來興平，劉簡寧，崔 峰，劉晉冀，孟平原，劉 輝，曹建濤

(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.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830027)

0 引 言

烏魯木齊礦區(qū)急斜煤層地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，原巖應(yīng)力高，水平分段(最大段高30 m)綜放開采使頂板在走向與傾向上懸露面積較大，隨開采空間向深部區(qū)域推進，頂板斷裂失穩(wěn)致誘動力災(zāi)害頻發(fā)[1-5]。開采擾動誘使頂板煤巖應(yīng)力重新分布，頂板結(jié)構(gòu)時空演化過程中應(yīng)力誘導(dǎo)原生裂隙擴展和伴生次生裂隙，現(xiàn)場特征主要表現(xiàn)為局部煤巖失穩(wěn)、巖層空間層位移動和煤巖結(jié)構(gòu)畸變，巖體破裂過程必然伴隨其內(nèi)部損傷、變形破壞以及能量累積、轉(zhuǎn)移等[6-11]。巖石斷裂面的破壞將改變其力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)微裂隙的分布與斷裂面的生成，將巖體損傷劃分為損傷區(qū)、耐磨區(qū)和嚴重損傷區(qū)[12-17]。變革實驗測試技術(shù)，對研究西部干旱半干旱地區(qū)深部采動煤巖體裂隙釋能遷移與失穩(wěn)致災(zāi)預(yù)報至關(guān)重要。文獻[18]基于紅外熱成像技術(shù)對巖石破裂過程中溫度演化規(guī)律進行監(jiān)測，研究巖石破裂過程中的紅外頻譜的分布規(guī)律，刻畫了巖石內(nèi)部損傷機制。文獻[19]剖析巖石加卸荷試驗中聲發(fā)射指標(biāo)演變過程，表明巖石在低圍壓下累積破裂事件數(shù)呈拋物線型增加。文獻[20]基于聲發(fā)射對各向異性的巖石斷裂過程研究表明巖石主導(dǎo)裂縫擴展方向主要從低應(yīng)力區(qū)域向高應(yīng)力區(qū)域過渡。

以堿溝煤礦B1+2煤層(傾角75°，厚度30 m)頂板失穩(wěn)預(yù)測為研究目標(biāo)，通過模型實驗與巖體裂隙擴展與釋能的“聲-熱”指標(biāo)變化過程剖析，揭示急斜煤層頂板裂隙擴展誘導(dǎo)能量時-空演變特征，為急斜煤層動力災(zāi)害預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

1 急斜煤層賦存條件

堿溝煤礦位于烏魯木齊市內(nèi)，地處博格達山復(fù)背斜西北翼，地質(zhì)條件上劃歸于博格達山斷裂帶體系，局部存在逆沖推覆構(gòu)造，地層逆沖運動使得煤巖體積儲了大量的應(yīng)變能。礦井處于西部干旱半干旱環(huán)境，主采煤層B1+2煤層走向自西向東(53°～55°)，煤層較厚(30 m)，頂?shù)装鍒杂睬覂A角大(75°)。+495 m水平B1+2煤層工作面上覆殘留高階段煤柱(124 m×108 m)，在通過煤柱的過程中，開采擾動誘導(dǎo)頂板破裂，內(nèi)部裂隙擴展，頂板發(fā)生大規(guī)模斷裂，從而頻繁引發(fā)動力災(zāi)害。

2 急斜煤層頂板能量演變理論分析

急斜煤層水平分段綜放開采主要為由淺及深的逐步推進。堿溝煤礦+495 m水平B1+2煤層頂板(中生代)處于距地表(標(biāo)高+810 m)約325 m深度區(qū)間，頂板巖體在力學(xué)范疇中處于彈性或類彈性的工作狀態(tài)。將頂板視為一個的六面體(如圖1所示)。傾角為α，σH為水平方向上的應(yīng)力，σV為垂直方向上的應(yīng)力。則有

sinα=m，cosα=n

(1)

將頂板內(nèi)N點視為一個單元體，結(jié)合式(1)可得單元體的受力分析

σ1=mσH+nσV=mλγH+nγH

(2)

σ2=σH=λγH

(3)

σ3=mσV-nσH=mγH-nλγH

(4)

式中λ為平均水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值；H為距地表深度，m；γ為頂板巖層平均體積力，kN/m3.

