岩体采动裂隙时空演化及突水危险性模型研究

随着煤炭需求量的不断增加，浅部资源逐渐减少和枯竭，矿井深度不断加深，如徐州、开滦、淮南、新汶等矿区，进入深部开采，开采深度超过800m，甚至达到1000m。煤的沉积通常是多煤层的形式，大多数地下煤矿开采都面临着多煤层开采情况，各个煤层具有不同的夹层厚度和地质条件，存在相互作用的可能性，这可能会对工作面开采造成灾害。在先前煤层开采完成后，工程师可能会在旧工作区上方或下方进行新工作面的开采，这样就会导致覆岩破坏开采岩层移动控制的问题。除了覆岩控制问题外，多煤层开采交互作用也会产生其他安全问题。我国深部煤矿大多为多层煤层长壁开采，岩层的多次采动导致的岩层破坏情况更加复杂。例如，相互作用可以形成瓦斯、水或泥砂的迁移路径，从而导致工作面的瓦斯涌出和突水的危险。因此，准确评价覆岩在多次（重复）采动后的破坏演化，对防治水害和煤矿开采设计都具有重要意义。

Tan Yunliang等[200]为确保多个煤层开采过程中工作面的安全，在梁理论基础上建立了煤层开采后上覆岩层的破坏准则，并考虑了煤层层间距、工作面的尺寸和岩层性质特征对多次开采后覆岩破坏带高度的影响。同时，采用新研制的电控水流量检测仪对现场开采过程中覆岩破坏进行了探测。在煤层间距较大的情况下，下部煤层的开采不会改变上部煤层顶板岩层的破坏规律。下部煤层开采厚度越大，上部煤层覆岩裂隙越多，覆岩破坏带高度越大。此外，工作面开采造成的覆岩破坏程度随覆岩硬度的增加而增大。

同样的，多煤层长壁开采引起的覆岩变形沉陷的剖面往往不同于单煤层开采。因此，传统的地表沉陷预测方法对多煤层开采沉陷预测的可靠性较差。Ghabraie等[201]在澳大利亚的一个多煤层开采的案例研究中，对单煤层和多煤层开采参数进行了研究，并发现了显著差异，因此建立了适用于每种多煤层开采方式的多煤层开采沉陷特征模型。他们所提出的模型随后用于对传统方法的修正。在改进的离散预测方法中，将多煤层开采划分为具有一定沉降参数的离散段，该方法可以灵活地考虑不同地段的多个沉降参数，从而可以预测多煤层开采下不规则沉降剖面。

隋旺华等[202-203]通过现场测试、相似材料模型试验和数值模拟等方法对水体下近距离煤层开采进行了研究，分析了煤层夹层厚度和性质对垮落带和导水裂隙带发育高度及其相互作用的影响，提出一个临界值来判断两个距离较近的煤层之间的相互作用和叠加是否可以被忽略。因此，对于近距离煤层要选择合适的开采方法，目前主要采用的是上行开采和下行开采方法，如图5-1所示，上行开采时首先开采下部煤层，然后开采上部煤层，当上下层煤间距与下部煤层开采厚度的比值满足一定值时，下层煤开采不会影响上层煤的开采，但是当煤层间距与下部煤层开采厚度的比值较小时，会对上层煤产生影响，甚至会导致上层煤不可采。而下行式开采顺序，是先开采上部煤层，后开采下部煤层，在上部煤层开采的过程中，基本上不会对下部煤层的开采产生影响，此方法为比较常用的近距离煤层开采方法。但是当煤层间距较小时，上层煤开采引起的矿山压力变化依然会影响到下层煤的开采。

图5-1　近距离煤层上行和下行开采方法(www.xing528.com)

