不同破断距下开采覆岩裂隙网络分形特征研究

刘俊熙,张士川,2,沈宝堂,肖 越,李杨杨,张有成

(1.山东科技大学 能源与矿业工程学院,山东 青岛 266590;2.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室,北京 102209;3.山东东山古城煤矿有限公司,山东 济宁 272100)

神东矿区作为我国最大的煤炭生产基地之一,多为浅埋深、薄基岩及厚松散层煤田,且具有煤层倾角小、厚度大、构造简单等优势。该区域矿井一次采全高、工作面推进速度快等高强开采特点,使工作面顶板来压显现强烈,采动损伤由下至上传递,导致覆岩裂隙网络发育更加复杂,形成了瓦斯运移、突水溃砂优势通道[1-4],从而破坏覆岩整体稳定性,危及作业人员人身安全,制约矿山安全生产。

针对覆岩受强开采扰动影响的裂隙分布特征,众多学者进行了深入研究。在理论研究方面,来兴平等[5]引入开采损害理论,研究了厚松散层下三软煤层开采覆岩运移规律及导水裂隙带分布特征;赵毅鑫等[6]基于分形维数理论,对上湾煤矿超大采高工作面采动裂隙演化及耗散规律进行了详尽分析;潘卫东等[7]构建了薄基岩覆岩裂隙扩展渐变破坏模型,研究表明,近距离煤层的重复采动极大地增加了覆岩岩体内裂隙密度及宽度;黄庆享等[8]应用裂隙尖端断裂能量理论和Griffith准则分析上覆岩层裂隙二次扩展机理,给出了宏观裂隙扩展速度和高度计算公式;杨达明等[9]采用压力拱理论分析工作面开采后覆岩破坏情况。由于实际工程中覆岩运移及裂隙时空演化过程不易监测,而实验室物理相似模拟能够较好反映现场情况。Li等[10]研究得出浅厚煤层开采中关键层的断裂特征和失稳运动模式对覆岩裂隙分布有显著影响;崔峰等[11]采用物理相似模拟实验研究了特厚煤层重复采动影响下覆岩裂隙发育规律,得出裂隙数量与开采深度呈正相关的结论;Miao等[12]研究了浅埋沟谷地貌、厚基岩条件下工作面覆岩裂隙演化规律,得出该赋存条件下采高是决定导水裂隙带高度的主因;赵鹏翔等[13]、陈广金等[14]研究了煤层群开采覆岩裂隙演化规律及分布形态特征。

诸多学者对单一煤层或煤层群重复开采扰动下覆岩裂隙的产生及发育演化规律做了大量卓有成效的研究。而针对神东矿区开采覆岩裂隙发育演化规律的研究大多停留在初步定性分析层面上,对于神东矿区不同区域内不同开采地质参数下,覆岩采动裂隙网络空间分布演化规律的定量研究较少。因此,本研究以神东矿区大柳塔煤矿和上湾煤矿工作面为工程背景开展物理相似模拟实验,结合分形维数理论,定量分析不同破断距下覆岩裂隙网络演化特征,为类似条件工作面采动损害控制提供有益借鉴。

1 基本顶周期破断距影响因素

受采动影响,工作面每推进一段距离顶板即发生周期垮落现象。影响基本顶周期破断距的因素有:基本顶厚度、抗拉强度、破断岩块下沉量、承载载荷、传递到基本顶的支持力及直接顶与基本顶未破断岩梁接触长度。其中,岩层厚度、抗拉强度以及承载载荷是影响周期破断距的主要因素,破断距同岩层厚度和抗拉强度呈正相关[15]。基于此,选取神东矿区地质构造相近、采矿方法相同,基本顶厚度及岩体力学性质不同的大柳塔煤矿52505和上湾煤矿12401工作面为工程背景,依次开展物理相似模拟实验、覆岩裂隙网络分形维数演化规律定量研究。

2 相似模拟实验方案

2.1 模型设计

表1 工作面开采条件概况

2.2 模型铺设

根据大柳塔煤矿52505工作面和上湾煤矿12401工作面地质柱状图,各岩层试件容重、抗压强度和弹性模量等物理参量,选择适宜材料及配比进行模型铺设。模拟材料以河砂、碳酸钙为骨料,石膏为胶结材料,云母作为岩层分层弱面进行模型搭建。待模型自然风干后在其表面喷涂白漆并分别设置水平和垂直线,均匀划分10 cm×10 cm网格,网格交点处布置反光片(位移监测点)共280个。52505工作面测线从下至上依次编号A1～A12,12401工作面测线从下至上依次编号B1～B12,分别在两工作面直接顶和基本顶顶部布设2条监测线,观察煤层开采过程中覆岩运移及裂隙发育情况,全程用高清摄像机记录。大柳塔52505和上湾12401工作面覆岩物理参数及配比分别见表2、表3。