圖1 急斜煤層頂板賦存應(yīng)力環(huán)境Fig.1 Stress status of roof in extremely steep coal seams

假設(shè)頂板裂隙擴展過程與外界沒有熱交換，空間應(yīng)力對頂板單元體所產(chǎn)生的總輸入能量為w，開采擾動誘導(dǎo)頂板裂隙擴展過程中必然伴隨著能量的釋放與耗散，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，可得

w=vε+vd

(5)

式中vε為單元體可釋放應(yīng)變能；vd為單元體耗散能。

應(yīng)力空間中巖體單元能量求解可表示為

式中μ為泊松比；E為單元體的彈性模量。

式(9)描述了單元體釋放應(yīng)變能vε與耗散能vd大小關(guān)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)

計算表明：當(dāng)煤層傾角α為75°，vε-vd>0，即頂板巖體單元體中可釋放應(yīng)變能vε大于耗散能vd.頂板內(nèi)部各單元體的可釋放應(yīng)變能vε(耗散能vd)疊加得到整個頂板的可釋放應(yīng)變能∑vε(耗散能∑vd)，耗散能的增加反映頂板強度不斷弱化并最終喪失，當(dāng)頂板強度減少到最小值時，內(nèi)部微結(jié)構(gòu)喪失內(nèi)聚力，裂隙擴展使頂板所積儲的可釋放應(yīng)變能以彈性能的形式開始釋放。急斜煤巖體能量耗散使頂板破壞所需的表面能減小，頂板內(nèi)部裂隙更易擴展，進而能量釋放速率必然增加。

3 頂板破裂能量演變物理模型實驗

3.1 實驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

依據(jù)堿溝煤礦地質(zhì)特征、巖體結(jié)構(gòu)特點與實驗平臺尺寸(175 cm×117 cm×20 cm)，以B1+2煤層頂板為對象，開展急斜煤層頂板模型實驗。指標(biāo)監(jiān)測采用平面實驗平臺配套的“聲-熱”監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括聲發(fā)射與紅外熱像儀，前者采集模型頂板裂隙演化過程中單次破裂事件數(shù)的能率指標(biāo)，后者主要監(jiān)測模型頂板裂隙擴展過程的表面溫度信息，可將紅外熱像的溫度密度換算為熱量密度，得出模型頂板裂隙擴展過程中的表面熱量信息。實驗擬通過物理模型開挖過程中“聲-熱”指標(biāo)的變化趨勢分析頂板巖體裂隙擴展過程中的能量演變特征。模型相似比為1∶150，模擬標(biāo)高為+469至+641 m.地層剖面如圖2所示。實驗?zāi)Ｐ痛怪狈较蚣虞d0.71 MPa，水平方向加載1.31 MPa.模型物理力學(xué)參數(shù)與材料配比見表1，模型實驗平臺如圖3(a，b)所示。

圖2 地層剖面Fig.2 Stratigraphic profile

巖層名稱巖性體積模量/GPa剪切模量/GPa抗拉強度/GPa黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)容重/(kN·m-3材料配比質(zhì)量/kg河砂石膏大白粉備注B3+6煤層老頂粉砂巖8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶725.101.513.50B3+6煤層直接頂泥巖7.963.831.413.6326.7020.086∶4∶616.981.141.68B3+6煤層直接底泥巖7.963.831.413.6326.7020.086∶4∶618.111.221.79B3+6煤層老底粉砂巖8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶718.751.132.63模擬巖層的容重相似比為8∶5中間巖體細(厚)砂巖8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶793.755.6313.13B1+2煤層老頂粉砂巖8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶718.751.132.63B1+2煤層直接頂泥巖7.963.831.413.6330.3320.086∶4∶611.320.761.12B1+2煤層直接底泥巖7.963.831.413.6326.7020.086∶4∶613.210.871.29B1+2煤層老底粉砂巖8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶718.751.132.63底部巖體細(厚)砂巖8.304.102.393.7030.3324.835∶3∶7112.506.7515.75

