李楊楊，張士川，孫煕震，沈?qū)毺?，孫文斌，陳軍濤，趙金海

(1. 山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590； 2. 臨沂大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 臨沂 276017)

我國中東部地區(qū)煤炭產(chǎn)量占全國的37.7%[1]，其中受底板承壓水威脅的煤炭儲(chǔ)量就達(dá)150億t以上[2]，且隨著開采深度的增加，底板巖溶水害威脅日益加重。因此，如何安全地采出受深部高承壓水威脅的煤炭資源，已成為我國中東部礦區(qū)建設(shè)綠色低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系面臨的棘手難題。

煤礦底板突水問題可以劃分為特定構(gòu)造、水-巖-應(yīng)力及采掘工程相互作用影響下的復(fù)雜巖體力學(xué)問題[3]，借助物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)可以直觀展現(xiàn)底板突水全過程，為獲取采動(dòng)底板突水災(zāi)變演化多元化信息提供有效的手段。張文忠[4]利用研發(fā)的陷落柱突水三維大型模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，借助低強(qiáng)、低滲相似材料再現(xiàn)了駱駝山煤礦陷落柱突水過程；周甲富[5]利用煤層底板突水流固耦合模擬試驗(yàn)系統(tǒng)分析了突水過程中底板巖體應(yīng)力及水壓的變化規(guī)律；隋旺華等[6]研制了室內(nèi)水砂突涌試驗(yàn)平臺(tái)和高壓三維礦井突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了水砂突涌的機(jī)理和采動(dòng)影響下的礦井突水機(jī)制；弓培林等[7]研制了三維固-流耦合相似模擬試驗(yàn)臺(tái)，為帶壓開采突水防治提供理論依據(jù)；孫文斌等[8-10]研制了深部采動(dòng)高水壓底板突水相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，獲取了監(jiān)測礦井底板突水災(zāi)變通道演變過程中的多場信息，分析了巖體固流耦合條件下底板破壞演變規(guī)律。

隨著模擬試驗(yàn)監(jiān)測手段的進(jìn)步及礦井突水深入研究的需要，現(xiàn)有的煤礦突水物理模擬系統(tǒng)仍有眾多問題需要解決[11-13]，如突水水量區(qū)域化定量監(jiān)測、模擬材料柔性、分級(jí)加載和全方位的密封。其中，分析礦井底板突水方向及速度并實(shí)現(xiàn)突水水量區(qū)域化定量分析[14]，確定突水水源和突水通道空間位置，進(jìn)而對突水災(zāi)害的預(yù)測與防治提供手段和方法。如陸銀龍等[15]借助COMSOL軟件研究了煤層開采過程中底板裂隙損傷演化、破壞形態(tài)和滲流演化規(guī)律，探討了底板水流量變化規(guī)律；馮啟言等[16]利用F-RFPA2D分析了突水后通道處的位移、流量突變特征，對底板的易發(fā)生突水部位進(jìn)行了預(yù)測。由此可見，對于突水流量的研究手段往往局限于數(shù)值模擬方面，而在物理相似模擬方面鮮有報(bào)道，因此利用突水模擬系統(tǒng)闡述突水流量演變過程有待進(jìn)一步的發(fā)展。

針對上述問題，筆者對早期研制的深部采動(dòng)底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化升級(jí)及改造，分別為突水流量監(jiān)測模塊、覆巖柔性加載模塊、水平分級(jí)加載模塊和恒壓穩(wěn)流試驗(yàn)艙模塊；以受底板承壓水威脅的山東某煤礦為試驗(yàn)背景，借助非親水相似模擬材料，分析了突水災(zāi)變發(fā)生過程中底板可視裂隙發(fā)育過程、底板區(qū)域涌水流量分布特征、突水瞬間水量突變特征及底板隔水層應(yīng)力變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果直觀展示了底板巖體災(zāi)變過程，深化了對底板突水機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

1 采動(dòng)底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)升級(jí)

