來興平，許慧聰，康延雷

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西西安 710054；2.西安科技大學(xué) 陜西省巖層控制重點實驗室，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；4.國網(wǎng)哈密能源煤電有限公司，新疆 哈密 839000)

0 引 言

新疆是“新絲綢之路”經(jīng)濟帶規(guī)劃建設(shè)的大型煤炭能源基地之一，蘊藏大量巨厚煤層，多采用綜放開采方式。綜放面覆巖斷裂失穩(wěn)誘發(fā)動力災(zāi)害一直以來都是制約安全開采的關(guān)鍵問題，研究揭示綜放面覆巖運動規(guī)律對保障新疆地區(qū)安全生產(chǎn)、保護地下水資源、保護生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要。采動作用下綜放工作面覆巖斷裂失穩(wěn)直接影響支架穩(wěn)定性，且不同區(qū)塊頂板覆巖破斷下沉的“時間-空間-強度”特征迥異。受時空關(guān)系、覆巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，多場應(yīng)力疊加與演化致災(zāi)給現(xiàn)場安全防控提出了難題。

近年來眾多學(xué)者對不同開采條件下覆巖運動開展了深入的研究。錢鳴高等認(rèn)為關(guān)鍵層運動是影響綠色開采的重要因素[1]。王雙明等研究了生態(tài)脆弱礦區(qū)含(隔)水層特征及保水開采分區(qū)[2]。許家林等認(rèn)為神東礦區(qū)淺埋煤層覆巖存在4類特定條件的上覆巖層相互作用導(dǎo)致關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)[3]。竇林名等揭示了3種覆巖空間結(jié)構(gòu)的礦壓規(guī)律[4]。謝廣祥等分析了不同開采厚度對綜放面覆巖運動規(guī)律影響[5]。潘俊峰等分析采場動態(tài)推進過程中，采動巖層塊體垂直與水平應(yīng)力的動態(tài)演化特征[6]。來興平等研發(fā)了復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)“聲-光-電”多元指標(biāo)監(jiān)測與分析方法，揭示新疆特厚煤層綜放面覆巖破斷垮落及裂隙演化導(dǎo)水特征等[7-11]。曹建濤等揭示了急斜特厚煤層開采環(huán)境條件下深部開采擾動區(qū)結(jié)構(gòu)演化特征[12]。鞠金峰等通過覆巖垮落帶類拋物空間形態(tài)模型的構(gòu)建，得到了考慮不同煤層傾角條件下垮落帶巖體空隙量[13]。姜福興等利用高精度微地震監(jiān)測技術(shù)探測到千米深井厚煤層綜放面微震數(shù)目與圍巖破裂的關(guān)系[14]。邵小平等通過現(xiàn)場實測認(rèn)為急斜煤層大段高工作面支架將受到其上方上覆巖層臨時結(jié)構(gòu)的保護作用，工作面沿走向具有明顯的周期性礦壓顯現(xiàn)[15]。馬念杰等基于深部采動巷道圍巖受力環(huán)境對深部采動巷道頂板穩(wěn)定性進行了綜合分析，認(rèn)為當(dāng)巷道圍巖雙向應(yīng)力比值較小時，圍巖塑性區(qū)呈現(xiàn)蝶形分布特征[16]。隨采深與開采強度增加，開采擾動區(qū)(Mining Disturbed Zone，MDZ)煤巖呈現(xiàn)分區(qū)破裂與失穩(wěn)致災(zāi)現(xiàn)象。因此加強精細數(shù)值建模與計算是綜放面覆巖穩(wěn)定性預(yù)測的前提與基礎(chǔ)[17-19]。

