不同破斷距下開采覆巖裂隙網絡分形特征研究

劉俊熙,張士川,2,沈寶堂,肖 越,李楊楊,張有成

(1.山東科技大學 能源與礦業工程學院,山東 青島 266590;2.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室,北京 102209;3.山東東山古城煤礦有限公司,山東 濟寧 272100)

神東礦區作為我國最大的煤炭生產基地之一,多為淺埋深、薄基巖及厚松散層煤田,且具有煤層傾角小、厚度大、構造簡單等優勢。該區域礦井一次采全高、工作面推進速度快等高強開采特點,使工作面頂板來壓顯現強烈,采動損傷由下至上傳遞,導致覆巖裂隙網絡發育更加復雜,形成了瓦斯運移、突水潰砂優勢通道[1-4],從而破壞覆巖整體穩定性,危及作業人員人身安全,制約礦山安全生產。

針對覆巖受強開采擾動影響的裂隙分布特征,眾多學者進行了深入研究。在理論研究方面,來興平等[5]引入開采損害理論,研究了厚松散層下三軟煤層開采覆巖運移規律及導水裂隙帶分布特征;趙毅鑫等[6]基于分形維數理論,對上灣煤礦超大采高工作面采動裂隙演化及耗散規律進行了詳盡分析;潘衛東等[7]構建了薄基巖覆巖裂隙擴展漸變破壞模型,研究表明,近距離煤層的重復采動極大地增加了覆巖巖體內裂隙密度及寬度;黃慶享等[8]應用裂隙尖端斷裂能量理論和Griffith準則分析上覆巖層裂隙二次擴展機理,給出了宏觀裂隙擴展速度和高度計算公式;楊達明等[9]采用壓力拱理論分析工作面開采后覆巖破壞情況。由于實際工程中覆巖運移及裂隙時空演化過程不易監測,而實驗室物理相似模擬能夠較好反映現場情況。Li等[10]研究得出淺厚煤層開采中關鍵層的斷裂特征和失穩運動模式對覆巖裂隙分布有顯著影響;崔峰等[11]采用物理相似模擬實驗研究了特厚煤層重復采動影響下覆巖裂隙發育規律,得出裂隙數量與開采深度呈正相關的結論;Miao等[12]研究了淺埋溝谷地貌、厚基巖條件下工作面覆巖裂隙演化規律,得出該賦存條件下采高是決定導水裂隙帶高度的主因;趙鵬翔等[13]、陳廣金等[14]研究了煤層群開采覆巖裂隙演化規律及分布形態特征。

諸多學者對單一煤層或煤層群重復開采擾動下覆巖裂隙的產生及發育演化規律做了大量卓有成效的研究。而針對神東礦區開采覆巖裂隙發育演化規律的研究大多停留在初步定性分析層面上,對于神東礦區不同區域內不同開采地質參數下,覆巖采動裂隙網絡空間分布演化規律的定量研究較少。因此,本研究以神東礦區大柳塔煤礦和上灣煤礦工作面為工程背景開展物理相似模擬實驗,結合分形維數理論,定量分析不同破斷距下覆巖裂隙網絡演化特征,為類似條件工作面采動損害控制提供有益借鑒。

1 基本頂周期破斷距影響因素

受采動影響,工作面每推進一段距離頂板即發生周期垮落現象。影響基本頂周期破斷距的因素有:基本頂厚度、抗拉強度、破斷巖塊下沉量、承載載荷、傳遞到基本頂的支持力及直接頂與基本頂未破斷巖梁接觸長度。其中,巖層厚度、抗拉強度以及承載載荷是影響周期破斷距的主要因素,破斷距同巖層厚度和抗拉強度呈正相關[15]。基于此,選取神東礦區地質構造相近、采礦方法相同,基本頂厚度及巖體力學性質不同的大柳塔煤礦52505和上灣煤礦12401工作面為工程背景,依次開展物理相似模擬實驗、覆巖裂隙網絡分形維數演化規律定量研究。

