急斜煤层顶板裂隙扩展诱导能量时-空演变特征

来兴平，刘简宁，崔 峰，刘晋冀，孟平原，刘 辉，曹建涛

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 陕西省岩层控制重点实验室，陕西 西安 710054；3.西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054；4.神华新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830027)

0 引 言

乌鲁木齐矿区急斜煤层地质环境复杂，原岩应力高，水平分段(最大段高30 m)综放开采使顶板在走向与倾向上悬露面积较大，随开采空间向深部区域推进，顶板断裂失稳致诱动力灾害频发[1-5]。开采扰动诱使顶板煤岩应力重新分布，顶板结构时空演化过程中应力诱导原生裂隙扩展和伴生次生裂隙，现场特征主要表现为局部煤岩失稳、岩层空间层位移动和煤岩结构畸变，岩体破裂过程必然伴随其内部损伤、变形破坏以及能量累积、转移等[6-11]。岩石断裂面的破坏将改变其力学性质，根据微裂隙的分布与断裂面的生成，将岩体损伤划分为损伤区、耐磨区和严重损伤区[12-17]。变革实验测试技术，对研究西部干旱半干旱地区深部采动煤岩体裂隙释能迁移与失稳致灾预报至关重要。文献[18]基于红外热成像技术对岩石破裂过程中温度演化规律进行监测，研究岩石破裂过程中的红外频谱的分布规律，刻画了岩石内部损伤机制。文献[19]剖析岩石加卸荷试验中声发射指标演变过程，表明岩石在低围压下累积破裂事件数呈抛物线型增加。文献[20]基于声发射对各向异性的岩石断裂过程研究表明岩石主导裂缝扩展方向主要从低应力区域向高应力区域过渡。

以碱沟煤矿B1+2煤层(倾角75°，厚度30 m)顶板失稳预测为研究目标，通过模型实验与岩体裂隙扩展与释能的“声-热”指标变化过程剖析，揭示急斜煤层顶板裂隙扩展诱导能量时-空演变特征，为急斜煤层动力灾害预测提供科学依据。

1 急斜煤层赋存条件

碱沟煤矿位于乌鲁木齐市内，地处博格达山复背斜西北翼，地质条件上划归于博格达山断裂带体系，局部存在逆冲推覆构造，地层逆冲运动使得煤岩体积储了大量的应变能。矿井处于西部干旱半干旱环境，主采煤层B1+2煤层走向自西向东(53°～55°)，煤层较厚(30 m)，顶底板坚硬且倾角大(75°)。+495 m水平B1+2煤层工作面上覆残留高阶段煤柱(124 m×108 m)，在通过煤柱的过程中，开采扰动诱导顶板破裂，内部裂隙扩展，顶板发生大规模断裂，从而频繁引发动力灾害。

2 急斜煤层顶板能量演变理论分析

急斜煤层水平分段综放开采主要为由浅及深的逐步推进。碱沟煤矿+495 m水平B1+2煤层顶板(中生代)处于距地表(标高+810 m)约325 m深度区间，顶板岩体在力学范畴中处于弹性或类弹性的工作状态。将顶板视为一个的六面体(如图1所示)。倾角为α，σH为水平方向上的应力，σV为垂直方向上的应力。则有

sinα=m，cosα=n

(1)

将顶板内N点视为一个单元体，结合式(1)可得单元体的受力分析

σ1=mσH+nσV=mλγH+nγH

(2)

σ2=σH=λγH

(3)

σ3=mσV-nσH=mγH-nλγH

(4)

式中λ为平均水平主应力与垂直应力的比值；H为距地表深度，m；γ为顶板岩层平均体积力，kN/m3.