相对于下行开采，上行开采需要进行研究以保证近距离煤层的安全开采，在上行开采中，目标煤层开采后，顶板岩体的重力作用使直接顶板和主顶板周期性冒落破坏，上覆岩层发生破坏和变形而形成裂隙网络。裂隙的分布与演化规律对煤层瓦斯的运移以及水砂的运移都有重要的影响，也成为影响顶板稳定性的主要控制因素。Wang Cheng等[204]利用模拟材料模型模拟了上行开采引起的覆岩裂隙的形成与分布，揭示了覆岩破坏的演化规律。应用分形几何理论和MATLAB软件分析了覆岩裂隙网络的分形特征。覆岩破坏演化呈梯形，并伴有层组崩塌，裂隙发育高度不连续跳跃。随着工作面的推进，裂隙网络的分形维数总体上呈逐渐增大的趋势，分为三个阶段，即分形维数快速上升阶段、分形维数缓慢上升阶段、分形维数稳定阶段。在垮落带、裂隙带和弯曲带，裂隙的发育、扩展和闭合具有非同步性和内在的相似性。

数值模拟方法由于其便捷性和高效性，被用于近距离煤层开采的研究，以山西省蒲县新梁峪矿浅层多煤层为研究区，对下部煤层开采裂隙对上一近距离煤层开采的影响进行研究，采用RFPA2D软件建立了近距离煤层多煤层开采数值模型，研究了覆岩破坏、裂隙发育和再发育规律，研究了垂直应力的变化规律对工作面进行了分析。下部开采会导致采动裂隙的再发育，增加上一次采空高度，属于近距离煤层；重复开采引起采场垂直应力集中系数降低。最后，影响含水层甚至地表水的结果与观测结果一致[205]。

Guo Hua等[206]对安徽省某煤矿深部多煤层长壁开采引起的岩层移动、应力变化、裂隙和瓦斯流动动力学进行了综合研究。对其中一个长壁工作面覆岩位移、应力和水压变化进行了现场监测。此外，还利用三维有限元程序对长壁工作面岩层动态进行了三维建模。这项研究为采矿引起的地层应力变化、裂隙和瓦斯流动模式之间复杂的动态相互作用带来了许多新的解释。根据现场监测和数值模拟的结果，确定了沿长壁工作面周长的三维环形覆岩破坏带，以实现开采过程中的瓦斯排放效果最佳。同时，还提出了一种实用的方法来确定这一区域的几何形状和边界。此研究为煤与瓦斯最佳共采设计提供了一种新的方法和工程原则。

综上所述，当两层被采煤层间的夹层较厚而无法进行联合开采时，需要作为近距离煤层，此时需要采用上行或下行开采的顺序方法。无论是上行开采还是下行开采，在同时采用综放开采时，第一层煤开采时的覆岩裂隙时空演化特征与前文第4章单煤层开采导致的覆岩裂隙时空演化规律的分析研究结果类似。但是，当在第二层煤开采时，采动覆岩裂隙由于重复采动作用，采动覆岩裂隙的时空演化特征受到煤层层间距以及煤层厚度等的影响，覆岩裂隙的时空演化特征会发生变异。因此，有必要分别对上行开采和下行开采覆岩裂隙分布及演化规律进行研究，重复采动导致的覆岩裂隙网络更加复杂，无论是水砂还是瓦斯等有害气体的运移都会受其影响，因此对于近距离煤层开采覆岩破坏突水溃砂、瓦斯突出等矿山灾害研究有重要的意义。根据第4章单煤层采动岩体裂隙的时空演化特征参数可知，裂隙场裂隙的分形维数和裂隙熵对采动岩体裂隙的时空状态有决定性作用，因此更加需要对近距离煤层上行与下行重复采动情况下覆岩的裂隙场裂隙的状态、分形维数以及裂隙熵进行研究，首先确定分形维数和裂隙熵对近距离煤层重复采动覆岩裂隙的影响，然后研究分形维数和裂隙熵在近距离煤层重复采动覆岩裂隙演化过程中的作用。本章以两个不同开采顺序的近距离煤层工作面开采为例，通过相似模型试验，对近距离煤层上行和下行重复采动覆岩裂隙的时空演化特征进行讨论研究，揭示近距离煤层开采过程中重复采动导致的覆岩裂隙的时空变化机理。