2 相似模擬實驗方案

2.1 模型設計

表1 工作面開采條件概況

2.2 模型鋪設

根據大柳塔煤礦52505工作面和上灣煤礦12401工作面地質柱狀圖,各巖層試件容重、抗壓強度和彈性模量等物理參量,選擇適宜材料及配比進行模型鋪設。模擬材料以河砂、碳酸鈣為骨料,石膏為膠結材料,云母作為巖層分層弱面進行模型搭建。待模型自然風干后在其表面噴涂白漆并分別設置水平和垂直線,均勻劃分10 cm×10 cm網格,網格交點處布置反光片(位移監測點)共280個。52505工作面測線從下至上依次編號A1～A12,12401工作面測線從下至上依次編號B1～B12,分別在兩工作面直接頂和基本頂頂部布設2條監測線,觀察煤層開采過程中覆巖運移及裂隙發育情況,全程用高清攝像機記錄。大柳塔52505和上灣12401工作面覆巖物理參數及配比分別見表2、表3。

表2 大柳塔52505工作面覆巖物理參數及配比

表3 上灣12401工作面覆巖物理參數及配比

3 開采覆巖裂隙網絡分布演化特征研究

大柳塔52505工作面和上灣12401工作面實際開采速度均為13.84 m/d,綜合考慮現場地質、開采條件等客觀因素,依據時間相似比,保證煤層上覆巖層充分運移,兩模型每44 min由左向右開挖一次,每次掘進5 cm。為降低邊界效應對實驗過程的影響,兩模型進刀端與停采線側至模型兩側邊界均留設20 cm保護煤柱。將實驗數據按幾何相似比轉換為實際開采數據,即模型開挖距離150 cm,模擬實際工作面推進225 m。試驗采用全部垮落法處理采空區頂板。

3.1 大柳塔52505工作面開采覆巖裂隙演化規律

大柳塔52505工作面整個開采活動基本頂共發生8次周期垮落,周期破斷距不等,為15～25 m,平均破斷距20 m(見表4)。自開切眼處開始推進,推進至36 m時(圖1(a)),直接頂與老頂分離并初次垮落至采空區,垮落巖塊長度4.1 m至7.7 m;推進至65 m時(圖1(b)),基本頂達到極限垮距失穩,進刀端和工作面兩側產生“V”型破斷裂隙后基本頂初次破斷,其頂部與上部未失穩巖層(粉砂巖)產生5.7 m離層,初次破斷距65 m;推進至87 m時(圖1(c)),采空區頂部上方出現大面積離層,破斷裂隙和層間裂隙分布范圍進一步擴大,關鍵層底層發生垮落,出現6.6 m離層,基本頂出現第1次周期來壓,破斷距21.5 m;推進至121 m時(圖1(d)),采空區上方產生兩處離層,頂板在工作面側未完全垮落而形成“鉸接梁”結構,由于關鍵層失穩破斷,上覆未垮落巖層在自重和圍巖載荷影響下大范圍垮落,破斷裂隙迅速發育至距煤層55.8 m處,基本頂第3次周期破斷,破斷距15.5 m;推進至162 m時(圖1(e)),層間裂隙發育至距煤層頂板93.3 m,采空區兩側裂隙繼續發育,覆巖中部冒落巖層的破斷裂隙和層間裂隙被逐步壓實。工作面推進至距開切眼225 m時停采(圖1(f)),開切眼和停采線兩側永久裂隙發育至地表,受采動影響覆巖最終呈現出明顯的“三帶”分布特征。實驗所得大柳塔52505工作面基本頂周期破斷距同文獻[16]現場實測結果基本吻合。