圖3 模型實驗系統(tǒng)與測點布局Fig.3 Model experimental system and location of measurement points

3.2 實驗?zāi)Ｐ烷_挖與監(jiān)測儀器布置

對已構(gòu)建的實驗?zāi)Ｐ椭蠦1+2煤層模擬綜放面通過高階段煤柱，開挖段高為0.15 m.實驗監(jiān)測儀器布置如圖3(b)所示，熱成像儀架設(shè)于實驗平臺前方(水平距離1.5 m)，監(jiān)測區(qū)域為40×34 cm，聲發(fā)射傳感器布置于B1+2煤層頂板位置(模型背面)，布置坐標(biāo)分別為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 實驗結(jié)果與分析

3.3.1 聲發(fā)射能率特征

圖4反映了實驗過程中單位每秒累計的聲發(fā)射破裂事件數(shù)與能率關(guān)系。根據(jù)破裂事件數(shù)與能率變化趨勢，將其變化過程分為6個階段：階段A1和B1為B1+2煤層直接頂裂隙擴展至破壞過程，階段A2，A3，B2和B3為B1+2煤層老頂裂隙擴展至破壞過程。老頂?shù)膹姸缺戎苯禹敶螅噪A段A2，A3，B2和B3比階段A1和B1持續(xù)時間長。

圖4 實驗過程中聲發(fā)射破裂事件數(shù)與能率的關(guān)系Fig.4 Relation of AE energy accumulation ratio and numbers of fracture during experiment

聲發(fā)射在各個階段的演化特征為：①階段A1，A2和A3的頂板表面基本無明顯裂紋，此階段的能率與破裂事件數(shù)的值較小，持續(xù)時間較長(30 s左右)，增長速率較為緩慢，表征了頂板所集儲的能量在較長的時間內(nèi)緩慢釋放；②階段B1，B2和B3的能率與破裂事件數(shù)的演變趨勢主要為驟增和驟減，此階段的頂板裂隙擴展速率較快，頂板表面出現(xiàn)少量裂紋，隨后裂紋尺度迅速變大直至發(fā)生離層，局部出現(xiàn)貫通趨勢，能率與破裂事件數(shù)短時間內(nèi)(13 s左右)快速變化。

3.3.2 紅外熱量特征

圖5 實驗過程中頂板表面破裂區(qū)形貌與熱量特征Fig.5 Morphology and heat characteristics of the roof surface during the experiment

圖5對比分析了實驗中頂板破裂的表面形貌特征與頂板監(jiān)測區(qū)域表面熱量特征。分析表明：①伴隨實驗開挖過程中頂板每一次的破裂，表面破斷區(qū)域均會在紅外熱像中出現(xiàn)熱量異常區(qū)，以像素點范圍為C24×R76熱量異常區(qū)為例，依據(jù)不同的熱量梯度劃分了3個區(qū)域：熱量較高區(qū)、熱量過渡區(qū)和熱量較低區(qū)(圖6)，熱量較低區(qū)主要出現(xiàn)在模型頂板表面無明顯裂紋位置，熱量過渡區(qū)主要在模型頂板表面出現(xiàn)少量裂紋位置，而熱量較高區(qū)大多處于模型頂板已經(jīng)發(fā)生斷裂的位置；②頂板裂隙擴展階段，熱量異常區(qū)主要出現(xiàn)在離層裂隙位置，頂板熱量異常區(qū)隨著裂隙擴展在空間層位上進行遷移，當(dāng)頂板破碎或失穩(wěn)垮落階段，上覆煤體部分垮落，紅外熱像中熱量異常區(qū)迅速消失。監(jiān)測區(qū)域內(nèi)熱量異常區(qū)的分布特征表明頂板裂隙擴展的過程伴隨著熱量產(chǎn)生與遷移。