基于對工作面覆巖運動“橫三區(qū)”與“豎三帶”經(jīng)典理論的理解，以大南湖一礦綜放面覆巖穩(wěn)定性預(yù)測為目標(biāo)，以1303綜放面為工程背景，將區(qū)塊鏈?zhǔn)窖莼枷霊?yīng)用于綜放覆巖運動數(shù)值模型構(gòu)建與鏈?zhǔn)窖莼^程精細計算，揭示綜放面覆巖運動“時間-空間-強度”演化與失穩(wěn)破壞規(guī)律，為安全開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 煤層賦存條件和開采條件

大南湖一礦位于新疆哈密地區(qū)，地層層序自下而上分別是：下侏羅統(tǒng)三工河組(J1s)、中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)、頭屯河組(J2t)和第四系。1303工作面是3#煤層首采面，煤層平均厚度6.3 m，平均傾角10°，平均埋深210 m.3#煤層屬于典型的三軟煤層，煤層與頂?shù)装逑嚓P(guān)特性參數(shù)見表1.

表1 煤層與頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)Table 1 Physical-mechanical parameters of top and floor upon coal seam

工作面上部分別賦存6.05，15.6 m粉砂巖，距工作面底部分別為6.5 m和22.5 m.采用ZF10000/20/32型低位放頂煤液壓支架，初撐力31.4 MPa.采煤機割煤高度2.8 m，放煤高度3.5 m，采放比1∶1.25，進尺0.8 m，放煤步距0.8 m.

2 覆巖區(qū)塊運動與鏈?zhǔn)窖莼嬎阍?/h2>

目前，采礦領(lǐng)域數(shù)值計算發(fā)展趨勢為：模擬尺度精細化、算例規(guī)模大型化。但大多數(shù)模型構(gòu)建與計算仍為大量的人工調(diào)參過程，具有很大隨機性，耗時費力，可靠性差。區(qū)塊鏈因其特殊的去中心化、時間不可篡改等優(yōu)勢，使區(qū)塊鏈演化計算過程成為有效可靠的精細數(shù)值計算新方法。如圖1所示，區(qū)塊是組成區(qū)塊鏈的基本單位，由區(qū)塊頭和區(qū)塊主體2部分組成，一個數(shù)據(jù)集合就是一個區(qū)塊，區(qū)塊鏈?zhǔn)怯刹煌皡^(qū)塊”按一定規(guī)則連接形成的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。巖層區(qū)塊頭的作用是鏈接前面的巖層區(qū)塊，并保持覆巖運動區(qū)塊鏈的完整性，而巖層區(qū)塊主體則記錄了覆巖運動區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)更新。巖層區(qū)塊之間通過鏈接之前的區(qū)塊來獲取巖層區(qū)塊頭的運動演化信息，從而形成相應(yīng)的覆巖區(qū)塊運動與鏈?zhǔn)窖莼Y(jié)構(gòu)[20]。

圖1 區(qū)塊鏈演化方式Fig.1 Organization structure of block chain

將區(qū)塊鏈思想引入采礦覆巖運動數(shù)值模擬過程中，實現(xiàn)覆巖運動計算模型的分區(qū)“塊化”，顯著提高數(shù)值計算過程的透明度和實時交互性，最終實現(xiàn)精細高效數(shù)值計算。

3 覆巖運動演化規(guī)律數(shù)值計算

3.1 數(shù)值計算模型建立

以大南湖一礦地質(zhì)與開采條件為背景，基于對工作面覆巖運動“橫三區(qū)”與“豎三帶”經(jīng)典理論的理解，選用三維有限差分程序FLAC3D，構(gòu)建開采擾動區(qū)覆巖運動數(shù)值計算模型(圖2)。本次計算模型建立采用分區(qū)“塊化”建模方式，以大南湖一礦開采條件和煤層柱狀圖為依據(jù)，各分區(qū)劃分網(wǎng)格原則為“重點考察區(qū)塊密集布置”，最后建立的開采擾動區(qū)覆巖運動數(shù)值計算模型由各區(qū)塊組合形成。分區(qū)“塊化”組合構(gòu)建模型方法的特點就是對重點考察區(qū)塊布置相對密集的網(wǎng)格，從而對模型進行合理簡化，使程序運算速度大大提高，最終實現(xiàn)精細高效數(shù)值計算。

