劉再斌

(1.中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤層底板突水受多種因素影響，采掘活動(dòng)導(dǎo)致了巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及滲流特性的變化，是突水孕育及演化過程的誘因。底板突水影響因素之間相互作用，相互影響，并且隨著時(shí)間不斷地發(fā)生變化，各影響因素與其間的相互作用過程形成了復(fù)雜的底板突水系統(tǒng)，該系統(tǒng)難以用單因素分析方法進(jìn)行描述。英國(guó)倫敦大學(xué) Hudson教授在1992年提出的巖石工程系統(tǒng)(Rock Engineering Systems，RES)理論能夠?yàn)榻鉀Q該類復(fù)雜系統(tǒng)分析問題提供有效技術(shù)途徑。RES將以系統(tǒng)的、動(dòng)態(tài)發(fā)展的觀點(diǎn)分析處理巖石工程問題，既有系統(tǒng)中各組成要素的分析，又有各要素間相互作用機(jī)理的分析，從而可以很好地分析煤層底板多因素耦合作用機(jī)理[1-2]。RES方法已在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、煤層自燃危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、地下巷道工程穩(wěn)定性分析等方面得到了應(yīng)用[3-7]。本文提出一種優(yōu)化的RES方法，構(gòu)建出各影響因素相互作用矩陣，不僅解決影響因素耦合機(jī)制分析問題，也可以基于相互作用矩陣構(gòu)建水害綜合控制體系，為突水問題的研究提供一種思路和方法。

1 優(yōu)化的RES方法

1.1 元素間的相互作用

RES系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元是元素及元素間的相互作用，用對(duì)角線元素表示變量，非對(duì)角線元素標(biāo)明狀態(tài)變量之間的作用過程，形成二元的相互作用矩陣，順時(shí)針方向表示元素間作用的主動(dòng)與被動(dòng)狀態(tài)。典型的應(yīng)力應(yīng)變二元相互作用的矩陣如圖1所示。

圖1 應(yīng)力應(yīng)變矩陣

應(yīng)力和應(yīng)變處于主對(duì)角線上，是矩陣中互相作用的元素。以應(yīng)變作為自變量，應(yīng)力作為因變量時(shí)，作用的過程為左下角的元素。自變量為應(yīng)力，因變量為應(yīng)變式，作用的過程是右上角的元素。左下角的元素和右上角的元素相互對(duì)稱時(shí)說明應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系固定，元素間的相互作用過程不斷循環(huán)。在巖石發(fā)生不可逆的破壞后，矩陣變?yōu)榉菍?duì)稱二階矩陣，其內(nèi)部的相互作用不可重復(fù)性地循環(huán)。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)建

基于二元的相互作用矩陣，增加相互作用元素，不斷擴(kuò)展矩陣，形成多源的巖石工程系統(tǒng)交互作用矩陣，如公式1所示。

(1)

當(dāng)有n個(gè)相互作用元素時(shí)，矩陣主對(duì)角線上的元素，xij,i=j，構(gòu)成相互作用的主體，其余的元素是相互作用的結(jié)果。

1.3 系統(tǒng)優(yōu)化

由于元素之間的相互作用既有過程又有結(jié)果，在機(jī)理性問題分析時(shí)除了關(guān)注相互作用的過程之外，往往也需要關(guān)注相互作用的結(jié)果。因此引入相互作用函數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化巖石工程系統(tǒng)，提出優(yōu)化的RES系統(tǒng)(ORES)，在ORES系統(tǒng)中，非對(duì)角線元素表示相互作用的過程與作用結(jié)果之和。在二元相互作用矩陣中，相互作用結(jié)果表示為xij(i≠j)，采用函數(shù)元素表示相互作用的過程：

(2)

在一般情況下，相互作用過程不具有對(duì)稱性，fij≠fji。相互作用函數(shù)在對(duì)角線上時(shí)值為0，fij=0,i=j。相互作用過程矩陣(BIM)的形式為：

(3)

ORES矩陣為RES矩陣與BIM矩陣之和：

ORES=RES+BIM=

(4)