圖1 大柳塔52505工作面覆巖垮落形態

表4 大柳塔52505工作面周期破斷距統計

3.2 上灣12401工作面開采覆巖裂隙演化規律

上灣煤礦12401工作面整個開采過程共經歷5次周期破斷,破斷距分別為31、28、31、32和30 m,平均破斷距30.4 m(見表5)。自開切眼開始推進,上頂煤隨采隨落(圖2(a))。推進至71 m時(圖2(b)),直接頂原巖應力平衡狀態被打破,兩側應力集中,誘發破斷裂隙發育,由于煤層采高大,頂板運移自由空間大,故垮落頂板并未形成鉸接梁結構,而是滑落至采空區,巖塊破碎程度較劇烈,視為工作面發生初次來壓,頂板垮落高度距煤層頂板約22 m,層間裂縫繼續向上擴展。工作面推進至102 m(圖2(c)),基本頂觸矸后形成砌體梁結構,視為工作面發生首次周期來壓,第1次周期破斷距31 m,巖層垮落高度增至27.3 m。同時,垮落帶頂部與裂隙帶底部時空運移和抗彎強度存在差異,兩帶交界處形成高度為6.5 m的離層;當工作面推進至130 m(圖2(d)),采空區上部巖層垮落高度迅速增至62.3 m,開采煤層上部巖層垮落現象更為突出,此時離層高度5.1 m,基本頂發生第2次周期來壓;工作面推進至193 m(圖2(e)),裂隙帶中部橫縱裂隙逐漸閉合,工作面側新生裂隙不斷發育,離層最大高度降至1.7 m。工作面推進至停采線時(圖2(f)),覆巖破斷裂隙已貫穿至地表,煤層采動覆巖至下而上“三帶”劃分明顯。其中,垮落帶41.3 m,約為采高的4.8倍;裂隙帶109.2 m,約為采高的12.7倍。實驗所得上灣12401工作面基本頂破斷距同文獻[17]現場實測結果基本吻合,驗證了實驗數據的可靠性。

圖2 上灣12401工作面覆巖垮落形態

表5 上灣12401工作面周期破斷距統計

4 覆巖裂隙網絡分形特征分析

4.1 分形維數計算方法

采動覆巖裂隙動態發展具有復雜性,分形幾何能定量描述采動覆巖裂隙分布的無序性。采用Matlab工具箱中的Fraclab分形分析軟件,計算采取面積覆蓋法,以尺度ε的方格網覆蓋受采動影響巖體裂隙分布區域,計算位于不同尺度網格中長度不小于相應網格尺度的采動巖體裂隙數量N(ε),利用式(1)對不同空間占位的裂隙賦存狀態進行分形維數定量計算。

(1)

式中:D為分形維數,ε為網格尺度裂隙邊長,N(ε)為網格尺度裂隙條數。

將工作面推進不同距離覆巖裂隙演化圖使用Matlab和Photoshop依次進行二值化、去干擾和反色處理(圖3)。將裂隙網絡色值取反圖導入Fraclab工具盒進行分析計算,得到lnN(ε)～ln(1/ε)關系曲線,導出計算結果基于最小二乘法進行線性擬合,擬合結果為一次函數,函數斜率的絕對值即為所求區域覆巖裂隙分形維數。

圖3 圖片處理演示

4.2 不同破斷距下覆巖裂隙演化分形規律

為分析不同破斷距下不同工作面覆巖裂隙分形維數隨工作面推進演化趨勢,將兩工作面每次周期破斷時覆巖裂隙網絡進行分維值計算,對應的分形維數演化曲線見圖4。可知,兩工作面覆巖裂隙分形維數曲線均呈階梯形增長趨勢,分為跳躍式上升段和緩慢波動段。其中,跳躍式上升段對應開采過程中覆巖裂隙“張開-閉合”不平衡無序結構狀態,緩慢波動段對應開采過程中覆巖裂隙“張開-閉合”平衡有序結構狀態。

