深部采动响应与灾害防控研究进展

2021-04-11袁亮

煤炭学报 2021年3期

袁亮

(1.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南 232001; 2.安徽理工大学煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心，安徽淮南 232001; 3.深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室，安徽淮南 232001)

我国“缺气、少油、相对富煤”的资源禀赋特征，决定了在未来相当长的一段时间内，煤炭仍将是我国的主导能源，根据2019年最新统计，煤炭在一次能源生产和消费结构中分别占68.8%和57.7%[1]。随着国民经济的飞速发展，能源需求总量呈逐年增长态势。为了保障能源供给，我国煤炭资源开采在东北、华东为代表的中东部区域以10～25 m/a 的速度向深部推进，深度达到800～1 000 m，并有47 对矿井深度超过1 000 m，西部煤炭资源开采则集中在晋陕蒙宁甘，保有和预测煤炭资源总计达3.85万亿t，占全国的66.2%，以大柳塔、上湾、保德等为代表的千万吨级高强度开采矿井群亦相继出现了深部开采动力现象[2-3]。

煤炭开采进入深部以后，瓦斯赋存条件变得更加复杂[4]，开采环境发生剧烈变化[5]。由于深部岩体承受着上覆岩层自重产生的较大垂直应力以及地质构造产生的构造应力，最终导致较高的地应力，并随之产生极大的岩溶水压，深部条件下的地温也将越来越高，即:高地应力、高地温、高岩溶水压。而在“三高”的环境作用下，由于深部岩体具有强时间效应，极易发生大范围的流变，同时也会造成工作环境处于极高温度，影响工人的工作效率，并导致动力灾害发生频率增加，从而形成工程响应强流变性、强湿热环境、强动力灾害的特点，开采扰动性强[6]。因此深部采煤环境和岩体工程响应具有“三高一强扰动”的特点[7-8]，这为深部煤炭资源安全开采带来巨大挑战。

深部煤炭资源开采过程中，将不可避免地产生大幅度采动响应，在矿井采掘作业空间一定范围内，煤岩层、地下含水层及隔水层变形、破断和运动，进而产生大量裂隙及地表沉降，应力应变场、地球物理场、裂隙场、渗流场、温度场、浓度场及其他复合场均发生变化[9-10]。随着开采深度的日益增大，这种煤岩体多场响应变化特征与浅部相比差异更大。开采活动越来越受到煤与瓦斯突出、冲击地压、巷道围岩大变形、矿井水害、矿井热害等问题的困扰[11-12]。目前相关研究主要围绕开采扰动诱发的工程灾害响应描述、隐伏致灾源探寻、灾害预测及控制，而针对影响深地资源开发利用的相关煤岩体响应关键理论基础和多场耦合致灾机制研究不够深入、全面。因此，笔者聚焦于深部煤矿采动响应及多场耦合致灾关键机理，并基于相关理论成果，结合人工智能、云计算、大数据、区块链等为代表的科技革命创新成果，探讨深部采动灾害防控关键技术，助力实现深地资源安全高效开采。

1 深部采动煤岩体响应特征

受到深部矿井“三高一强扰动”特殊开采环境的影响，采动响应机制变得愈加复杂[13](图1)。深部煤炭开采无论是工程规模，还是采区的扰动范围，相比浅部都大很多。且在响应范围内煤岩体变形、受力也更加剧烈[14]。同时，影响深部矿井生产的地质因素增多，各因素之间关系复杂，危害强度大，多场耦合响应特征呈现出一种新的状态。

图1 不同深度煤炭资源开采特点及灾害响应情况Fig.1 Characteristics of coal mining and disaster response with different mining depths

深部采动响应具有明显的空间性和时序性[15]。一方面，受到煤炭开采扰动影响，围岩内部结构和原位应力场失衡[16]，其最初、最直接反映就是引发岩层运移，空间特征表现出明显的“分带性”和“形态性”[17]，即在开采扰动下，固、液、气、电多相、多态重新分布与运移交互[18]，应力-温度-渗流-化学-微生物多作用机制与多物理场耦合具有显著的空间响应特征(图2)。目前感知装备与测试技术在解决深部开采及动力灾害防治方面探索少、挑战大，特别是煤炭绿色、安全、高效、智能化开发利用需求下，如何明确采动空间范围多物理化学场耦合机理、多灾孕育及耦合演化规律、多参量灾害预警与防控技术装备还需不断探索[19]。另一方面，深部煤炭资源开采时序响应贯穿井巷空间设计、建设至煤体采出、采区范围煤岩体稳定及地表生态恢复的全过程。煤岩体在深部条件下，其动态演化时效性变化明显，其流固特征、非连续结构演化、应力场重新分布、多场相互作用机制以及煤岩体灾变全过程物理现场的发生机理和时空演化规律在时序特征上显现快、速率高、周期短[20-21]。煤岩体空间变形形态在孕育、延伸、交叉拓展时间变化方面的相关研究尚且不足。特别在深部智能化开采模式实现致灾因素的预判、预警、预解尚且难以有效解决，不能满足深部资源开采的需求[22]。因此，从设计、建设、生产各个环节如何建立满足煤系资源开采及共伴生资源的综合利用，仍需要在时序上进一步优化[23]。特别是建立基于时序变化的超前感知、精准定位、高效预警体系，对保障深地煤炭资源安全开采意义重大。