2 突水ORES網(wǎng)絡(luò)

采用優(yōu)化的巖石工程系統(tǒng)(ORES)分析煤層底板突水問題，采掘工程是突水的誘因，在突水的演化過程中滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合效應(yīng)是突水演化機(jī)理的本質(zhì)，煤層底板巖體結(jié)構(gòu)控制著滲流應(yīng)力耦合作用過程，因此將突水ORES系統(tǒng)的主對(duì)角線元素包括滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、巖體結(jié)構(gòu)和采掘工程，構(gòu)建的四階矩陣系統(tǒng)為：

ORES′=

(5)

在相互作用矩陣的基礎(chǔ)上可以形成突水多因素耦合作用網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。以帶箭頭的曲線表示相互作用過程。在突水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，元素間的相互作用結(jié)果包括突水現(xiàn)象、防治水工程對(duì)策及防治水工程效果等。

圖2 突水網(wǎng)絡(luò)示意

突水ORES網(wǎng)絡(luò)由4個(gè)相互作用元素、12種相互作用過程及12個(gè)作用結(jié)果組成。主對(duì)角線元素x11是采掘工程，包括掘進(jìn)及工作面回采等生產(chǎn)活動(dòng)，是突水ORES網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生不斷變化的起因；應(yīng)力場(chǎng)為x22，指的是系統(tǒng)所處的應(yīng)力環(huán)境，包括原始地應(yīng)力場(chǎng)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力函數(shù)是分析巖體變形、破壞的基礎(chǔ)；巖體結(jié)構(gòu)為x33，不同的底板巖體結(jié)構(gòu)影響底板突水演化進(jìn)程，受斷層、陷落柱影響，底板巖體結(jié)構(gòu)分為不同類型；滲流場(chǎng)為x44，基底灰?guī)r含水層是底板突水的主要突水水源，滲透率張量用來反映巖體的滲流能力和滲流狀態(tài)，采動(dòng)巖體滲流場(chǎng)的變化即為突水進(jìn)程的演化。

煤層底板突水ORES網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以分為4個(gè)功能分區(qū)，包括工程活動(dòng)、采掘活動(dòng)擾動(dòng)效應(yīng)、滲流應(yīng)力耦合矩陣和水害綜合控制方法等，如圖3所示。

圖3 RES網(wǎng)絡(luò)功能分區(qū)

3 采掘活動(dòng)擾動(dòng)效應(yīng)

采掘活動(dòng)發(fā)生之前，系統(tǒng)為自然過程-響應(yīng)系統(tǒng)，采掘活動(dòng)對(duì)矩陣施加了人為影響，形成了并行和隨時(shí)間變化的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)[8-10]。近場(chǎng)的范圍指的是突水系統(tǒng)影響的范圍，近場(chǎng)范圍大于采掘活動(dòng)直接擾動(dòng)的范圍。處在對(duì)角線下方的元素，x1i+f1i,i=2,3,4，是指采掘活動(dòng)對(duì)滲流應(yīng)力矩陣的作用過程及影響結(jié)果，包括對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的作用f12、對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的作用f13和對(duì)滲流場(chǎng)的作用f14。

采掘活動(dòng)行程改變了原巖地應(yīng)力場(chǎng)的分布，行程采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)，即x12元素；采掘活動(dòng)一方面直接開挖了巖體，可能觸及導(dǎo)水通道，并使得采掘空間周邊的巖體發(fā)生變形移動(dòng)，用x13表示巖體結(jié)構(gòu)的采動(dòng)影響結(jié)果。采掘活動(dòng)對(duì)滲流場(chǎng)的影響一方面是直接導(dǎo)通的導(dǎo)水通道形成礦井突水通道，另外一方面造成底板隔水層底面與頂面之間存在水壓差，采掘活動(dòng)對(duì)滲流場(chǎng)的作用結(jié)果是礦井為礦井涌(突)水，表示為x14。

