综放面覆岩运动“时-空-强”演化规律分析

来兴平，许慧聪，康延雷

(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.国网哈密能源煤电有限公司，新疆 哈密 839000)

0 引 言

新疆是“新丝绸之路”经济带规划建设的大型煤炭能源基地之一，蕴藏大量巨厚煤层，多采用综放开采方式。综放面覆岩断裂失稳诱发动力灾害一直以来都是制约安全开采的关键问题，研究揭示综放面覆岩运动规律对保障新疆地区安全生产、保护地下水资源、保护生态环境至关重要。采动作用下综放工作面覆岩断裂失稳直接影响支架稳定性，且不同区块顶板覆岩破断下沉的“时间-空间-强度”特征迥异。受时空关系、覆岩结构、地质构造等因素影响，多场应力叠加与演化致灾给现场安全防控提出了难题。

近年来众多学者对不同开采条件下覆岩运动开展了深入的研究。钱鸣高等认为关键层运动是影响绿色开采的重要因素[1]。王双明等研究了生态脆弱矿区含(隔)水层特征及保水开采分区[2]。许家林等认为神东矿区浅埋煤层覆岩存在4类特定条件的上覆岩层相互作用导致关键层结构的滑落失稳[3]。窦林名等揭示了3种覆岩空间结构的矿压规律[4]。谢广祥等分析了不同开采厚度对综放面覆岩运动规律影响[5]。潘俊峰等分析采场动态推进过程中，采动岩层块体垂直与水平应力的动态演化特征[6]。来兴平等研发了复杂煤岩体结构失稳“声-光-电”多元指标监测与分析方法，揭示新疆特厚煤层综放面覆岩破断垮落及裂隙演化导水特征等[7-11]。曹建涛等揭示了急斜特厚煤层开采环境条件下深部开采扰动区结构演化特征[12]。鞠金峰等通过覆岩垮落带类抛物空间形态模型的构建，得到了考虑不同煤层倾角条件下垮落带岩体空隙量[13]。姜福兴等利用高精度微地震监测技术探测到千米深井厚煤层综放面微震数目与围岩破裂的关系[14]。邵小平等通过现场实测认为急斜煤层大段高工作面支架将受到其上方上覆岩层临时结构的保护作用，工作面沿走向具有明显的周期性矿压显现[15]。马念杰等基于深部采动巷道围岩受力环境对深部采动巷道顶板稳定性进行了综合分析，认为当巷道围岩双向应力比值较小时，围岩塑性区呈现蝶形分布特征[16]。随采深与开采强度增加，开采扰动区(Mining Disturbed Zone，MDZ)煤岩呈现分区破裂与失稳致灾现象。因此加强精细数值建模与计算是综放面覆岩稳定性预测的前提与基础[17-19]。

基于对工作面覆岩运动“横三区”与“竖三带”经典理论的理解，以大南湖一矿综放面覆岩稳定性预测为目标，以1303综放面为工程背景，将区块链式演化思想应用于综放覆岩运动数值模型构建与链式演化过程精细计算，揭示综放面覆岩运动“时间-空间-强度”演化与失稳破坏规律，为安全开采提供科学依据。

1 煤层赋存条件和开采条件

大南湖一矿位于新疆哈密地区，地层层序自下而上分别是：下侏罗统三工河组(J1s)、中侏罗统西山窑组(J2x)、头屯河组(J2t)和第四系。1303工作面是3#煤层首采面，煤层平均厚度6.3 m，平均倾角10°，平均埋深210 m.3#煤层属于典型的三软煤层，煤层与顶底板相关特性参数见表1.

表1 煤层与顶底板物理力学参数Table 1 Physical-mechanical parameters of top and floor upon coal seam

工作面上部分别赋存6.05，15.6 m粉砂岩，距工作面底部分别为6.5 m和22.5 m.采用ZF10000/20/32型低位放顶煤液压支架，初撑力31.4 MPa.采煤机割煤高度2.8 m，放煤高度3.5 m，采放比1∶1.25，进尺0.8 m，放煤步距0.8 m.

2 覆岩区块运动与链式演化计算原理

目前，采矿领域数值计算发展趋势为：模拟尺度精细化、算例规模大型化。但大多数模型构建与计算仍为大量的人工调参过程，具有很大随机性，耗时费力，可靠性差。区块链因其特殊的去中心化、时间不可篡改等优势，使区块链演化计算过程成为有效可靠的精细数值计算新方法。如图1所示，区块是组成区块链的基本单位，由区块头和区块主体2部分组成，一个数据集合就是一个区块，区块链是由不同“区块”按一定规则连接形成的一种数据结构。岩层区块头的作用是链接前面的岩层区块，并保持覆岩运动区块链的完整性，而岩层区块主体则记录了覆岩运动区块链网络中的数据更新。岩层区块之间通过链接之前的区块来获取岩层区块头的运动演化信息，从而形成相应的覆岩区块运动与链式演化结构[20]。