表2 大柳塔52505工作面覆岩物理参数及配比

表3 上湾12401工作面覆岩物理参数及配比

3 开采覆岩裂隙网络分布演化特征研究

大柳塔52505工作面和上湾12401工作面实际开采速度均为13.84 m/d,综合考虑现场地质、开采条件等客观因素,依据时间相似比,保证煤层上覆岩层充分运移,两模型每44 min由左向右开挖一次,每次掘进5 cm。为降低边界效应对实验过程的影响,两模型进刀端与停采线侧至模型两侧边界均留设20 cm保护煤柱。将实验数据按几何相似比转换为实际开采数据,即模型开挖距离150 cm,模拟实际工作面推进225 m。试验采用全部垮落法处理采空区顶板。

3.1 大柳塔52505工作面开采覆岩裂隙演化规律

大柳塔52505工作面整个开采活动基本顶共发生8次周期垮落,周期破断距不等,为15～25 m,平均破断距20 m(见表4)。自开切眼处开始推进,推进至36 m时(图1(a)),直接顶与老顶分离并初次垮落至采空区,垮落岩块长度4.1 m至7.7 m;推进至65 m时(图1(b)),基本顶达到极限垮距失稳,进刀端和工作面两侧产生“V”型破断裂隙后基本顶初次破断,其顶部与上部未失稳岩层(粉砂岩)产生5.7 m离层,初次破断距65 m;推进至87 m时(图1(c)),采空区顶部上方出现大面积离层,破断裂隙和层间裂隙分布范围进一步扩大,关键层底层发生垮落,出现6.6 m离层,基本顶出现第1次周期来压,破断距21.5 m;推进至121 m时(图1(d)),采空区上方产生两处离层,顶板在工作面侧未完全垮落而形成“铰接梁”结构,由于关键层失稳破断,上覆未垮落岩层在自重和围岩载荷影响下大范围垮落,破断裂隙迅速发育至距煤层55.8 m处,基本顶第3次周期破断,破断距15.5 m;推进至162 m时(图1(e)),层间裂隙发育至距煤层顶板93.3 m,采空区两侧裂隙继续发育,覆岩中部冒落岩层的破断裂隙和层间裂隙被逐步压实。工作面推进至距开切眼225 m时停采(图1(f)),开切眼和停采线两侧永久裂隙发育至地表,受采动影响覆岩最终呈现出明显的“三带”分布特征。实验所得大柳塔52505工作面基本顶周期破断距同文献[16]现场实测结果基本吻合。

图1 大柳塔52505工作面覆岩垮落形态

表4 大柳塔52505工作面周期破断距统计

3.2 上湾12401工作面开采覆岩裂隙演化规律

上湾煤矿12401工作面整个开采过程共经历5次周期破断,破断距分别为31、28、31、32和30 m,平均破断距30.4 m(见表5)。自开切眼开始推进,上顶煤随采随落(图2(a))。推进至71 m时(图2(b)),直接顶原岩应力平衡状态被打破,两侧应力集中,诱发破断裂隙发育,由于煤层采高大,顶板运移自由空间大,故垮落顶板并未形成铰接梁结构,而是滑落至采空区,岩块破碎程度较剧烈,视为工作面发生初次来压,顶板垮落高度距煤层顶板约22 m,层间裂缝继续向上扩展。工作面推进至102 m(图2(c)),基本顶触矸后形成砌体梁结构,视为工作面发生首次周期来压,第1次周期破断距31 m,岩层垮落高度增至27.3 m。同时,垮落带顶部与裂隙带底部时空运移和抗弯强度存在差异,两带交界处形成高度为6.5 m的离层;当工作面推进至130 m(图2(d)),采空区上部岩层垮落高度迅速增至62.3 m,开采煤层上部岩层垮落现象更为突出,此时离层高度5.1 m,基本顶发生第2次周期来压;工作面推进至193 m(图2(e)),裂隙带中部横纵裂隙逐渐闭合,工作面侧新生裂隙不断发育,离层最大高度降至1.7 m。工作面推进至停采线时(图2(f)),覆岩破断裂隙已贯穿至地表,煤层采动覆岩至下而上“三带”划分明显。其中,垮落带41.3 m,约为采高的4.8倍;裂隙带109.2 m,约为采高的12.7倍。实验所得上湾12401工作面基本顶破断距同文献[17]现场实测结果基本吻合,验证了实验数据的可靠性。