圖6 熱量異常區(qū)劃分Fig.6 Division of heat anomaly

3.3.3 “聲-熱”關(guān)系分析

頂板裂隙擴展誘發(fā)微破裂引起聲發(fā)射的產(chǎn)生，與此同時破裂結(jié)構(gòu)面之間的摩擦熱效應(yīng)會引起裂隙表面熱量的產(chǎn)生，而頂板裂隙貫通直至失穩(wěn)垮落會造成聲發(fā)射衰減，也會使內(nèi)部裂隙與空氣接觸而導(dǎo)致熱量的逸散，導(dǎo)致頂板裂隙擴展過程會伴隨著聲發(fā)射能率與紅外熱量同時變化。

選取實驗?zāi)Ｐ椭欣享數(shù)诙纹屏堰^程中聲發(fā)射破裂事件的能率(單位每秒累計值)與紅外熱像的熱量值。圖7反映了實驗中“聲-熱”特征時序變化趨勢。將熱量演化過程分為t1和t2階段，能率則分為a1和a2階段。從圖7可看出，①熱量特征值與聲發(fā)射能率值的演變趨勢基本相同，聲發(fā)射能率在140 s之前達到最大值，而熱量在140 s之后才達到最大值，較熱量指標(biāo)而言，能率指標(biāo)具有前兆性；②模型頂板表面基本無裂紋時，熱量(能率)在t1(a1)階段中緩慢變化，持續(xù)時間較長(t1持續(xù)時間約40 s，a1持續(xù)時間約為35 s)，熱量(能率)值較??；③模型頂板裂隙不斷擴展直至發(fā)生大規(guī)模斷裂時，熱量(能率)在t2(a2)階段出現(xiàn)驟增和驟減現(xiàn)象，持續(xù)時間較短(t2階段持續(xù)時間約為17 s，a2階段持續(xù)時間約為22 s)，由于模型頂板發(fā)生斷裂使得內(nèi)部裂隙與空氣大量接觸，導(dǎo)致熱量逸散速率加快，而聲發(fā)射能率變化趨勢不受影響，所以t2階段比a2階段持續(xù)時間短?！奥?熱”指標(biāo)的時序演化特征表明了模型頂板裂隙擴展經(jīng)歷了能量緩慢釋放與加速釋放階段。

圖7 “聲-熱”特征演化規(guī)律曲線Fig.7 Curve of “acoustic-heat” evolution characteristics

4 結(jié) 論

1)急斜煤層頂板裂隙擴展誘使能量釋放與耗散，其中以能量釋放為主，能量耗散致使頂板巖體強度降低，當(dāng)內(nèi)部損傷達到極限，頂板裂隙更易擴展，裂隙擴展誘導(dǎo)能量釋放速率必然增加；

2)頂板裂隙擴展過程中聲發(fā)射信號與紅外熱量同時變化，聲發(fā)射能率與破裂事件數(shù)主要經(jīng)歷了緩慢變化、驟增與驟減的過程，紅外熱像呈現(xiàn)熱量異常區(qū)產(chǎn)生與遷移；

3)“聲-熱”指標(biāo)演化的實質(zhì)是裂隙擴展誘導(dǎo)能量不均勻釋放，“聲-熱”指標(biāo)的演變特征揭示了急斜煤層頂板裂隙擴展誘導(dǎo)能量經(jīng)歷了緩慢釋放與加速釋放時-空演化過程，其中能量加速釋放的過程易在短時間內(nèi)誘發(fā)頂板沖擊災(zāi)變，可為急斜煤層動力災(zāi)害預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。