1.1 傳統(tǒng)底板突水模擬設(shè)備面臨的問題

針對煤礦開采引發(fā)底板突水災(zāi)害的工程實(shí)際問題，為了模擬開采過程中真實(shí)的礦井環(huán)境、建立巖石多場耦合力學(xué)特征信息監(jiān)測方法及實(shí)現(xiàn)深部突水災(zāi)變水壓水量實(shí)驗(yàn)監(jiān)控，對突水動(dòng)力災(zāi)害實(shí)驗(yàn)室早期研制的深部采動(dòng)底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)[8]進(jìn)行模塊化升級(jí)改造。該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)深部采動(dòng)高水壓底板突水固流耦合相似模擬試驗(yàn)，具有模擬方式多樣、試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠和底板突水全過程監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)。然而隨著底板突水領(lǐng)域研究的深入，該設(shè)備已不能滿足現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)要求，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：① 無法實(shí)現(xiàn)對底板特定區(qū)域承壓水水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測，難以進(jìn)行突水水量區(qū)域化定量分析；② 豎向加載裝置為水平鋼板，無法對覆巖相似材料實(shí)現(xiàn)柔性均布?jí)毫虞d，煤層開挖地表沉陷后出現(xiàn)覆巖無法受力的現(xiàn)象；③ 水平加載采用單側(cè)單油缸加載，導(dǎo)致模擬材料側(cè)向受力不均勻，側(cè)向應(yīng)力隨巖層埋深的變化難以模擬；④ 試驗(yàn)艙一側(cè)受水平加載壓頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)的影響，難以實(shí)現(xiàn)全方位的密封，無法向試驗(yàn)艙內(nèi)提供恒壓、穩(wěn)定流量的水源環(huán)境。

1.2 改進(jìn)的采動(dòng)煤層底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

針對上述4個(gè)問題，山東科技大學(xué)突水動(dòng)力災(zāi)害實(shí)驗(yàn)室以開采擾動(dòng)巖體滲流突變誘發(fā)應(yīng)力場、滲流場等變化特征為主線，分析巖層性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、采礦活動(dòng)以及水壓大小等因素變化對底板破壞模式、突水點(diǎn)位置及突水前兆信息的影響，重點(diǎn)研究采礦煤層底板破壞突水工程現(xiàn)象的誘發(fā)、發(fā)生、發(fā)展等過程的時(shí)空演化規(guī)律，對傳統(tǒng)底板突水模擬設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，主要升級(jí)模塊如圖1所示。

升級(jí)改造后的采動(dòng)煤層底板突水時(shí)空演化試驗(yàn)系統(tǒng)(圖2)主要由試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)、液壓伺服加載系統(tǒng)、水壓控制系統(tǒng)、電腦控制系統(tǒng)和突水流量監(jiān)測系統(tǒng)組成，試驗(yàn)艙有效尺寸為1 200 mm×400 mm×800 mm(長×寬×高)。主要升級(jí)模塊及特征如下：

(1)增設(shè)突水流量監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對底板特定區(qū)域承壓水水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測。該系統(tǒng)由“10+1”個(gè)流量傳感器組成，其中10個(gè)傳感器用于監(jiān)測底板10個(gè)區(qū)域(可調(diào)整監(jiān)測位置)的出水孔水量，1個(gè)傳感器用于監(jiān)測所有出水孔的涌水量，測量范圍2～10 L/min，精度為0.1%，重復(fù)性0.03%。

(2)增設(shè)覆巖柔性加載系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對相似材料柔性均布加載。該系統(tǒng)通過設(shè)置柔性氣壓膠囊和伺服氣壓控制器實(shí)現(xiàn)加載，加載最大載荷1.0 MPa，控制精度0.01 MPa，水壓監(jiān)測精度0.01 MPa，實(shí)時(shí)表面位移監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測精度0.01 mm，采集頻率不低于30組/s。

(3)增設(shè)水平分級(jí)加載系統(tǒng)，解決了非均布側(cè)向分級(jí)加載的問題。該系統(tǒng)最大單點(diǎn)試驗(yàn)力為300 kN，試驗(yàn)臺(tái)左右兩側(cè)各3個(gè)加載油缸(一側(cè)900 kN)，可進(jìn)行分級(jí)獨(dú)立伺服控制，載荷控制系統(tǒng)控制精度為0.05 kN/s，可實(shí)現(xiàn)梯度加載；位移控制系統(tǒng)控制精度為0.02 mm/s，進(jìn)行長時(shí)間(100 h)位移或載荷保持。

