急斜煤層頂板裂隙擴展誘導能量時-空演變特征

來興平，劉簡寧，崔 峰，劉晉冀，孟平原，劉 輝，曹建濤

(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.神華新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830027)

0 引 言

烏魯木齊礦區急斜煤層地質環境復雜，原巖應力高，水平分段(最大段高30 m)綜放開采使頂板在走向與傾向上懸露面積較大，隨開采空間向深部區域推進，頂板斷裂失穩致誘動力災害頻發[1-5]。開采擾動誘使頂板煤巖應力重新分布，頂板結構時空演化過程中應力誘導原生裂隙擴展和伴生次生裂隙，現場特征主要表現為局部煤巖失穩、巖層空間層位移動和煤巖結構畸變，巖體破裂過程必然伴隨其內部損傷、變形破壞以及能量累積、轉移等[6-11]。巖石斷裂面的破壞將改變其力學性質，根據微裂隙的分布與斷裂面的生成，將巖體損傷劃分為損傷區、耐磨區和嚴重損傷區[12-17]。變革實驗測試技術，對研究西部干旱半干旱地區深部采動煤巖體裂隙釋能遷移與失穩致災預報至關重要。文獻[18]基于紅外熱成像技術對巖石破裂過程中溫度演化規律進行監測，研究巖石破裂過程中的紅外頻譜的分布規律，刻畫了巖石內部損傷機制。文獻[19]剖析巖石加卸荷試驗中聲發射指標演變過程，表明巖石在低圍壓下累積破裂事件數呈拋物線型增加。文獻[20]基于聲發射對各向異性的巖石斷裂過程研究表明巖石主導裂縫擴展方向主要從低應力區域向高應力區域過渡。

以堿溝煤礦B1+2煤層(傾角75°，厚度30 m)頂板失穩預測為研究目標，通過模型實驗與巖體裂隙擴展與釋能的“聲-熱”指標變化過程剖析，揭示急斜煤層頂板裂隙擴展誘導能量時-空演變特征，為急斜煤層動力災害預測提供科學依據。

1 急斜煤層賦存條件

堿溝煤礦位于烏魯木齊市內，地處博格達山復背斜西北翼，地質條件上劃歸于博格達山斷裂帶體系，局部存在逆沖推覆構造，地層逆沖運動使得煤巖體積儲了大量的應變能。礦井處于西部干旱半干旱環境，主采煤層B1+2煤層走向自西向東(53°～55°)，煤層較厚(30 m)，頂底板堅硬且傾角大(75°)。+495 m水平B1+2煤層工作面上覆殘留高階段煤柱(124 m×108 m)，在通過煤柱的過程中，開采擾動誘導頂板破裂，內部裂隙擴展，頂板發生大規模斷裂，從而頻繁引發動力災害。

2 急斜煤層頂板能量演變理論分析

急斜煤層水平分段綜放開采主要為由淺及深的逐步推進。堿溝煤礦+495 m水平B1+2煤層頂板(中生代)處于距地表(標高+810 m)約325 m深度區間，頂板巖體在力學范疇中處于彈性或類彈性的工作狀態。將頂板視為一個的六面體(如圖1所示)。傾角為α，σH為水平方向上的應力，σV為垂直方向上的應力。則有

sinα=m，cosα=n

(1)

將頂板內N點視為一個單元體，結合式(1)可得單元體的受力分析

σ1=mσH+nσV=mλγH+nγH

(2)

σ2=σH=λγH

(3)

σ3=mσV-nσH=mγH-nλγH

(4)

式中λ為平均水平主應力與垂直應力的比值；H為距地表深度，m；γ為頂板巖層平均體積力，kN/m3.

圖1 急斜煤層頂板賦存應力環境Fig.1 Stress status of roof in extremely steep coal seams

假設頂板裂隙擴展過程與外界沒有熱交換，空間應力對頂板單元體所產生的總輸入能量為w，開采擾動誘導頂板裂隙擴展過程中必然伴隨著能量的釋放與耗散，根據熱力學第一定律，可得

w=vε+vd

(5)

式中vε為單元體可釋放應變能；vd為單元體耗散能。

應力空間中巖體單元能量求解可表示為

式中μ為泊松比；E為單元體的彈性模量。

式(9)描述了單元體釋放應變能vε與耗散能vd大小關系。

2E2)]

(9)

其中A=γ2H2[(m2+n2+1)λ2+m2+n2]

(10)

B=γ2H2[(m-n-mn)λ2+(m+n+m2-n2)λ+mn]