图2 上湾12401工作面覆岩垮落形态

表5 上湾12401工作面周期破断距统计

4 覆岩裂隙网络分形特征分析

4.1 分形维数计算方法

采动覆岩裂隙动态发展具有复杂性,分形几何能定量描述采动覆岩裂隙分布的无序性。采用Matlab工具箱中的Fraclab分形分析软件,计算采取面积覆盖法,以尺度ε的方格网覆盖受采动影响岩体裂隙分布区域,计算位于不同尺度网格中长度不小于相应网格尺度的采动岩体裂隙数量N(ε),利用式(1)对不同空间占位的裂隙赋存状态进行分形维数定量计算。

(1)

式中:D为分形维数,ε为网格尺度裂隙边长,N(ε)为网格尺度裂隙条数。

将工作面推进不同距离覆岩裂隙演化图使用Matlab和Photoshop依次进行二值化、去干扰和反色处理(图3)。将裂隙网络色值取反图导入Fraclab工具盒进行分析计算,得到lnN(ε)～ln(1/ε)关系曲线,导出计算结果基于最小二乘法进行线性拟合,拟合结果为一次函数,函数斜率的绝对值即为所求区域覆岩裂隙分形维数。

图3 图片处理演示

4.2 不同破断距下覆岩裂隙演化分形规律

为分析不同破断距下不同工作面覆岩裂隙分形维数随工作面推进演化趋势,将两工作面每次周期破断时覆岩裂隙网络进行分维值计算,对应的分形维数演化曲线见图4。可知,两工作面覆岩裂隙分形维数曲线均呈阶梯形增长趋势,分为跳跃式上升段和缓慢波动段。其中,跳跃式上升段对应开采过程中覆岩裂隙“张开-闭合”不平衡无序结构状态,缓慢波动段对应开采过程中覆岩裂隙“张开-闭合”平衡有序结构状态。

图4 不同破断步距工作面分形维数曲线

按照分形维数增加速率的不同,将大柳塔52505工作面分形维数随推进距离变化曲线大致分为3个阶段:阶段1(45～106 m)为低速增长阶段,此阶段经历基本顶初次垮塌和两次周期垮塌,分形维数由1.651 2升至1.663 1;阶段2(106～182 m)为中速增长阶段,此阶段经历关键层失稳破断,上覆岩层大范围垮落,由于不同岩性岩层抗弯强度存在差异,两岩性交界处产生大面积离层,覆岩分形维数由1.663 1升至1.695 7;阶段3(182 m～停采线)为高速增长阶段,工作面推进至225 m时,开切眼和停采线侧破断裂隙已发育至地表,且工作面侧新生裂隙密度和发育程度优于压实区闭合裂隙,覆岩分形维数由1.695 7跃至1.737 5。上湾12401工作面分形维数随推进距离变化曲线大致经历2个阶段:阶段1(45～130 m)覆岩分维值由1.651 7升至1.671 3,采动覆岩内裂隙不断新生,同时部分裂隙与原生裂隙贯通、压实,分形维数增长幅度较小;阶段2(130 m～停采线)覆岩分形维数曲线增长幅度显著提高,由1.671 3跃至1.725 9。相比大柳塔52505工作面,上湾12401工作面推进周期破断步距更大,周期破断前在断裂线处积聚大量能量,工作面推进至周期破断点时,能量急剧释放,宏观表现为上覆岩层破断,新生裂隙迅速发育扩展,从而分形维数大。覆岩裂隙网络分形维数直接反映其空间占位情况(裂隙的发育、贯通和闭合),空间占位大小直接表现为覆岩裂隙分布的复杂程度,故分形维数可较好地表征覆岩裂隙分布。

4.3 工作面导水裂隙带发育高度与分形维数关系

为研究两工作面导水裂隙带发育高度与分形维数间的关系,沿煤层走向选取距开切眼60～195 m范围,测量覆岩导水裂隙带发育高度,并计算相应的覆岩裂隙网络分形维数,绘制关系曲线如图5～6所示。

图5 导水裂隙带发育高度和分形维数随推进过程对比

从图5可以看出,工作面推进60～135 m范围内,导水裂隙带发育高度态势趋于一致,同工作面推进距离呈正相关变化趋势。分形维数曲线亦表现出同样的增加趋势,但增幅不同,105 m过后,大柳塔52505工作面较上湾12401工作面分形维数表现出显著的增维现象,此范围内,前者分形维数增量平均值为0.005 9,后者分形维数增量平均值为0.0039。工作面推进135～195 m范围内,两工作面导水裂隙带发育高度差异明显,大柳塔52505工作面高于上湾12401工作面,此阶段导水裂隙带发育高度与分形维数的变化呈现一定的涨落同一性。图6表明,随着工作面推进,导水裂隙带发育高度与分形维数均近似呈现出非线性正相关性,随分形维数的增加而增加。应注意,上湾12401工作面导水裂隙带发育高度在56.1 m时,分形维数出现降低,表明此过程采动裂隙扩展贯通或是闭合现象较明显。

图6 导水裂隙带发育高度和分形维数关系

4.4 工作面覆岩裂隙发育趋势预测

大柳塔52505和上湾12401工作面不同推进距离下分形维数拟合曲线见表6,图7为两工作面分形维数D随推进距离变化拟合曲线及95%置信区间分布。

图7 两工作面不同推进距离下D值拟合曲线.