图1 区块链演化方式Fig.1 Organization structure of block chain

将区块链思想引入采矿覆岩运动数值模拟过程中，实现覆岩运动计算模型的分区“块化”，显著提高数值计算过程的透明度和实时交互性，最终实现精细高效数值计算。

3 覆岩运动演化规律数值计算

3.1 数值计算模型建立

以大南湖一矿地质与开采条件为背景，基于对工作面覆岩运动“横三区”与“竖三带”经典理论的理解，选用三维有限差分程序FLAC3D，构建开采扰动区覆岩运动数值计算模型(图2)。本次计算模型建立采用分区“块化”建模方式，以大南湖一矿开采条件和煤层柱状图为依据，各分区划分网格原则为“重点考察区块密集布置”，最后建立的开采扰动区覆岩运动数值计算模型由各区块组合形成。分区“块化”组合构建模型方法的特点就是对重点考察区块布置相对密集的网格，从而对模型进行合理简化，使程序运算速度大大提高，最终实现精细高效数值计算。

图2 计算模型构建Fig.2 Computational model construction

该数值计算模型沿煤层走向长600 m，倾向宽300 m，平均高200 m，模型模拟至煤层上部152 m.模型水平施加垂直应力2.45 MPa，底部和四周约束；y轴两端留有160 m的煤柱，每次开挖推进8 m，累计开挖37步。顶板岩层和15.6 m粉砂岩分别以2，4 m的间距布置监测点。

重点计算并考察3#煤层上部6.05，15.6 m顶板岩层区块运动情况，揭示顶板覆岩“分离-协同”运动演化规律。

3.2 覆岩变化特征

将上覆岩层“块化”为3个区域，即顶板岩层、中部岩层和上部岩层，由此考察不同覆岩区块的运动演化规律。随着工作面的推进，上覆岩层整体强度降低，离层现象逐渐出现于直接顶底部。第五次开挖时(累计推进40 m)，由于顶板悬空面积不断增大，达到其极限跨距，顶板发生初次垮落现象，垮落至15.6 m粉砂岩底部，垮落高度约16.8 m，老顶裂隙逐渐发育，且应力达到新的平衡状态。随着第6，7次的依次开挖，顶板发生随采随落现象。此时顶板岩层“区块”发生应力演化，而中部“区块”和上部“区块”并未发生变化。

图3 顶板岩层垮落特征Fig.3 Roof deformation characteristics

如图3所示，9～15次开挖后，随着工作面的持续推进，煤层回采后会遗留下一定范围的悬顶，顶板受到方向向下的压力，导致覆岩裂隙不断发育并发生快速扩展，因此发生向上发展的岩层破坏。第15次开挖后(累计推进120 m)，岩层扰动至粗砂岩底部(高度约48 m)发生破损现象。由此可知6.05，15.6 m粉砂岩具有明显的承载作用。此时顶板岩层“区块”和中部岩层“区块”发生应力演化，而上部岩层“区块”并未发生变化。

第16次开挖后，每次开采均会造成覆岩运动沿走向和倾向演化，采空区上方的悬空顶板在自身重力和覆岩压力作用下发生破断，因此覆岩发生向上持续演化的岩层破坏。如图4所示，第22次开挖后，原岩应力场在工作面推进过程中重新分布，上覆岩层变形进一步加大，采动覆岩裂隙持续扩展导致覆岩发生破断，多次破断造成覆岩逐渐下沉从而诱发顶板来压，覆岩运动发生持续演化且演化至模型顶部；此时顶板岩层、中部岩层和上部岩层区域都发生了应力演化，加剧了顶板岩层区块的应力集中程度。第28次开挖后，随着应力逐渐增大模型顶部均出现塑性破坏，不同的岩块间发生断裂但保持较为稳定的挤压平衡现象，覆岩断裂不再纵向发展，工作面达到充分采动，则上部岩层区块整体发生弯曲下沉，从而出现覆岩“三带”现象。综合分析覆岩“三块”区域：工作面底板为软岩，随开挖尺度增大，易发生底鼓。采空区上方老顶在水平拉力作用下易发生回转失稳、冒落，最终使顶板产生拉伸破坏。覆岩破坏演化特征是“裂隙发育扩展-破裂-垮落”。

图4 岩层“三带”显现Fig.4 “Three zones” of rock formations appear

工作面初次来压步距约40 m，而15.6 m粉砂岩初次垮落步距约120 m.顶板出现随采随落现象；覆岩分别以粉砂岩、中砂岩为界划分“三带”，且垮落带、裂隙带高度约为16.8，115 m.