圖4 不同破斷步距工作面分形維數曲線

按照分形維數增加速率的不同,將大柳塔52505工作面分形維數隨推進距離變化曲線大致分為3個階段:階段1(45～106 m)為低速增長階段,此階段經歷基本頂初次垮塌和兩次周期垮塌,分形維數由1.651 2升至1.663 1;階段2(106～182 m)為中速增長階段,此階段經歷關鍵層失穩破斷,上覆巖層大范圍垮落,由于不同巖性巖層抗彎強度存在差異,兩巖性交界處產生大面積離層,覆巖分形維數由1.663 1升至1.695 7;階段3(182 m～停采線)為高速增長階段,工作面推進至225 m時,開切眼和停采線側破斷裂隙已發育至地表,且工作面側新生裂隙密度和發育程度優于壓實區閉合裂隙,覆巖分形維數由1.695 7躍至1.737 5。上灣12401工作面分形維數隨推進距離變化曲線大致經歷2個階段:階段1(45～130 m)覆巖分維值由1.651 7升至1.671 3,采動覆巖內裂隙不斷新生,同時部分裂隙與原生裂隙貫通、壓實,分形維數增長幅度較小;階段2(130 m～停采線)覆巖分形維數曲線增長幅度顯著提高,由1.671 3躍至1.725 9。相比大柳塔52505工作面,上灣12401工作面推進周期破斷步距更大,周期破斷前在斷裂線處積聚大量能量,工作面推進至周期破斷點時,能量急劇釋放,宏觀表現為上覆巖層破斷,新生裂隙迅速發育擴展,從而分形維數大。覆巖裂隙網絡分形維數直接反映其空間占位情況(裂隙的發育、貫通和閉合),空間占位大小直接表現為覆巖裂隙分布的復雜程度,故分形維數可較好地表征覆巖裂隙分布。

4.3 工作面導水裂隙帶發育高度與分形維數關系

為研究兩工作面導水裂隙帶發育高度與分形維數間的關系,沿煤層走向選取距開切眼60～195 m范圍,測量覆巖導水裂隙帶發育高度,并計算相應的覆巖裂隙網絡分形維數,繪制關系曲線如圖5～6所示。

圖5 導水裂隙帶發育高度和分形維數隨推進過程對比

從圖5可以看出,工作面推進60～135 m范圍內,導水裂隙帶發育高度態勢趨于一致,同工作面推進距離呈正相關變化趨勢。分形維數曲線亦表現出同樣的增加趨勢,但增幅不同,105 m過后,大柳塔52505工作面較上灣12401工作面分形維數表現出顯著的增維現象,此范圍內,前者分形維數增量平均值為0.005 9,后者分形維數增量平均值為0.0039。工作面推進135～195 m范圍內,兩工作面導水裂隙帶發育高度差異明顯,大柳塔52505工作面高于上灣12401工作面,此階段導水裂隙帶發育高度與分形維數的變化呈現一定的漲落同一性。圖6表明,隨著工作面推進,導水裂隙帶發育高度與分形維數均近似呈現出非線性正相關性,隨分形維數的增加而增加。應注意,上灣12401工作面導水裂隙帶發育高度在56.1 m時,分形維數出現降低,表明此過程采動裂隙擴展貫通或是閉合現象較明顯。

圖6 導水裂隙帶發育高度和分形維數關系

4.4 工作面覆巖裂隙發育趨勢預測

大柳塔52505和上灣12401工作面不同推進距離下分形維數擬合曲線見表6,圖7為兩工作面分形維數D隨推進距離變化擬合曲線及95%置信區間分布。

圖7 兩工作面不同推進距離下D值擬合曲線.

表6 兩工作面分形維數擬合曲線和相關系數

相比之下,上灣12401工作面D值擬合曲線斜率較小,推進相同距離時,大柳塔52505工作面覆巖裂隙分形維數增量大。原因是兩工作面周期破斷距不同,大柳塔52505工作面周期破斷距小,破斷次數多,覆巖裂隙發育更為充分。可見破斷距對覆巖整體裂隙發育擴展趨勢有顯著影響。