(11)

計算表明：當煤層傾角α為75°，vε-vd>0，即頂板巖體單元體中可釋放應變能vε大于耗散能vd.頂板內部各單元體的可釋放應變能vε(耗散能vd)疊加得到整個頂板的可釋放應變能∑vε(耗散能∑vd)，耗散能的增加反映頂板強度不斷弱化并最終喪失，當頂板強度減少到最小值時，內部微結構喪失內聚力，裂隙擴展使頂板所積儲的可釋放應變能以彈性能的形式開始釋放。急斜煤巖體能量耗散使頂板破壞所需的表面能減小，頂板內部裂隙更易擴展，進而能量釋放速率必然增加。

3 頂板破裂能量演變物理模型實驗

3.1 實驗模型構建

依據堿溝煤礦地質特征、巖體結構特點與實驗平臺尺寸(175 cm×117 cm×20 cm)，以B1+2煤層頂板為對象，開展急斜煤層頂板模型實驗。指標監測采用平面實驗平臺配套的“聲-熱”監測系統，主要包括聲發射與紅外熱像儀，前者采集模型頂板裂隙演化過程中單次破裂事件數的能率指標，后者主要監測模型頂板裂隙擴展過程的表面溫度信息，可將紅外熱像的溫度密度換算為熱量密度，得出模型頂板裂隙擴展過程中的表面熱量信息。實驗擬通過物理模型開挖過程中“聲-熱”指標的變化趨勢分析頂板巖體裂隙擴展過程中的能量演變特征。模型相似比為1∶150，模擬標高為+469至+641 m.地層剖面如圖2所示。實驗模型垂直方向加載0.71 MPa，水平方向加載1.31 MPa.模型物理力學參數與材料配比見表1，模型實驗平臺如圖3(a，b)所示。

圖2 地層剖面Fig.2 Stratigraphic profile

巖層名稱巖性體積模量/GPa剪切模量/GPa抗拉強度/GPa黏聚力/MPa內摩擦角/(°)容重/(kN·m-3材料配比質量/kg河砂石膏大白粉備注B3+6煤層老頂粉砂巖8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶725.101.513.50B3+6煤層直接頂泥巖7.963.831.413.6326.7020.086∶4∶616.981.141.68B3+6煤層直接底泥巖7.963.831.413.6326.7020.086∶4∶618.111.221.79B3+6煤層老底粉砂巖8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶718.751.132.63模擬巖層的容重相似比為8∶5中間巖體細(厚)砂巖8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶793.755.6313.13B1+2煤層老頂粉砂巖8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶718.751.132.63B1+2煤層直接頂泥巖7.963.831.413.6330.3320.086∶4∶611.320.761.12B1+2煤層直接底泥巖7.963.831.413.6326.7020.086∶4∶613.210.871.29B1+2煤層老底粉砂巖8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶718.751.132.63底部巖體細(厚)砂巖8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶7112.506.7515.75

圖3 模型實驗系統與測點布局Fig.3 Model experimental system and location of measurement points

3.2 實驗模型開挖與監測儀器布置

對已構建的實驗模型中B1+2煤層模擬綜放面通過高階段煤柱，開挖段高為0.15 m.實驗監測儀器布置如圖3(b)所示，熱成像儀架設于實驗平臺前方(水平距離1.5 m)，監測區域為40×34 cm，聲發射傳感器布置于B1+2煤層頂板位置(模型背面)，布置坐標分別為1#(0.981 9 m，0.200 4 m)、2#(1.028 6 m，0.467 6 m)和3#(0.918 4 m，0.240 5 m)。

3.3 實驗結果與分析

3.3.1 聲發射能率特征

圖4反映了實驗過程中單位每秒累計的聲發射破裂事件數與能率關系。根據破裂事件數與能率變化趨勢，將其變化過程分為6個階段：階段A1和B1為B1+2煤層直接頂裂隙擴展至破壞過程，階段A2，A3，B2和B3為B1+2煤層老頂裂隙擴展至破壞過程。老頂的強度比直接頂大，所以階段A2，A3，B2和B3比階段A1和B1持續時間長。

圖4 實驗過程中聲發射破裂事件數與能率的關系Fig.4 Relation of AE energy accumulation ratio and numbers of fracture during experiment