图2 深部采动煤岩体多场空间响应特征Fig.2 Multi-field spatial response characteristics of coal and rock masses in deep mining

2 深部采动多场耦合规律及致灾机理

深部开采过程涉及应力场、裂隙场、渗流场、温度场等多场耦合影响，分析多场耦合规律，有利于掌握各类灾害的致灾机理。秦玉金等[24]建立了渗流场、应力场和温度场之间的多场耦合模型，并进行瓦斯赋存特征数值模拟解算，模型解算结果与煤层实际参数基本相符。梁冰等[25]考虑瓦斯吸附解吸和煤体变形对煤体裂隙瓦斯流动的影响，建立深部顺层钻孔抽采渗流多场耦合模型，并使用该模型模拟得到目标煤层的有效抽采半径。林柏泉等[26]采用双重孔隙介质结构，引入瓦斯动态扩散系数，推导多场耦合渗流模型，分析应力场和扩散场对渗流场的影响。尹光志等[27]采用热-流-固耦合真三轴瓦斯渗流试验平台，分别测试了突出型煤和非突出型煤在全应力-应变状态下的瓦斯渗流特征，得出渗透性可以作为判别深部突出危险程度的一个指标。结合已有研究进展，综合考虑强开采扰动和时效性的深部开采多场耦合规律及致灾机理论述如下。

2.1 煤炭开采多物理化学场时空动态演化规律

深地资源开采涉及应力场、裂隙场、渗流场、温度场、震动场、能量场等多物理化学场时空动态演化，煤层开采改性原位应力场，触发能量场与震动场，引发裂隙场孕育演化，高瓦斯压力、高承压水改变裂隙场分布形态，影响渗流场分布，裂隙场与渗流场演化改变应力场、能量场及震动场运移路径及分布形态[28-29]。同时开采扰动诱发固态开采、流态开采及多资源协调开采下岩体结构演化、岩体灾变破坏和流态化，以及裂纹裂隙孕育、延伸及交叉拓展等时空动态演化过程。需要借助分形重构、3D 打印、应力冻结等物理实验方法和技术，研究探索气固开采下多场透明及可视化表征方法，包括:建立深部岩体非连续结构的分形重构算法;研制与深部岩层基本力学性能相一致的三维应力可视化材料，借助3D 打印技术，构建高清透明并具有良好光折射能力的深部岩体的三维物理模型，直观地显示天然岩体内部复杂的裂隙结构与空间形态，建立深部岩层非连续结构可视化物理模型。同时，发展三维应力冻结技术与提取方法，建立深部岩体流态化开采扰动下的应力场、裂隙场和渗流场的定量表征方法与可视化理论，直观地再现深部煤炭开采过程中的非连续结构演化、应力场重分布、应力场和渗流场相互作用机制以及岩体灾变全过程等各种物理现象的发生机理、时空演化规律。基于可视化理论，预先对深部煤炭开采进行“透明推演”，直观、定量地显示整个开采过程中矿体破碎、应力与能量转移、灾害发生的形式、位置、时间、量级，从而达到预判、预警、预解的目标。以多发的煤与瓦斯突出事故来说，为了达到防突目的，需要揭示应力场-扩散场-渗流场耦合诱突机理及突出发展演化规律[27,30-31]，原位实测与数值模拟分析构造区域地应力与采动应力分布特征，建立“应力场-扩散场-渗流场”多场耦合模型，揭示煤与瓦斯突出多场耦合孕育机制，并提出煤与瓦斯突出的临界判据，图3表示多场耦合情况下，诱导煤与瓦斯突出发生的概念模型、数学模型和过程及机理[32]。

2.2 多资源全生命周期动态叠加多相多场耦合致灾机理

深部煤炭资源开采引发岩层运移涉及深部多资源安全协调开发问题，扰动围岩运移涉及到多物理场理论体系和复杂影响因素，开采扰动下的固、液、气、电多相并存的开采环境，以及应力-温度-渗流-化学-微生物多种作用机制的多物理场耦合模型，需要揭示深部不同资源协调开采方式下的岩体本构行为、渗流机制、变形破坏规律，最终形成深地资源气固开采扰动下的多物理场耦合理论[33]。