表6 两工作面分形维数拟合曲线和相关系数

相比之下,上湾12401工作面D值拟合曲线斜率较小,推进相同距离时,大柳塔52505工作面覆岩裂隙分形维数增量大。原因是两工作面周期破断距不同,大柳塔52505工作面周期破断距小,破断次数多,覆岩裂隙发育更为充分。可见破断距对覆岩整体裂隙发育扩展趋势有显著影响。

图8为相同推进距离下两工作面分形维数曲线、覆岩裂隙网络发育形态对比。结合图7可知,工作面推进前期,上湾12401工作面覆岩裂隙分形维数大于大柳塔52505工作面,原因是上湾12401工作面采高大,顶板回转垮落自由空间大,来压显现剧烈,致使垮落至采空区的岩块较为破碎,D值大。随着工作面不断推进,大柳塔52505工作面覆岩裂隙分形维数超过上湾12401工作面,直至开采结束。推进至停采线时,二者D值差0.011 6,表明大柳塔52505工作面整体裂隙发育趋势较上湾12401工作面显著。综上所述,基本顶破断距越小,分形维数值越大,覆岩裂隙网络发育情况越复杂,裂隙分布越不规律,工作面推进中后期形成更为错综复杂的突水溃砂通道可能性增大,在后续作业中须加强风险评估。

图8 相同推进距离下两工作面分形维数

5 工作面覆岩位移规律分析

煤层开采导致覆岩裂隙网络沿走向和上覆岩层发育,进而产生水平变形和垂直位移,岩层水平变形不明显,故主要对垂直位移进行监测分析,两工作面覆岩位移沉降曲面图如图9。可以看出,覆岩整体下沉曲线呈梯形,近似以采空区中部对称下沉。两工作面覆岩位移沉降曲线自下至上宽度渐小,即覆岩距离煤层顶板越近的岩层位移越大,这是因为垮落至采空区的破断岩块具有碎胀性。此外,上覆连续性较好的岩层在运移过程中也会出现碎胀现象,导致近地表监测线位移变化较小,而近煤层侧监测线受强开采扰动影响,位移变化量较大。大柳塔52505工作面上覆岩层最大下沉点位于工作面推进150 m处的直接顶顶部,最大下沉位移为7.1 m;最小下沉点位于工作面推进120 m时A12监测线处,为0.6 m。上湾12401工作面上覆岩层最大下沉点位于工作面推进180 m处的直接顶顶部,最大下沉位移8.7 m;最小下沉点位于工作面推进120 m时B12监测线处,为1.05 m。对比分析可知,大柳塔52505工作面覆岩两条监测线间位移差较小,相比于上湾12401工作面,覆岩沉降曲面坡度较缓,即覆岩沉降量同工作面采高、破断距呈正相关性。

图9 两工作面覆岩沉降曲面图

6 结论

采用物理相似模拟的实验方法,结合分形维数理论,研究了不同破断距下覆岩裂隙网络发展规律,主要结论如下。

1) 至开采结束,大柳塔52505工作面经历8次周期来压,平均破断距20 m;上湾12401工作面经历5次周期来压,平均破断距30.4 m。

2) 分形维数可较好地表征覆岩裂隙分布,不同破断距下覆岩裂隙网络的分形维数随着煤层工作面的推进呈现阶梯形增长态势;推进至停采线时,大柳塔52505、上湾12401工作面覆岩裂隙分形维数值分别为1.737 5、1.725 9。两者导水裂隙带发育高度与分形维数变化趋势均近似呈现非线性正相关,导水裂隙带发育高度随分形维数的增加而增加。

3) 不同破断距对覆岩整体裂隙发育扩展趋势影响显著。工作面回采前期大柳塔52505工作面分形维数相对较低,回采中后期则相反,破断距小,覆岩整体裂隙发育程度相对较高。

4) 通过对垂直位移监测线沉降分析得出,两工作面覆岩沉降曲线呈“凸”型,近似以采空区中部对称。覆岩沉降程度不一,大柳塔52505工作面上覆岩层最大下沉7.1 m,上湾12401工作面上覆岩层最大下沉8.7 m。因本研究着重分析神东矿区近水平浅埋煤层开采条件下的不同破断距覆岩裂隙网络分形特征,故所构建覆岩裂隙发育趋势预测模型主要适用于类似地质开采条件的矿井,对于其他条件下的覆岩裂隙分形特征,有待于更进一步研究。