圖2 計算模型構(gòu)建Fig.2 Computational model construction

該數(shù)值計算模型沿煤層走向長600 m，傾向?qū)?00 m，平均高200 m，模型模擬至煤層上部152 m.模型水平施加垂直應(yīng)力2.45 MPa，底部和四周約束；y軸兩端留有160 m的煤柱，每次開挖推進8 m，累計開挖37步。頂板巖層和15.6 m粉砂巖分別以2，4 m的間距布置監(jiān)測點。

重點計算并考察3#煤層上部6.05，15.6 m頂板巖層區(qū)塊運動情況，揭示頂板覆巖“分離-協(xié)同”運動演化規(guī)律。

3.2 覆巖變化特征

將上覆巖層“塊化”為3個區(qū)域，即頂板巖層、中部巖層和上部巖層，由此考察不同覆巖區(qū)塊的運動演化規(guī)律。隨著工作面的推進，上覆巖層整體強度降低，離層現(xiàn)象逐漸出現(xiàn)于直接頂?shù)撞?。第五次開挖時(累計推進40 m)，由于頂板懸空面積不斷增大，達到其極限跨距，頂板發(fā)生初次垮落現(xiàn)象，垮落至15.6 m粉砂巖底部，垮落高度約16.8 m，老頂裂隙逐漸發(fā)育，且應(yīng)力達到新的平衡狀態(tài)。隨著第6，7次的依次開挖，頂板發(fā)生隨采隨落現(xiàn)象。此時頂板巖層“區(qū)塊”發(fā)生應(yīng)力演化，而中部“區(qū)塊”和上部“區(qū)塊”并未發(fā)生變化。

圖3 頂板巖層垮落特征Fig.3 Roof deformation characteristics

如圖3所示，9～15次開挖后，隨著工作面的持續(xù)推進，煤層回采后會遺留下一定范圍的懸頂，頂板受到方向向下的壓力，導(dǎo)致覆巖裂隙不斷發(fā)育并發(fā)生快速擴展，因此發(fā)生向上發(fā)展的巖層破壞。第15次開挖后(累計推進120 m)，巖層擾動至粗砂巖底部(高度約48 m)發(fā)生破損現(xiàn)象。由此可知6.05，15.6 m粉砂巖具有明顯的承載作用。此時頂板巖層“區(qū)塊”和中部巖層“區(qū)塊”發(fā)生應(yīng)力演化，而上部巖層“區(qū)塊”并未發(fā)生變化。

第16次開挖后，每次開采均會造成覆巖運動沿走向和傾向演化，采空區(qū)上方的懸空頂板在自身重力和覆巖壓力作用下發(fā)生破斷，因此覆巖發(fā)生向上持續(xù)演化的巖層破壞。如圖4所示，第22次開挖后，原巖應(yīng)力場在工作面推進過程中重新分布，上覆巖層變形進一步加大，采動覆巖裂隙持續(xù)擴展導(dǎo)致覆巖發(fā)生破斷，多次破斷造成覆巖逐漸下沉從而誘發(fā)頂板來壓，覆巖運動發(fā)生持續(xù)演化且演化至模型頂部；此時頂板巖層、中部巖層和上部巖層區(qū)域都發(fā)生了應(yīng)力演化，加劇了頂板巖層區(qū)塊的應(yīng)力集中程度。第28次開挖后，隨著應(yīng)力逐漸增大模型頂部均出現(xiàn)塑性破壞，不同的巖塊間發(fā)生斷裂但保持較為穩(wěn)定的擠壓平衡現(xiàn)象，覆巖斷裂不再縱向發(fā)展，工作面達到充分采動，則上部巖層區(qū)塊整體發(fā)生彎曲下沉，從而出現(xiàn)覆巖“三帶”現(xiàn)象。綜合分析覆巖“三塊”區(qū)域：工作面底板為軟巖，隨開挖尺度增大，易發(fā)生底鼓。采空區(qū)上方老頂在水平拉力作用下易發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)、冒落，最終使頂板產(chǎn)生拉伸破壞。覆巖破壞演化特征是“裂隙發(fā)育擴展-破裂-垮落”。