图1 急斜煤层顶板赋存应力环境Fig.1 Stress status of roof in extremely steep coal seams

假设顶板裂隙扩展过程与外界没有热交换，空间应力对顶板单元体所产生的总输入能量为w，开采扰动诱导顶板裂隙扩展过程中必然伴随着能量的释放与耗散，根据热力学第一定律，可得

w=vε+vd

(5)

式中vε为单元体可释放应变能；vd为单元体耗散能。

应力空间中岩体单元能量求解可表示为

式中μ为泊松比；E为单元体的弹性模量。

式(9)描述了单元体释放应变能vε与耗散能vd大小关系。

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)

计算表明：当煤层倾角α为75°，vε-vd>0，即顶板岩体单元体中可释放应变能vε大于耗散能vd.顶板内部各单元体的可释放应变能vε(耗散能vd)叠加得到整个顶板的可释放应变能∑vε(耗散能∑vd)，耗散能的增加反映顶板强度不断弱化并最终丧失，当顶板强度减少到最小值时，内部微结构丧失内聚力，裂隙扩展使顶板所积储的可释放应变能以弹性能的形式开始释放。急斜煤岩体能量耗散使顶板破坏所需的表面能减小，顶板内部裂隙更易扩展，进而能量释放速率必然增加。

3 顶板破裂能量演变物理模型实验

3.1 实验模型构建

依据碱沟煤矿地质特征、岩体结构特点与实验平台尺寸(175 cm×117 cm×20 cm)，以B1+2煤层顶板为对象，开展急斜煤层顶板模型实验。指标监测采用平面实验平台配套的“声-热”监测系统，主要包括声发射与红外热像仪，前者采集模型顶板裂隙演化过程中单次破裂事件数的能率指标，后者主要监测模型顶板裂隙扩展过程的表面温度信息，可将红外热像的温度密度换算为热量密度，得出模型顶板裂隙扩展过程中的表面热量信息。实验拟通过物理模型开挖过程中“声-热”指标的变化趋势分析顶板岩体裂隙扩展过程中的能量演变特征。模型相似比为1∶150，模拟标高为+469至+641 m.地层剖面如图2所示。实验模型垂直方向加载0.71 MPa，水平方向加载1.31 MPa.模型物理力学参数与材料配比见表1，模型实验平台如图3(a，b)所示。

图2 地层剖面Fig.2 Stratigraphic profile

岩层名称岩性体积模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/GPa黏聚力/MPa内摩擦角/(°)容重/(kN·m-3材料配比质量/kg河砂石膏大白粉备注B3+6煤层老顶粉砂岩8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶725.101.513.50B3+6煤层直接顶泥岩7.963.831.413.6326.7020.086∶4∶616.981.141.68B3+6煤层直接底泥岩7.963.831.413.6326.7020.086∶4∶618.111.221.79B3+6煤层老底粉砂岩8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶718.751.132.63模拟岩层的容重相似比为8∶5中间岩体细(厚)砂岩8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶793.755.6313.13B1+2煤层老顶粉砂岩8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶718.751.132.63B1+2煤层直接顶泥岩7.963.831.413.6330.3320.086∶4∶611.320.761.12B1+2煤层直接底泥岩7.963.831.413.6326.7020.086∶4∶613.210.871.29B1+2煤层老底粉砂岩8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶718.751.132.63底部岩体细(厚)砂岩8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶7112.506.7515.75

图3 模型实验系统与测点布局Fig.3 Model experimental system and location of measurement points

3.2 实验模型开挖与监测仪器布置

对已构建的实验模型中B1+2煤层模拟综放面通过高阶段煤柱，开挖段高为0.15 m.实验监测仪器布置如图3(b)所示，热成像仪架设于实验平台前方(水平距离1.5 m)，监测区域为40×34 cm，声发射传感器布置于B1+2煤层顶板位置(模型背面)，布置坐标分别为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 实验结果与分析

3.3.1 声发射能率特征

图4反映了实验过程中单位每秒累计的声发射破裂事件数与能率关系。根据破裂事件数与能率变化趋势，将其变化过程分为6个阶段：阶段A1和B1为B1+2煤层直接顶裂隙扩展至破坏过程，阶段A2，A3，B2和B3为B1+2煤层老顶裂隙扩展至破坏过程。老顶的强度比直接顶大，所以阶段A2，A3，B2和B3比阶段A1和B1持续时间长。

图4 实验过程中声发射破裂事件数与能率的关系Fig.4 Relation of AE energy accumulation ratio and numbers of fracture during experiment