深部共伴生多资源精准开采涉及应力场-裂隙场-渗流场-温度场-能量场耦合作用及动态叠加多相多场耦合复合灾害孕育演化，应力、渗流、化学反应作用下多孔介质、裂隙介质损伤演化及渗透特性变化规律亟待突破[34]。煤、稀有金属协调开采中煤层开采“三带”效应对铀矿床构成威胁，甚至活化稀有金属矿床，破坏地浸开采地层水环境，同时氡气及其子体、重金属在扩散、对流及弥散作用下对地层水及深埋煤层构成污染威胁;煤、油气协调开采中煤层开发扰动油气圈闭层稳定性，影响油气动态分布，油气管井与煤层覆岩力热耦合效应诱发管道泄漏、爆燃，扰动煤层采动围岩应力场-裂隙场-渗流场动态耦合过程，诱发采场围岩异常响应，矿井水、瓦斯、粉尘等异常扩散。强化共伴生多资源开采多相多场耦合机理研究，揭示资源开采动态叠加多相多场耦合灾害孕育演化规律，实现耦合灾害的超前感知、精准定位、高效预警预解，为煤及共伴生资源开采提供保障[35]。

图3 煤与瓦斯突出多场耦合诱突过程[32]Fig.3 Multi-field coupling inducing process of coal and gas outburst[32]

3 深部采动灾害防控

高地应力、高地温、高岩溶水压及强开采扰动的深地开采环境，导致采动煤岩非线性非均匀性力学及物性属性，诱发煤与瓦斯突出、冲击地压等多种灾害，进一步聚焦透明矿山及地质保障关键技术、灾害风险判识与监控预警关键技术和典型动力灾害防控关键技术研发与应用，进一步提升深地资源立体式全生命周期安全开采、灾害防控、自主修复水平，是实现深地资源安全高效开采的关键所在。

3.1 透明矿山及地质保障关键技术

与智能化、规模化煤炭资源开采模式相匹配的透明矿山及综合地质保障技术的不断发展与完善是深部灾害防控关键技术的先导基础。基于深部“三高一强扰动”的开采环境，通过综合运用矿井地质科学理论、方法、技术，融合井巷建设资料，分析评价煤层成因、赋存条件、地质构造、水文地质、煤岩体组分及其物理力学性质，充分利用现代地球物理探测技术、地质大数据、物联网、5G通讯、人工智能等技术手段，构建具有高度准确性、实时性和连续性的可视化透明矿山(图4)[26，36]。重点针对采掘工程扰动条件下的变形场、渗流场、温度场及应力场等动态地质信息开展实时监控，获取煤炭开采空间范围内煤、岩、土、水、气等多介质、多结构、多态的变化特征和规律[37-38]。围绕开采地质条件精准探查、隐蔽致灾地质体准确探测、地质灾害超前预报，开展地质保障技术创新，形成以多参量、多相、多源、多维度数据体的系统化、规格化、严密化的评价体系，消除煤炭资源深部开采信息滞后，加强全过程综合地质保障技术平台的建立，发挥其服务效果，提升矿井防灾、减灾水平，为综合防控深地采动灾害提供技术保障。

具体而言，透明矿山及地质保障关键技术的核心是建立煤炭资源开发利用全生命周期理论和技术体系，基于深部开采理论和科技创新驱动，通过多源数据获取与融合可视化展示，不断提高智能感知装备与技术水平，加强矿山透明信息与灾害预警多学科、多部门的跨界合作，建设友好、安全开采的深部地质环境，促进矿井智能化防灾、减灾能力的提升，进而实现深部煤炭开采在理论、技术、装备、系统等多层面科学、精准、绿色开采(图5)。

图4 基于综合勘探技术的可视化透明矿山构建[38]Fig.4 Visual and transparent mine construction based on comprehensive exploration technology[38]

图5 透明矿山及地质保障关键技术体系Fig.5 Key technology system of transparent mine and geological guarantee