聲發射在各個階段的演化特征為：①階段A1，A2和A3的頂板表面基本無明顯裂紋，此階段的能率與破裂事件數的值較小，持續時間較長(30 s左右)，增長速率較為緩慢，表征了頂板所集儲的能量在較長的時間內緩慢釋放；②階段B1，B2和B3的能率與破裂事件數的演變趨勢主要為驟增和驟減，此階段的頂板裂隙擴展速率較快，頂板表面出現少量裂紋，隨后裂紋尺度迅速變大直至發生離層，局部出現貫通趨勢，能率與破裂事件數短時間內(13 s左右)快速變化。

3.3.2 紅外熱量特征

圖5 實驗過程中頂板表面破裂區形貌與熱量特征Fig.5 Morphology and heat characteristics of the roof surface during the experiment

圖5對比分析了實驗中頂板破裂的表面形貌特征與頂板監測區域表面熱量特征。分析表明：①伴隨實驗開挖過程中頂板每一次的破裂，表面破斷區域均會在紅外熱像中出現熱量異常區，以像素點范圍為C24×R76熱量異常區為例，依據不同的熱量梯度劃分了3個區域：熱量較高區、熱量過渡區和熱量較低區(圖6)，熱量較低區主要出現在模型頂板表面無明顯裂紋位置，熱量過渡區主要在模型頂板表面出現少量裂紋位置，而熱量較高區大多處于模型頂板已經發生斷裂的位置；②頂板裂隙擴展階段，熱量異常區主要出現在離層裂隙位置，頂板熱量異常區隨著裂隙擴展在空間層位上進行遷移，當頂板破碎或失穩垮落階段，上覆煤體部分垮落，紅外熱像中熱量異常區迅速消失。監測區域內熱量異常區的分布特征表明頂板裂隙擴展的過程伴隨著熱量產生與遷移。

圖6 熱量異常區劃分Fig.6 Division of heat anomaly

3.3.3 “聲-熱”關系分析

頂板裂隙擴展誘發微破裂引起聲發射的產生，與此同時破裂結構面之間的摩擦熱效應會引起裂隙表面熱量的產生，而頂板裂隙貫通直至失穩垮落會造成聲發射衰減，也會使內部裂隙與空氣接觸而導致熱量的逸散，導致頂板裂隙擴展過程會伴隨著聲發射能率與紅外熱量同時變化。

選取實驗模型中老頂第二次破裂過程中聲發射破裂事件的能率(單位每秒累計值)與紅外熱像的熱量值。圖7反映了實驗中“聲-熱”特征時序變化趨勢。將熱量演化過程分為t1和t2階段，能率則分為a1和a2階段。從圖7可看出，①熱量特征值與聲發射能率值的演變趨勢基本相同，聲發射能率在140 s之前達到最大值，而熱量在140 s之后才達到最大值，較熱量指標而言，能率指標具有前兆性；②模型頂板表面基本無裂紋時，熱量(能率)在t1(a1)階段中緩慢變化，持續時間較長(t1持續時間約40 s，a1持續時間約為35 s)，熱量(能率)值較小；③模型頂板裂隙不斷擴展直至發生大規模斷裂時，熱量(能率)在t2(a2)階段出現驟增和驟減現象，持續時間較短(t2階段持續時間約為17 s，a2階段持續時間約為22 s)，由于模型頂板發生斷裂使得內部裂隙與空氣大量接觸，導致熱量逸散速率加快，而聲發射能率變化趨勢不受影響，所以t2階段比a2階段持續時間短。“聲-熱”指標的時序演化特征表明了模型頂板裂隙擴展經歷了能量緩慢釋放與加速釋放階段。

圖7 “聲-熱”特征演化規律曲線Fig.7 Curve of “acoustic-heat” evolution characteristics

4 結 論

1)急斜煤層頂板裂隙擴展誘使能量釋放與耗散，其中以能量釋放為主，能量耗散致使頂板巖體強度降低，當內部損傷達到極限，頂板裂隙更易擴展，裂隙擴展誘導能量釋放速率必然增加；

2)頂板裂隙擴展過程中聲發射信號與紅外熱量同時變化，聲發射能率與破裂事件數主要經歷了緩慢變化、驟增與驟減的過程，紅外熱像呈現熱量異常區產生與遷移；

3)“聲-熱”指標演化的實質是裂隙擴展誘導能量不均勻釋放，“聲-熱”指標的演變特征揭示了急斜煤層頂板裂隙擴展誘導能量經歷了緩慢釋放與加速釋放時-空演化過程，其中能量加速釋放的過程易在短時間內誘發頂板沖擊災變，可為急斜煤層動力災害預測提供科學依據。