声发射在各个阶段的演化特征为：①阶段A1，A2和A3的顶板表面基本无明显裂纹，此阶段的能率与破裂事件数的值较小，持续时间较长(30 s左右)，增长速率较为缓慢，表征了顶板所集储的能量在较长的时间内缓慢释放；②阶段B1，B2和B3的能率与破裂事件数的演变趋势主要为骤增和骤减，此阶段的顶板裂隙扩展速率较快，顶板表面出现少量裂纹，随后裂纹尺度迅速变大直至发生离层，局部出现贯通趋势，能率与破裂事件数短时间内(13 s左右)快速变化。

3.3.2 红外热量特征

图5 实验过程中顶板表面破裂区形貌与热量特征Fig.5 Morphology and heat characteristics of the roof surface during the experiment

图5对比分析了实验中顶板破裂的表面形貌特征与顶板监测区域表面热量特征。分析表明：①伴随实验开挖过程中顶板每一次的破裂，表面破断区域均会在红外热像中出现热量异常区，以像素点范围为C24×R76热量异常区为例，依据不同的热量梯度划分了3个区域：热量较高区、热量过渡区和热量较低区(图6)，热量较低区主要出现在模型顶板表面无明显裂纹位置，热量过渡区主要在模型顶板表面出现少量裂纹位置，而热量较高区大多处于模型顶板已经发生断裂的位置；②顶板裂隙扩展阶段，热量异常区主要出现在离层裂隙位置，顶板热量异常区随着裂隙扩展在空间层位上进行迁移，当顶板破碎或失稳垮落阶段，上覆煤体部分垮落，红外热像中热量异常区迅速消失。监测区域内热量异常区的分布特征表明顶板裂隙扩展的过程伴随着热量产生与迁移。

图6 热量异常区划分Fig.6 Division of heat anomaly

3.3.3 “声-热”关系分析

顶板裂隙扩展诱发微破裂引起声发射的产生，与此同时破裂结构面之间的摩擦热效应会引起裂隙表面热量的产生，而顶板裂隙贯通直至失稳垮落会造成声发射衰减，也会使内部裂隙与空气接触而导致热量的逸散，导致顶板裂隙扩展过程会伴随着声发射能率与红外热量同时变化。

选取实验模型中老顶第二次破裂过程中声发射破裂事件的能率(单位每秒累计值)与红外热像的热量值。图7反映了实验中“声-热”特征时序变化趋势。将热量演化过程分为t1和t2阶段，能率则分为a1和a2阶段。从图7可看出，①热量特征值与声发射能率值的演变趋势基本相同，声发射能率在140 s之前达到最大值，而热量在140 s之后才达到最大值，较热量指标而言，能率指标具有前兆性；②模型顶板表面基本无裂纹时，热量(能率)在t1(a1)阶段中缓慢变化，持续时间较长(t1持续时间约40 s，a1持续时间约为35 s)，热量(能率)值较小；③模型顶板裂隙不断扩展直至发生大规模断裂时，热量(能率)在t2(a2)阶段出现骤增和骤减现象，持续时间较短(t2阶段持续时间约为17 s，a2阶段持续时间约为22 s)，由于模型顶板发生断裂使得内部裂隙与空气大量接触，导致热量逸散速率加快，而声发射能率变化趋势不受影响，所以t2阶段比a2阶段持续时间短。“声-热”指标的时序演化特征表明了模型顶板裂隙扩展经历了能量缓慢释放与加速释放阶段。

图7 “声-热”特征演化规律曲线Fig.7 Curve of “acoustic-heat” evolution characteristics

4 结 论

1)急斜煤层顶板裂隙扩展诱使能量释放与耗散，其中以能量释放为主，能量耗散致使顶板岩体强度降低，当内部损伤达到极限，顶板裂隙更易扩展，裂隙扩展诱导能量释放速率必然增加；

2)顶板裂隙扩展过程中声发射信号与红外热量同时变化，声发射能率与破裂事件数主要经历了缓慢变化、骤增与骤减的过程，红外热像呈现热量异常区产生与迁移；

3)“声-热”指标演化的实质是裂隙扩展诱导能量不均匀释放，“声-热”指标的演变特征揭示了急斜煤层顶板裂隙扩展诱导能量经历了缓慢释放与加速释放时-空演化过程，其中能量加速释放的过程易在短时间内诱发顶板冲击灾变，可为急斜煤层动力灾害预测提供科学依据。