3.2 灾害风险判识与监控预警关键技术

由于采动灾害是区域地质与开采过程耦合作用的结果，即使同一开采区域也有多种灾害类型，且引起灾害的主控因素也存在较大的差异，据此应当建立灾害控制因素与风险指标的智能判识算法与模型，从而达到针对性的防治灾害的目的，因此需对灾害风险判识指标自适应调节与进化技术进行研究，同时建立灾害风险判识及合理性评价模型。故需提出煤矿灾害危险主控因素与风险判识方法:① 通过实验室实验对煤岩物理特性进行分析，研究受载条件下力、声、电、震、瓦斯等多元煤岩破坏前兆信息变化特征;② 分析煤矿灾害发生地点煤层地质赋存情况、采动应力变化、瓦斯灾害治理情况以及瓦斯涌出量变化规律等信息，探索研究灾害多元前兆信息传感关键技术和复杂环境下灾害前兆信息多网融合传输关键技术。当前主要通过双震源一体化在线式弹性波CT子系统、微震监测子系统、地音监测子系统、矿山压力监测子系统、采动应力系统、瓦斯监测子系统等共同组成煤矿灾害前兆信息感知采集系统;③ 将上述收集的灾害特征信息进行汇总分析，探索基于大数据和云技术的煤矿动力灾害多源信息挖掘分析技术，研发形成基于大数据的多参量煤矿灾害模态化预警方法(图6)及主动推送服务体系，构建采动灾害监测与预警技术指标体系，实现深部开采灾害防控智能化、信息化监测;④ 形成煤矿灾害监测预警技术集成及示范，实现煤矿灾害监测预警基础研究—关键技术开发—应用示范的有机融合，全面提升我国煤矿灾害风险判识及监控预警能力[32]。

图6 矿山动力灾害的全息模态化预警方法及系统架构[32]Fig.6 Holographic modal early warning method and system architecture of mine dynamic hazards[32]

3.3 典型动力灾害防控关键技术

应力环境、物性组合和结构因素是诱发冲击地压、煤与瓦斯突出、顶板大面积来压等典型动力灾害的重要原因[39-40]。典型动力灾害防控关键技术包括开采前和开采中。在新工作面投入运行前，需对区域内典型动力灾害危险性进行综合评价，评价采用的方法有分区分级早期智能判识、综合指数法、多因素叠加法和工程类比法等。若评价为无灾害风险，可在正常典型动力灾害区域监测预警条件下继续掘进或回采;若评价为严重灾害风险，则需采取典型动力灾害预防措施，包括保护层开采、煤层注水和优化开拓方案等方法[41-42]。工作面生产过程中，常用的典型动力灾害危险局部解危措施有:煤层大直径钻孔卸压[43]、顶板深孔断裂爆破[44]、顶板水压致裂和顶板定向水压致裂[45]等措施，局部解危措施实施后，还需通过电磁辐射法、钻屑法、钻孔窥视监测、声发射法、震源一体化在线式CT反演方法等对典型动力灾害解危效果进行效果验证。若解危有效，则可在典型动力灾害危险监测措施下正常回采，若解危措施无效，则需重新进行典型动力灾害危险卸压解危，并重新验证其卸压防灾效果(图7)。未来应着重研究煤矿典型灾害的智能化防控技术，如“透明工作面”构建、工作面灾害巡检机器人、灾害防控决策系统构建、多尺度分源防冲技术与装备、煤矿远近场动静载作用下围岩应力控制技术、顶板钻切压综合一体化防控装备等。通过开采实时数据的智能监测，建立图像识别模型，采取相应的预警、干预、协同控制策略，最终达到对动力灾害的联合防控。

4 展望

深部煤炭资源的安全高效开采，有助于提高企业安全生产管理水平、减缓国内生态环境压力以及达到能源领域的碳中和标准。持续推动深部煤体采动响应及灾害防控研究工作的不断深入，符合煤炭行业科学发展的总体要求，也将为实现煤炭资源极限条件下的安全开采提供科学指导。我们认为只有坚持科学开采，依靠科技创新，加强基础理论研究和关键技术攻关，才能有效解决深部煤炭开采面临的科学问题和重大技术难题，促进深部煤矿安全高效开采。建议未来加强如下4个方面的工作。

(1)加大基础研究支持力度，国家制定科技攻关年度计划和中长期计划，通过整合国家研发资源平台，采取产学研合作，协同创新，加大“国家重点研发计划”及国家自然科学基金项目等重大科技攻关力度，重点开展深部煤炭开采应用基础理论和关键技术研究，依靠科技创新突破制约我国深部煤炭开采的理论与技术瓶颈。

(2)形成从现场实测到理论分析、从定性到定量、可重复推演的现场试验、物理模拟、数值模拟和虚拟现实相结合的系统研究方法，特别是大力支持自主创新重大仪器及科学装置开发研究。重点分析深部采动多物理化学场耦合灾变机理、深地资源地质精准勘探和三维地质可视化技术、采动灾害风险判识及合理性评价模型、多参量灾害预警与防控技术和装备，最终制定深部采动灾害防控技术行业标准或国家标准，建立统一、完善的深部采动灾害治理体系，实现对灾害的有效预警和精准防控。