3.3 应力变化特征

3.3.1 应力分布特征

覆层的破断往往伴随着能量的释放和转移，分别提取第7，15，22次开采覆岩应力分布情况，如图5(a)所示。前15次开挖过程中，覆岩应力呈现为传统的拱结构；第15次开挖后覆岩应力集中范围逐渐增大。在工作面推进的反复扰动下，顶板应力进入反复的“平衡-失稳-再平衡”阶段，应力集中位置始终向顶板上部方向发展，由于15.6 m粉砂岩具有承载作用，第22次开挖后分别在顶板岩层区块和中部岩层区块出现分离，并逐步扩大。同时顶部煤层出现“马鞍”状曲线，平均2个应力集中相差8m。由此可知：具有承载性的岩层受到外力破坏的情况下，均会出现应力集中，且具有较好的一致性。

随着开采尺度加大，各承载层应力集中区域逐渐重合。如图5(b)所示，第31次开挖后，2个承载层的应力出现“集中-分离-集中”的发展演化特征。

图5 覆岩应力分布规律Fig.5 Stress distribution law of overburden

由此可知：由于承载层和开挖尺寸的不同且采空区堆积的破碎岩层散体与工作面尚未开采的煤层的物理力学参数有较大差异，因此不同位置的岩块垮落特征也有差异：破碎散体岩块对顶板的支撑能力相对较差，从而使采空区处有较大的顶板变形量；而工作面尚未开采的煤层对顶板有相对较强的支撑能力，导致其上方顶板的变形量较小。工作面前后顶板产生的变形量差异导致顶板岩层区块破坏向上部发生急速演化，塑性变形向顶板岩层上部区块发育，中部岩层区块排列较为整齐，集中应力与形变均呈“先增大后减小”现象，因此发生“分离-协同”运动；应力出现“集中-分离-集中”现象，覆岩会由于再次重合后的应力而发生大范围和高强度的运动。

3.3.2 支承应力演化特征

根据覆岩应力分布变化规律，分别提取出第7,15,22,31,37次开挖各应力监测点的数值变化并对其进行分析。所得岩层应力演化规律如图6所示。从图6可看出，岩层顶板支承压力影响范围明显大于15.6 m粉砂岩支承压力影响范围。

图6 岩层应力演化规律Fig.6 Stress evolution law of rock seam

在应力出现“分离-叠加”的动态过程中，22次开挖后各应力峰值相差不大，表明随开采尺度增加，工作面矿压主要由15.6 m粉砂岩断裂产生应力释放。

从表2可以看出，15.6 m粉砂岩具有较强的稳定性，致使两岩层在第7，15次开挖过程中应力峰值相差较大，分别约为2.86 MPa和2.12 MPa.随着开挖尺度的增加(22次后)，各岩层应力峰值基本呈线性增长。由此说明在22次开挖后，岩层运动具有同步性。

表2 支承应力峰值Table 2 Bearing stress peak

4 现场实测与评价

图7详细描述了开采期间(2017年4～5月)综放面不同区块支架的工作状态、矿压显现的区域及覆岩出现裂隙的时间节点。

图7 1303综放面支架压力Fig.7 Support pressure of 1303 fully mechanized caving face

沿工作面倾斜方向依据所受压力不同对压力集中区块进行区分，从上至下大致分为5个压力集中区：工作面中上部2个压力集中区(1区和2区)、工作面中间2个压力集中区(3区和4区)、工作面中下部一个压力集中区(5区)，集中范围分别为工作面下顺槽沿倾向方向上30～50 m，中间108～119 m与129～140 m，中上部170～192.5 m与210～231 m.顶板压力从下向上经历了“升高-降低-升高-降低”的演化过程。工作面中上部与中下部的来压强度较大，支架压力超过40 MPa的数量较多，即1区和2区以及5区的支架压力(红色区域)偏高。工作面中间存在“双驼峰”状的压力集中显现区(3区和4区)，3区和4区支架压力基本在40 MPa以下，工作面2个顺槽承受的动压影响较为显著，巷道受工作面采动影响较大。工作面推进约66 m(2017年4月)，考虑到工作面推进速度较慢，覆岩强度不高，工作面围岩有充足的时间发生变形，这也降低了工作面突然发生来压的可能性，但也会导致工作面来压步距较小，巷道承受工作面采动影响作用的时间较长。这为准确判断工作面来压时间、空间位置与强度提供了重要依据。

5 结 论

1)在综放面采动作用的影响下，具有承载性的岩层区块均会出现不同程度的应力集中；岩层垮落根据承载层和开挖尺寸的不同，出现“分离-协同”运动现象，顶板出现随采随落现象。工作面初次来压步距约40，15.6 m粉砂岩初次垮落步距约为120 m；

2)随着工作面的继续推进，综放面顶板岩层运动呈现“破断-平衡-破断”的周期规律性。应力出现“重合-分离-重合”现象，重合后的集中应力加剧了覆岩运动的剧烈程度，覆岩会由于再次重合后的应力而发生大范围和高强度的运动。覆岩以粉砂岩、中砂岩划分“三带”，垮落带、裂隙带分别约为16.8，115 m；

3)区块链演化计算思想方法实现了覆岩运动计算模型的分区“块化”，实现了精细高效数值计算。