(4)增設(shè)的液體恒壓增壓器(儲(chǔ)能罐)容量200 L，流量達(dá)50 L/min，最大壓力5 MPa，大容量的儲(chǔ)能罐和高速補(bǔ)水裝置可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定恒壓供水；試驗(yàn)箱整體采用不銹鋼SUS316材料加工，所有面體全部加工研磨，設(shè)備每處可活動(dòng)面設(shè)置凹槽，添加大寬度硅膠墊實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)艙的整體密封；水箱上方設(shè)計(jì)承壓水引導(dǎo)槽，避免了模擬材料與設(shè)備接觸面之間的漏水問題。

升級(jí)后的設(shè)備主要特點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)了單/雙軸靜態(tài)加載、同步運(yùn)動(dòng)異步運(yùn)動(dòng)控制、荷載和位移控制、高頻數(shù)據(jù)采集、氣體加載壓力控制、突水過程壓力、流量監(jiān)測，解決了橫豎向加載單元協(xié)同控制問題。

2 煤礦礦底板承壓水突水模型設(shè)計(jì)

2.1 工程背景

山東某煤礦為了提高煤炭產(chǎn)量，保證礦井生產(chǎn)的穩(wěn)定接續(xù)，即將開采-447 m水平的11,13煤層，而11,13煤層(總儲(chǔ)量近2億t)受水害威脅的煤炭資源占比高達(dá)87%[17]，主要受頂板四、五灰，底板徐灰和奧灰含水層的威脅，如圖3所示。其中，可采煤層中11煤平均厚度1.99 m，煤質(zhì)較好，煤層埋藏較淺，底板等高線介于-305～-440 m，平均-372.5 m。徐灰上距11煤層30.62～39.14 m，與奧灰相距5.67～17.99 m，是開采11,13煤層的間接充水含水層，巖溶裂隙發(fā)育，最大涌水量200 m3/h，初始水位高出地面4.20 m(標(biāo)高約+34 m)。-447 m水平首采區(qū)徐灰突水系數(shù)為0.11～0.15，對11,13煤層開采有較大影響。

2.2 承壓水突水模型設(shè)計(jì)

(1)相似比的確定。本試驗(yàn)以山東某礦實(shí)際地質(zhì)條件為研究背景，改進(jìn)的采動(dòng)煤層底板突水時(shí)空演化試驗(yàn)系統(tǒng)有效試驗(yàn)尺寸能夠滿足實(shí)際要求，依據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的尺寸1 200 mm×400 mm×800 mm，確定模擬試驗(yàn)的幾何相似比Cl=100，容重相似比Cγ=1.5，時(shí)間相似比Ct=10，應(yīng)力相似比CP=150，滲透系數(shù)相似比CK=0.1。

(2)三維模型設(shè)計(jì)及模擬材料選擇。本次設(shè)計(jì)無構(gòu)造底板突水相似模擬實(shí)驗(yàn)，模擬11煤開采過程中底板徐灰含水層(承壓水水壓3.4 MPa)受開采擾動(dòng)突水過程。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?1煤頂?shù)装鍘r層依據(jù)實(shí)際礦井巖層進(jìn)行設(shè)計(jì)。模型上部和水平方向施加均布載荷模擬實(shí)際圍巖的受力狀態(tài)。試驗(yàn)臺(tái)前后采用有機(jī)玻璃進(jìn)行位移約束，既能清晰地觀察到試驗(yàn)過程中底板巖層的破壞和承壓水沿裂隙的滲流情況，又能實(shí)現(xiàn)深部真實(shí)巖層的三維受力狀態(tài)。