圖8為相同推進距離下兩工作面分形維數曲線、覆巖裂隙網絡發育形態對比。結合圖7可知,工作面推進前期,上灣12401工作面覆巖裂隙分形維數大于大柳塔52505工作面,原因是上灣12401工作面采高大,頂板回轉垮落自由空間大,來壓顯現劇烈,致使垮落至采空區的巖塊較為破碎,D值大。隨著工作面不斷推進,大柳塔52505工作面覆巖裂隙分形維數超過上灣12401工作面,直至開采結束。推進至停采線時,二者D值差0.011 6,表明大柳塔52505工作面整體裂隙發育趨勢較上灣12401工作面顯著。綜上所述,基本頂破斷距越小,分形維數值越大,覆巖裂隙網絡發育情況越復雜,裂隙分布越不規律,工作面推進中后期形成更為錯綜復雜的突水潰砂通道可能性增大,在后續作業中須加強風險評估。

圖8 相同推進距離下兩工作面分形維數

5 工作面覆巖位移規律分析

煤層開采導致覆巖裂隙網絡沿走向和上覆巖層發育,進而產生水平變形和垂直位移,巖層水平變形不明顯,故主要對垂直位移進行監測分析,兩工作面覆巖位移沉降曲面圖如圖9。可以看出,覆巖整體下沉曲線呈梯形,近似以采空區中部對稱下沉。兩工作面覆巖位移沉降曲線自下至上寬度漸小,即覆巖距離煤層頂板越近的巖層位移越大,這是因為垮落至采空區的破斷巖塊具有碎脹性。此外,上覆連續性較好的巖層在運移過程中也會出現碎脹現象,導致近地表監測線位移變化較小,而近煤層側監測線受強開采擾動影響,位移變化量較大。大柳塔52505工作面上覆巖層最大下沉點位于工作面推進150 m處的直接頂頂部,最大下沉位移為7.1 m;最小下沉點位于工作面推進120 m時A12監測線處,為0.6 m。上灣12401工作面上覆巖層最大下沉點位于工作面推進180 m處的直接頂頂部,最大下沉位移8.7 m;最小下沉點位于工作面推進120 m時B12監測線處,為1.05 m。對比分析可知,大柳塔52505工作面覆巖兩條監測線間位移差較小,相比于上灣12401工作面,覆巖沉降曲面坡度較緩,即覆巖沉降量同工作面采高、破斷距呈正相關性。

圖9 兩工作面覆巖沉降曲面圖

6 結論

采用物理相似模擬的實驗方法,結合分形維數理論,研究了不同破斷距下覆巖裂隙網絡發展規律,主要結論如下。

1) 至開采結束,大柳塔52505工作面經歷8次周期來壓,平均破斷距20 m;上灣12401工作面經歷5次周期來壓,平均破斷距30.4 m。

2) 分形維數可較好地表征覆巖裂隙分布,不同破斷距下覆巖裂隙網絡的分形維數隨著煤層工作面的推進呈現階梯形增長態勢;推進至停采線時,大柳塔52505、上灣12401工作面覆巖裂隙分形維數值分別為1.737 5、1.725 9。兩者導水裂隙帶發育高度與分形維數變化趨勢均近似呈現非線性正相關,導水裂隙帶發育高度隨分形維數的增加而增加。

3) 不同破斷距對覆巖整體裂隙發育擴展趨勢影響顯著。工作面回采前期大柳塔52505工作面分形維數相對較低,回采中后期則相反,破斷距小,覆巖整體裂隙發育程度相對較高。

4) 通過對垂直位移監測線沉降分析得出,兩工作面覆巖沉降曲線呈“凸”型,近似以采空區中部對稱。覆巖沉降程度不一,大柳塔52505工作面上覆巖層最大下沉7.1 m,上灣12401工作面上覆巖層最大下沉8.7 m。因本研究著重分析神東礦區近水平淺埋煤層開采條件下的不同破斷距覆巖裂隙網絡分形特征,故所構建覆巖裂隙發育趨勢預測模型主要適用于類似地質開采條件的礦井,對于其他條件下的覆巖裂隙分形特征,有待于更進一步研究。