程研究的核心问题是如何表征煤岩体中裂隙的特征。由于天然露头或人工开挖的限制，很难对岩体内裂隙的集合参数进行系统而准确的测量，对岩体中裂隙特征的完整描述也是非常困难的，有时甚至是不可能的。岩体中存在形态、大小、间距、密度和方向各异的裂隙，特别是它们相互交切，形成裂隙网络系统，使岩体具有结构性和不确定性的特点，成为岩体裂隙研究的难点之一。岩体裂隙几何形态的不确定性导致了岩体力学行为的不确定性，从而使得岩体力学问题定量化程度不高或定量成果可信度偏低。而岩体结构描述一直是岩体力学研究领域的难点，而对采场覆岩裂隙场的研究，其时空差异性特征对岩体裂隙的演化机理的研究具有重要意义。