根據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)開采資料及試驗(yàn)臺(tái)尺寸設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)采深372.5 m，底板隔水層模擬厚度35.37 m，徐灰厚度4.63 m，正常模擬水壓3.4 MPa。由于模型鋪設(shè)的高度為0.80 m，去掉底板和11煤層厚度，相當(dāng)于模擬了38 m高的上覆巖層，因此，試驗(yàn)機(jī)垂直方向需要施加煤層埋深H=334.5 m覆巖壓力，開采煤層覆巖平均容重γ=25 kN/m3，則覆巖壓力σcz=γH=8.36 MPa。結(jié)合相似理論可知，模型在垂直方向施加的載荷為56 kPa，側(cè)壓系數(shù)近似等于1，水平方向的3級(jí)加載自上而下的分別為53,56和59 kPa，模擬徐灰含水層水壓為23 kPa。實(shí)驗(yàn)過程通過模擬試驗(yàn)臺(tái)中的覆巖柔性加載系統(tǒng)施加模型荷載實(shí)現(xiàn)應(yīng)力補(bǔ)償，試驗(yàn)臺(tái)水壓控制系統(tǒng)自動(dòng)供給相應(yīng)水壓大小。設(shè)計(jì)三維開采模型如圖4所示。

圖4 煤礦底板承壓水突水三維模型Fig.4 Three dimensional model of confined water inrush of coal mine floor

由以往學(xué)者研究可知，固流耦合物理模擬試驗(yàn)中，模擬材料須同時(shí)滿足在流體環(huán)境中的巖體變形和力學(xué)參數(shù)相似等條件[18]。筆者在早期研究的基礎(chǔ)上[19]，采用石蠟和凡士林作膠結(jié)劑，河砂、碳酸鈣為骨料制作滿足頂?shù)装鍘r石性質(zhì)的非親水相似模擬材料。依據(jù)礦井巖層物理力學(xué)性質(zhì)，確定相似模擬材料組分的質(zhì)量比范圍，使得相似材料的抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)分別控制在0.04～0.60 MPa和2.87×10-7～9.37×10-5cm/s。

本次試驗(yàn)底板和頂板下部巖層采用非親水模擬材料，由碳酸鈣、砂子、石蠟等材料加熱混合而成；頂板上部巖層不涉及流固耦合問題，為保證試驗(yàn)效果，采用砂、石膏、碳酸鈣、水組合的普通相似模擬材料，各巖層材料配比見表1。

表1 各巖層鋪設(shè)參數(shù)及材料配比號(hào)確定

(2)應(yīng)力傳感器的布設(shè)。在巖層中布設(shè)應(yīng)力傳感器，監(jiān)測開采過程中底板應(yīng)力變化特征。應(yīng)力傳感器布置方式如圖4所示，1～5號(hào)傳感器布置于13煤與上覆泥巖層面位置，用于監(jiān)測直接頂應(yīng)力變化。A1～A5號(hào)傳感器和B1～B5號(hào)傳感器布置在底板泥巖中，位于13煤下方，用于監(jiān)測開挖過程中隔水層應(yīng)力變化，間接反映突水裂隙通道形成過程。

模型模擬開挖11煤，模擬煤層開挖100 cm，開挖步距為5 cm，共計(jì)開挖20次，開挖每次間隔1 h。為了減少試驗(yàn)尺寸效應(yīng)的影響，開切眼和終采線距離試驗(yàn)機(jī)一側(cè)10 cm。由大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，依照設(shè)計(jì)的材料配比鋪設(shè)模型，選擇設(shè)定的試驗(yàn)機(jī)模擬參數(shù)和相同傳感器的布設(shè)規(guī)則，可以保證試驗(yàn)的可重復(fù)性操作及獲取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的相似性。

3 突水通道演化及數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 隔水層突水通道演化過程

圖5為煤層開采5～60 m過程中底板可視裂隙擴(kuò)展及突水通道形成試驗(yàn)過程。由圖5可以看出，隔水層內(nèi)可視裂隙的演化過程可以分為2個(gè)階段，即橫縱向演化階段和橫向周期演化階段。