4 滲流應(yīng)力耦合作用

突水RES網(wǎng)絡(luò)左上方的3×3次級(jí)矩陣為應(yīng)力滲流耦合矩陣，為突水演化過程中滲流應(yīng)力耦合作用機(jī)制。

突水通道的演化過程主要是巖體結(jié)構(gòu)的變化過程，受滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合作用控制，底板的破壞表示為x23元素，突水發(fā)生之后，通道在水動(dòng)力條件的影響下，會(huì)產(chǎn)生一定的變化，滲流通道的演化特征表示為x43元素。

底板巖體的滲流狀態(tài)和滲透性能都可作為滲流場(chǎng)的特征，巖體滲透性能在壓應(yīng)力狀態(tài)下下降，在應(yīng)力釋放得到而提高，應(yīng)力對(duì)滲流場(chǎng)的作用過程為函數(shù)f24。地下水進(jìn)入采掘空間的滲流形態(tài)受巖體結(jié)構(gòu)的影響，函數(shù)為f34，不同類型的突水通道具有不同的滲流特征。

巖體結(jié)構(gòu)同樣影響應(yīng)力場(chǎng)的分布，不同類型的突水通道周邊具有不同的應(yīng)力積聚及釋放特征，應(yīng)力場(chǎng)的分布特征為元素x32。高孔隙水壓條件可以降低巖體骨架有效應(yīng)力，同時(shí)突水發(fā)生后由于大量失水，巖體骨架會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力積聚，滲流場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的作用函數(shù)表示為f42。

5 水害綜合控制方法

突水網(wǎng)絡(luò)對(duì)角線上方的元素，xi1+fi1,i=2,3,4，是滲流應(yīng)力耦合矩陣同采掘活動(dòng)的影響及作用機(jī)理，是各項(xiàng)水害防治措施制定的依據(jù)。支護(hù)措施、疏水措施、注漿加固等工程措施改變巖體結(jié)構(gòu)及滲流場(chǎng)狀態(tài)。

采掘工程開展前，充分考慮應(yīng)力場(chǎng)的影響，合理布置采掘工程，優(yōu)化回采工藝，可以降低采掘活動(dòng)對(duì)原始地應(yīng)力場(chǎng)的干擾，減小采掘工程對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，從而降低突水概率。

在工作面回采過程中，通過充填開采、限高開采等措施降低回采工程對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的影響。

底板水害防治主要手段包括疏水降壓和底板注漿。在災(zāi)害水源富水性較弱時(shí)，通過水壓的疏降可以減小突水危險(xiǎn)性。底板注漿是底板水害防治的主要手段，在地面或者井下施工鉆孔，形成注漿通道，向底板巖體的裂隙、孔隙及空洞空間內(nèi)注入可以膠結(jié)、固化的漿液，封堵突水通道，加固底板巖體，降低突水發(fā)生的概率，減小底板涌水量。

6 結(jié) 論

(1)底板突水RES網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)涵蓋了煤層底板突水發(fā)生機(jī)理和煤層底板突水水害防治方法的主要內(nèi)容，是對(duì)滲流-應(yīng)力耦合突水機(jī)理的概念性表述。

(2)采掘活動(dòng)激發(fā)了網(wǎng)絡(luò)中不同路徑的循環(huán)作用，采掘活動(dòng)的擾動(dòng)效應(yīng)包括對(duì)應(yīng)力場(chǎng)、巖體結(jié)構(gòu)和滲流場(chǎng)的影響。

(3)巖體是采掘活動(dòng)發(fā)生的主體，巖體結(jié)構(gòu)控制著滲流應(yīng)力耦合作用機(jī)制，煤層底板滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布特征受到底板巖體結(jié)構(gòu)的控制。

(4)在突水網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)施加干擾都能通過循環(huán)作用影響整個(gè)系統(tǒng)，產(chǎn)生全系統(tǒng)的響應(yīng)。底板水害控制要綜合考慮巖體結(jié)構(gòu)、應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)等不同方面的影響因素，實(shí)現(xiàn)煤層底板水害的綜合動(dòng)態(tài)控制。

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