基于岩石工程系统的煤层底板突水机制

刘再斌

(1.中煤科工集团 西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054)

煤层底板突水受多种因素影响，采掘活动导致了岩体内部结构及渗流特性的变化，是突水孕育及演化过程的诱因。底板突水影响因素之间相互作用，相互影响，并且随着时间不断地发生变化，各影响因素与其间的相互作用过程形成了复杂的底板突水系统，该系统难以用单因素分析方法进行描述。英国伦敦大学 Hudson教授在1992年提出的岩石工程系统(Rock Engineering Systems，RES)理论能够为解决该类复杂系统分析问题提供有效技术途径。RES将以系统的、动态发展的观点分析处理岩石工程问题，既有系统中各组成要素的分析，又有各要素间相互作用机理的分析，从而可以很好地分析煤层底板多因素耦合作用机理[1-2]。RES方法已在煤与瓦斯突出危险性预测、煤层自燃危险性预测、边坡稳定性评价、地下巷道工程稳定性分析等方面得到了应用[3-7]。本文提出一种优化的RES方法，构建出各影响因素相互作用矩阵，不仅解决影响因素耦合机制分析问题，也可以基于相互作用矩阵构建水害综合控制体系，为突水问题的研究提供一种思路和方法。

1 优化的RES方法

1.1 元素间的相互作用

RES系统的基础单元是元素及元素间的相互作用，用对角线元素表示变量，非对角线元素标明状态变量之间的作用过程，形成二元的相互作用矩阵，顺时针方向表示元素间作用的主动与被动状态。典型的应力应变二元相互作用的矩阵如图1所示。

图1 应力应变矩阵

应力和应变处于主对角线上，是矩阵中互相作用的元素。以应变作为自变量，应力作为因变量时，作用的过程为左下角的元素。自变量为应力，因变量为应变式，作用的过程是右上角的元素。左下角的元素和右上角的元素相互对称时说明应力与应变之间的关系固定，元素间的相互作用过程不断循环。在岩石发生不可逆的破坏后，矩阵变为非对称二阶矩阵，其内部的相互作用不可重复性地循环。

1.2 系统构建

基于二元的相互作用矩阵，增加相互作用元素，不断扩展矩阵，形成多源的岩石工程系统交互作用矩阵，如公式1所示。

(1)

当有n个相互作用元素时，矩阵主对角线上的元素，xij,i=j，构成相互作用的主体，其余的元素是相互作用的结果。

1.3 系统优化

由于元素之间的相互作用既有过程又有结果，在机理性问题分析时除了关注相互作用的过程之外，往往也需要关注相互作用的结果。因此引入相互作用函数，进一步优化岩石工程系统，提出优化的RES系统(ORES)，在ORES系统中，非对角线元素表示相互作用的过程与作用结果之和。在二元相互作用矩阵中，相互作用结果表示为xij(i≠j)，采用函数元素表示相互作用的过程：

(2)

在一般情况下，相互作用过程不具有对称性，fij≠fji。相互作用函数在对角线上时值为0，fij=0,i=j。相互作用过程矩阵(BIM)的形式为：

(3)

ORES矩阵为RES矩阵与BIM矩阵之和：

ORES=RES+BIM=

(4)

2 突水ORES网络

采用优化的岩石工程系统(ORES)分析煤层底板突水问题，采掘工程是突水的诱因，在突水的演化过程中渗流场与应力场的耦合效应是突水演化机理的本质，煤层底板岩体结构控制着渗流应力耦合作用过程，因此将突水ORES系统的主对角线元素包括渗流场、应力场、岩体结构和采掘工程，构建的四阶矩阵系统为：

ORES′=

(5)

在相互作用矩阵的基础上可以形成突水多因素耦合作用网络，如图2所示。以带箭头的曲线表示相互作用过程。在突水网络系统中，元素间的相互作用结果包括突水现象、防治水工程对策及防治水工程效果等。

图2 突水网络示意

突水ORES网络由4个相互作用元素、12种相互作用过程及12个作用结果组成。主对角线元素x11是采掘工程，包括掘进及工作面回采等生产活动，是突水ORES网络产生不断变化的起因；应力场为x22，指的是系统所处的应力环境，包括原始地应力场与采动应力场，应力函数是分析岩体变形、破坏的基础；岩体结构为x33，不同的底板岩体结构影响底板突水演化进程，受断层、陷落柱影响，底板岩体结构分为不同类型；渗流场为x44，基底灰岩含水层是底板突水的主要突水水源，渗透率张量用来反映岩体的渗流能力和渗流状态，采动岩体渗流场的变化即为突水进程的演化。

煤层底板突水ORES网络系统可以分为4个功能分区，包括工程活动、采掘活动扰动效应、渗流应力耦合矩阵和水害综合控制方法等，如图3所示。

图3 RES网络功能分区

3 采掘活动扰动效应

采掘活动发生之前，系统为自然过程-响应系统，采掘活动对矩阵施加了人为影响，形成了并行和随时间变化的近场和远场[8-10]。近场的范围指的是突水系统影响的范围，近场范围大于采掘活动直接扰动的范围。处在对角线下方的元素，x1i+f1i,i=2,3,4，是指采掘活动对渗流应力矩阵的作用过程及影响结果，包括对应力场的作用f12、对岩体结构的作用f13和对渗流场的作用f14。