(1)橫縱向演化階段(Ⅰ)。開采5～25 m過程中，可視裂隙自11煤層底板向承壓水含水層方向縱向擴(kuò)展，隨著工作面推進(jìn)，可視裂隙橫向擴(kuò)展，如圖5(a)所示。開采10 m時(shí)，裂隙兩端位于開切眼煤壁和開采煤壁下方，呈“半橢圓”分布，短軸最大深度為4.1 m；開采20 m時(shí)，裂隙前端向工作面推進(jìn)方向延伸，短軸最大深度達(dá)到10.5 m。由此可知，受開采擾動(dòng)和承壓水共同影響，底板可視裂隙擴(kuò)展演化過程與底板破壞帶分布特征相似，即橫縱向演化特征。

(2)橫向周期演化階段(Ⅱ～Ⅳ)。開采25 m后，可視裂隙在縱向不再發(fā)生擴(kuò)展，隨著工作面的推進(jìn)，開采煤壁下方裂隙呈現(xiàn)周期化的分布規(guī)律(圖5(b))。開采40 m，受承壓水影響，底板深處裂隙逐漸斜向上發(fā)育(60°)，直至與底板破壞帶聯(lián)系，但整體沒有形成貫通裂隙(Ⅰ階段)；工作面開采至50 m時(shí)，底板深處裂隙產(chǎn)生新的擴(kuò)展裂隙(60°)，開采40 m的煤壁下方裂隙發(fā)生閉合(Ⅱ階段)；開采50 m形成第3條可視裂隙群，彼此未發(fā)生貫通(Ⅲ階段)。固流耦合相似模擬試驗(yàn)底板周期裂隙及突水通道如圖5所示，受引導(dǎo)槽影響造成模型表面可視突水通道發(fā)育泥巖中，內(nèi)部裂裂隙產(chǎn)生于承壓水頂界面。

圖5 底板可視裂隙擴(kuò)展及突水通道形成過程Fig.5 Visible crack propagation and water inrush channel formation process in floor

(3)災(zāi)變突水階段(Ⅳ)。開采60 m后，工作面底板后方已經(jīng)形成3條呈周期分布的可視縱向裂隙群，隨著工作面的推進(jìn)(Ⅳ階段)，第4條裂隙群逐漸產(chǎn)生，并最終與開采工作面發(fā)生貫通，隨即大量承壓水噴涌而出，如圖5(b)所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，水-巖-應(yīng)力共同作用下隔水層內(nèi)裂隙擴(kuò)展具有周期性變化特征，隨工作面推進(jìn)煤壁下方產(chǎn)生新的裂隙，上一階段回采產(chǎn)生的裂隙封閉，當(dāng)采空區(qū)覆巖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，新產(chǎn)生的裂隙極易與工作面貫通造成突水事故的發(fā)生。該結(jié)果可驗(yàn)證改造后的設(shè)備可直觀展示底板突水過程，如圖6所示。

圖6 突水通道實(shí)物Fig.6 Physical picture of water inrush channel

3.2 底板區(qū)域涌水流量分布特征分析

承壓水上開采煤層底板巖層處于水-巖-應(yīng)力相互作用的復(fù)雜環(huán)境下，由底板突水通道演化過程可知，開采擾動(dòng)誘發(fā)底板巖體的損傷破裂及裂隙擴(kuò)展，將會(huì)顯著改變底板不同區(qū)域巖體內(nèi)流體運(yùn)移特征。利用繪圖軟件將開采每一步各監(jiān)測點(diǎn)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理繪制，得到了工作面推進(jìn)過程中(10～60 m)承壓水頂界面流量分布云圖(圖7)，其中流量傳感器安裝位置如圖4所示?？梢钥闯?，煤層底板區(qū)域涌水流量分布與可視裂隙的演化過程同步性較好，具有以下特點(diǎn)：

(1)開切眼下方承壓水頂界面首先成為主滲區(qū)(圖7(a))，該區(qū)域流量(>50 L/h)明顯大于其他區(qū)域，隨著工作面開采該區(qū)域位置不再發(fā)生變化；當(dāng)突水通道形成后，該主滲區(qū)成為承壓水突水的源頭。