圖4 巖層“三帶”顯現(xiàn)Fig.4 “Three zones” of rock formations appear

工作面初次來壓步距約40 m，而15.6 m粉砂巖初次垮落步距約120 m.頂板出現(xiàn)隨采隨落現(xiàn)象；覆巖分別以粉砂巖、中砂巖為界劃分“三帶”，且垮落帶、裂隙帶高度約為16.8，115 m.

3.3 應(yīng)力變化特征

3.3.1 應(yīng)力分布特征

覆層的破斷往往伴隨著能量的釋放和轉(zhuǎn)移，分別提取第7，15，22次開采覆巖應(yīng)力分布情況，如圖5(a)所示。前15次開挖過程中，覆巖應(yīng)力呈現(xiàn)為傳統(tǒng)的拱結(jié)構(gòu)；第15次開挖后覆巖應(yīng)力集中范圍逐漸增大。在工作面推進的反復(fù)擾動下，頂板應(yīng)力進入反復(fù)的“平衡-失穩(wěn)-再平衡”階段，應(yīng)力集中位置始終向頂板上部方向發(fā)展，由于15.6 m粉砂巖具有承載作用，第22次開挖后分別在頂板巖層區(qū)塊和中部巖層區(qū)塊出現(xiàn)分離，并逐步擴大。同時頂部煤層出現(xiàn)“馬鞍”狀曲線，平均2個應(yīng)力集中相差8m。由此可知：具有承載性的巖層受到外力破壞的情況下，均會出現(xiàn)應(yīng)力集中，且具有較好的一致性。

隨著開采尺度加大，各承載層應(yīng)力集中區(qū)域逐漸重合。如圖5(b)所示，第31次開挖后，2個承載層的應(yīng)力出現(xiàn)“集中-分離-集中”的發(fā)展演化特征。

圖5 覆巖應(yīng)力分布規(guī)律Fig.5 Stress distribution law of overburden

由此可知：由于承載層和開挖尺寸的不同且采空區(qū)堆積的破碎巖層散體與工作面尚未開采的煤層的物理力學(xué)參數(shù)有較大差異，因此不同位置的巖塊垮落特征也有差異：破碎散體巖塊對頂板的支撐能力相對較差，從而使采空區(qū)處有較大的頂板變形量；而工作面尚未開采的煤層對頂板有相對較強的支撐能力，導(dǎo)致其上方頂板的變形量較小。工作面前后頂板產(chǎn)生的變形量差異導(dǎo)致頂板巖層區(qū)塊破壞向上部發(fā)生急速演化，塑性變形向頂板巖層上部區(qū)塊發(fā)育，中部巖層區(qū)塊排列較為整齊，集中應(yīng)力與形變均呈“先增大后減小”現(xiàn)象，因此發(fā)生“分離-協(xié)同”運動；應(yīng)力出現(xiàn)“集中-分離-集中”現(xiàn)象，覆巖會由于再次重合后的應(yīng)力而發(fā)生大范圍和高強度的運動。

3.3.2 支承應(yīng)力演化特征

根據(jù)覆巖應(yīng)力分布變化規(guī)律，分別提取出第7,15,22,31,37次開挖各應(yīng)力監(jiān)測點的數(shù)值變化并對其進行分析。所得巖層應(yīng)力演化規(guī)律如圖6所示。從圖6可看出，巖層頂板支承壓力影響范圍明顯大于15.6 m粉砂巖支承壓力影響范圍。