采掘活动行程改变了原岩地应力场的分布，行程采动应力场，即x12元素；采掘活动一方面直接开挖了岩体，可能触及导水通道，并使得采掘空间周边的岩体发生变形移动，用x13表示岩体结构的采动影响结果。采掘活动对渗流场的影响一方面是直接导通的导水通道形成矿井突水通道，另外一方面造成底板隔水层底面与顶面之间存在水压差，采掘活动对渗流场的作用结果是矿井为矿井涌(突)水，表示为x14。

4 渗流应力耦合作用

突水RES网络左上方的3×3次级矩阵为应力渗流耦合矩阵，为突水演化过程中渗流应力耦合作用机制。

突水通道的演化过程主要是岩体结构的变化过程，受渗流场与应力场耦合作用控制，底板的破坏表示为x23元素，突水发生之后，通道在水动力条件的影响下，会产生一定的变化，渗流通道的演化特征表示为x43元素。

底板岩体的渗流状态和渗透性能都可作为渗流场的特征，岩体渗透性能在压应力状态下下降，在应力释放得到而提高，应力对渗流场的作用过程为函数f24。地下水进入采掘空间的渗流形态受岩体结构的影响，函数为f34，不同类型的突水通道具有不同的渗流特征。

岩体结构同样影响应力场的分布，不同类型的突水通道周边具有不同的应力积聚及释放特征，应力场的分布特征为元素x32。高孔隙水压条件可以降低岩体骨架有效应力，同时突水发生后由于大量失水，岩体骨架会产生应力积聚，渗流场对应力场的作用函数表示为f42。

5 水害综合控制方法

突水网络对角线上方的元素，xi1+fi1,i=2,3,4，是渗流应力耦合矩阵同采掘活动的影响及作用机理，是各项水害防治措施制定的依据。支护措施、疏水措施、注浆加固等工程措施改变岩体结构及渗流场状态。

采掘工程开展前，充分考虑应力场的影响，合理布置采掘工程，优化回采工艺，可以降低采掘活动对原始地应力场的干扰，减小采掘工程对整个系统的影响，从而降低突水概率。

在工作面回采过程中，通过充填开采、限高开采等措施降低回采工程对岩体结构的影响。

底板水害防治主要手段包括疏水降压和底板注浆。在灾害水源富水性较弱时，通过水压的疏降可以减小突水危险性。底板注浆是底板水害防治的主要手段，在地面或者井下施工钻孔，形成注浆通道，向底板岩体的裂隙、孔隙及空洞空间内注入可以胶结、固化的浆液，封堵突水通道，加固底板岩体，降低突水发生的概率，减小底板涌水量。

6 结 论

(1)底板突水RES网络系统涵盖了煤层底板突水发生机理和煤层底板突水水害防治方法的主要内容，是对渗流-应力耦合突水机理的概念性表述。

(2)采掘活动激发了网络中不同路径的循环作用，采掘活动的扰动效应包括对应力场、岩体结构和渗流场的影响。

(3)岩体是采掘活动发生的主体，岩体结构控制着渗流应力耦合作用机制，煤层底板渗流场和应力场分布特征受到底板岩体结构的控制。

(4)在突水网络中任意节点施加干扰都能通过循环作用影响整个系统，产生全系统的响应。底板水害控制要综合考虑岩体结构、应力场、渗流场等不同方面的影响因素，实现煤层底板水害的综合动态控制。

[参考文献]

[1]J.A.Hudson J.P.Harrison.工程岩石力学(上卷：原理导论)[M].冯夏庭，李小春，焦玉勇，等译.北京：科学出版社，2009.

[2]杨效华，祝玉学，蒙立军.岩石工程系统原理与应用，第1讲：岩石工程系统概论[J].金属矿山，2000，23(7)：46-50.

[3]余伟健，高 谦，韩 阳，等.全耦合分析法在巷道安全评价中的应用[J].湖南科技大学学报(自然科学版)，2007，22(1)：1-4.

[4]杨英杰，张 清.人工神经网络在岩石工程系统RES中的应用[J].铁道学报，1997，19(2)：67-72.

[3]黄琪嵩，程久龙，贾吉喆，等.RES理论在煤与瓦斯突出危险性预测中的应用[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2016，35(3)：248-253.

[4]黄琪嵩，陈 丁，王海彦，等.基于RES方法的煤层自燃危险性预测模型[J].河南理工大学学报(自然科学版)，2016，35(5)：620-624.

[5]姚兆明.岩石工程系统理论在边坡稳定性评价中的应用[J].安徽理工大学学报(自然科学版)，2003，23(4)：23-27.

[6]余伟健，高 谦，韩 阳，等.基于RES的地下巷道工程稳定性全耦合分析方法[J].岩土力学，2008，29(6)：1489-1493，1499.

[7]祝玉学，赵学龙.岩石工程系统理论与应用第6讲系统思想与工程控制[J].金属矿山，2000，23(12)：53-56.

[8]余伟健，高 谦，韩 阳，等.全耦合分析法在巷道安全评价中的应用[J].湖南科技大学学报(自然科学版)，2007，22(1)：1-4.

[9]李俊宏，何淑媛.RES理论在岩体工程分级中的应用[J].水电能源科学，2007，25(5)：47-49，46.

[10]陈 筠，郭 果.基于RES理论的潜在滑坡识别[J].工程地质学报，2014，22(3)：456-463.