(2)在可視裂隙的橫縱向演化階段(0～30 m)，在開切眼位置下方的底板中逐漸形成了一個(gè)不斷向下擴(kuò)展的“半橢圓”狀損傷區(qū)(圖7(b)～(c))，造成主滲區(qū)范圍變大且流量顯著提高(>100 L/h)；在橫向周期演化階段，受新的裂隙產(chǎn)生及上一階段回采產(chǎn)生的裂隙封閉的周期性影響，主滲區(qū)流量呈現(xiàn)降低—升高—降低—升高的變化趨勢(圖7(d)～(f))。

(3)當(dāng)進(jìn)入災(zāi)變突水階段時(shí)，煤層底板裂隙與底板承壓水相連通，突水源頭位于開切眼下方的主滲區(qū)(圖5)，突水水量遠(yuǎn)大于承壓水頂界面其他區(qū)域；承壓水頂界面形成主滲區(qū)后，直到形成突水通道，該過程中其他區(qū)域流量不再發(fā)生突變。

該結(jié)果可驗(yàn)證改造后的設(shè)備監(jiān)測方式多樣、開采環(huán)境模擬真實(shí)性高等特點(diǎn)。

3.3 災(zāi)變瞬間流量變化特征及預(yù)警信息分析

圖8為流量傳感器及設(shè)備水壓、總流量監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢。如圖8(a)所示，突水源頭處流量變化具有階段特征：① 裂隙橫向演化階段平穩(wěn)，開采20 m前，承壓水以平均38 L/h的速度涌出；② 橫向周期演化階段突增—緩降—突增—緩降，開采30 m后大裂隙形成并貫通造成流量突增至80 L/h，采空區(qū)下方裂隙逐漸閉合導(dǎo)致流量緩降至55 L/h，隨著工作面下方新的裂紋產(chǎn)生造成流量再次突增至68 L/h，進(jìn)而呈現(xiàn)周期性變化過程；③ 承壓水突出階段驟增，開采60 m時(shí)，傳感器流量突變至125 L/h，底板巖體出現(xiàn)全面失穩(wěn)造成突水通道形成，突水事故發(fā)生。

利用突水流量監(jiān)測系統(tǒng)的水壓及流量傳感器收集試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)(圖8(b))，可以發(fā)現(xiàn)，隨著煤層的開挖，底板巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)逐漸發(fā)育，造成系統(tǒng)總涌水量上升至100 L/h，引發(fā)水壓降低至4 kPa左右；突水發(fā)生期間，設(shè)備總涌水量驟增至1 749 L/h，底板系統(tǒng)水壓驟降為0。

對于底板失穩(wěn)信息監(jiān)測可行性是指利用可行的監(jiān)測手段獲取突水通道形成和發(fā)展過程中具有代表性的物理參數(shù)信息[20]，這些物理參數(shù)(流量、聲發(fā)射事件等)的變化進(jìn)一步反映突水發(fā)生前兆信息。如圖8所示，監(jiān)測流量在第Ⅰ階段呈現(xiàn)平穩(wěn)波動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)安全開采；在第Ⅱ階段呈現(xiàn)周期性劇烈波動(dòng)，流量短暫升高預(yù)示裂隙的產(chǎn)生或擴(kuò)展，需做好開采預(yù)警防護(hù)；在第Ⅳ階段初期，流量出現(xiàn)急劇突變，突水隨即發(fā)生，針對試驗(yàn)結(jié)果可以將該階段流量特征作為突水預(yù)警信息。在實(shí)際煤礦開采過程中，將突水機(jī)理與監(jiān)測設(shè)備相結(jié)合，確定水壓和流量的預(yù)警闕值，創(chuàng)建以水壓、水量(明渠流量)等為監(jiān)測指標(biāo)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對煤層底板突水的預(yù)測。

圖7 不同開采距離承壓水頂界面流量演變特征Fig.7 Evolution characteristics of the interface flow of confined water under different mining distances

圖8 突水過程水壓及流量變化曲線Fig.8 Variation curves of water pressure and flow during water inrush process