圖6 巖層應(yīng)力演化規(guī)律Fig.6 Stress evolution law of rock seam

在應(yīng)力出現(xiàn)“分離-疊加”的動態(tài)過程中，22次開挖后各應(yīng)力峰值相差不大，表明隨開采尺度增加，工作面礦壓主要由15.6 m粉砂巖斷裂產(chǎn)生應(yīng)力釋放。

從表2可以看出，15.6 m粉砂巖具有較強的穩(wěn)定性，致使兩巖層在第7，15次開挖過程中應(yīng)力峰值相差較大，分別約為2.86 MPa和2.12 MPa.隨著開挖尺度的增加(22次后)，各巖層應(yīng)力峰值基本呈線性增長。由此說明在22次開挖后，巖層運動具有同步性。

表2 支承應(yīng)力峰值Table 2 Bearing stress peak

4 現(xiàn)場實測與評價

圖7詳細描述了開采期間(2017年4～5月)綜放面不同區(qū)塊支架的工作狀態(tài)、礦壓顯現(xiàn)的區(qū)域及覆巖出現(xiàn)裂隙的時間節(jié)點。

圖7 1303綜放面支架壓力Fig.7 Support pressure of 1303 fully mechanized caving face

沿工作面傾斜方向依據(jù)所受壓力不同對壓力集中區(qū)塊進行區(qū)分，從上至下大致分為5個壓力集中區(qū)：工作面中上部2個壓力集中區(qū)(1區(qū)和2區(qū))、工作面中間2個壓力集中區(qū)(3區(qū)和4區(qū))、工作面中下部一個壓力集中區(qū)(5區(qū))，集中范圍分別為工作面下順槽沿傾向方向上30～50 m，中間108～119 m與129～140 m，中上部170～192.5 m與210～231 m.頂板壓力從下向上經(jīng)歷了“升高-降低-升高-降低”的演化過程。工作面中上部與中下部的來壓強度較大，支架壓力超過40 MPa的數(shù)量較多，即1區(qū)和2區(qū)以及5區(qū)的支架壓力(紅色區(qū)域)偏高。工作面中間存在“雙駝峰”狀的壓力集中顯現(xiàn)區(qū)(3區(qū)和4區(qū))，3區(qū)和4區(qū)支架壓力基本在40 MPa以下，工作面2個順槽承受的動壓影響較為顯著，巷道受工作面采動影響較大。工作面推進約66 m(2017年4月)，考慮到工作面推進速度較慢，覆巖強度不高，工作面圍巖有充足的時間發(fā)生變形，這也降低了工作面突然發(fā)生來壓的可能性，但也會導(dǎo)致工作面來壓步距較小，巷道承受工作面采動影響作用的時間較長。這為準(zhǔn)確判斷工作面來壓時間、空間位置與強度提供了重要依據(jù)。

5 結(jié) 論

1)在綜放面采動作用的影響下，具有承載性的巖層區(qū)塊均會出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中；巖層垮落根據(jù)承載層和開挖尺寸的不同，出現(xiàn)“分離-協(xié)同”運動現(xiàn)象，頂板出現(xiàn)隨采隨落現(xiàn)象。工作面初次來壓步距約40，15.6 m粉砂巖初次垮落步距約為120 m；

2)隨著工作面的繼續(xù)推進，綜放面頂板巖層運動呈現(xiàn)“破斷-平衡-破斷”的周期規(guī)律性。應(yīng)力出現(xiàn)“重合-分離-重合”現(xiàn)象，重合后的集中應(yīng)力加劇了覆巖運動的劇烈程度，覆巖會由于再次重合后的應(yīng)力而發(fā)生大范圍和高強度的運動。覆巖以粉砂巖、中砂巖劃分“三帶”，垮落帶、裂隙帶分別約為16.8，115 m；

3)區(qū)塊鏈演化計算思想方法實現(xiàn)了覆巖運動計算模型的分區(qū)“塊化”，實現(xiàn)了精細高效數(shù)值計算。