3.4 底板隔水層應(yīng)力變化特征分析

模擬煤層開挖過程中，底板隔水層A1～A2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)垂直應(yīng)力的變化特征如圖9所示。開采10～25 m，工作面下方A1號(hào)呈現(xiàn)持續(xù)應(yīng)力卸載(-0.07 kPa)，受支承壓力影響，A2號(hào)出現(xiàn)短暫升高(0.02 kPa)；當(dāng)工作面推過A2號(hào)后(30 m)，A2號(hào)傳感器呈現(xiàn)應(yīng)力下降的趨勢。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，受開采擾動(dòng)影響，當(dāng)工作面推過A3號(hào)和A4號(hào)后，該傳感器應(yīng)力呈現(xiàn)下降趨勢。模擬底板巖體在水壓的長期影響下，非親水材料內(nèi)部出現(xiàn)一定范圍的裂紋擴(kuò)展，造成A3，A4和A5號(hào)位置在未受開采影響的情況下出現(xiàn)緩慢的應(yīng)力降低。開采中后期A5受邊界效應(yīng)、伺服加載、覆巖應(yīng)力等綜合因素影響呈現(xiàn)部分升高趨勢，開采60 m后方采空區(qū)巖石重新壓實(shí)，A5呈現(xiàn)下降趨勢。

圖9 底板隔水層A1～A5號(hào)應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.9 Stress monitoring data of A1-A5 in floor aquiclude

底板隔水層巖體處于水-巖-應(yīng)力相互作用的復(fù)雜環(huán)境中，開采初期底板隔水層的阻隔作用基本不受底板損傷破裂區(qū)的影響，傳感器監(jiān)測應(yīng)力基本能反映巖體固體變形的特征；開采后期，受導(dǎo)水裂隙擴(kuò)展、地下水軟化影響，隔水層隔水性能逐漸喪失，巖體應(yīng)力在多因素影響下出現(xiàn)突變，如突水期間5個(gè)傳感器數(shù)據(jù)出現(xiàn)由卸載轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)的變化趨勢。通過上述試驗(yàn)可以看出，研發(fā)的突水模擬設(shè)備及試驗(yàn)方法以一種物理真實(shí)、可視的方式再現(xiàn)了煤層底板“突水通道”形成以及突水流量演化的復(fù)雜過程，其從深層次上揭示了煤層底板破壞突水機(jī)制，對于我國煤層底板突水災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報(bào)及防治具有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 論

(1)采動(dòng)煤層底板突水時(shí)空演化試驗(yàn)系統(tǒng)在突水流量監(jiān)測模塊、覆巖柔性加載模塊、水平分級(jí)加載模塊和試驗(yàn)艙進(jìn)行了升級(jí)改造，升級(jí)后的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了側(cè)向三油缸分級(jí)加載、同步和異步運(yùn)動(dòng)控制、高頻數(shù)據(jù)采集、氣體加載壓力控制、突水過程壓力及流量監(jiān)測，以及突水水量區(qū)域化定量監(jiān)測、覆巖相似材料柔性均布受力、雙側(cè)分區(qū)域獨(dú)立加載和全方位的密封。

(2)模擬煤礦開采底板可視裂隙的演化過程分為橫縱向演化階段和橫向周期演化階段，前者表現(xiàn)為隨著開采可視裂隙向承壓水含水層方向和工作面推進(jìn)方向擴(kuò)展，后者表現(xiàn)為隨煤層開采煤壁下方產(chǎn)生新的裂隙，上一階段回采產(chǎn)生的裂隙封閉，裂隙擴(kuò)展呈現(xiàn)周期性變化特征。

(3)承壓水頂界面主滲區(qū)首先產(chǎn)生于開切眼下方且位置不隨煤層開采發(fā)生變化；在裂隙橫縱向演化階段，主滲區(qū)范圍變大且流量顯著提高；在橫向周期演化階段，主滲區(qū)流量呈現(xiàn)降低—升高—降低—升高的周期性變化趨勢；突水通道形成后，主滲區(qū)成為承壓水突水的源頭，其他區(qū)域流量不再發(fā)生突變；針對實(shí)驗(yàn)結(jié)果突水災(zāi)變初期的流量急劇突變特征可作為突水預(yù)警信息。