4.6　本章小结

岩体的破坏与变形一直是岩体力学工作者关心的重要问题，多年来研究者们已对它们进行了广泛的研究。采动导致岩体破坏，进而造成裂隙的产生，而裂隙是水砂和瓦斯等气体的运移通道，与矿井突水溃砂以及瓦斯灾害等有密切关系。采动覆岩，由于受到采动的影响其破坏程度随着与顶板距离的增大而减小，最后形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。采动影响下覆岩内裂隙的产生、扩展、时空演化是极其复杂的，如何用定量方法描述裂隙的时空演化过程一直是一个难题，而分形理论具有自相似性的特点，能够对自然界中的复杂几何形态进行定量化的描述，熵理论能够对系统的无序程度进行定量化描述。首先，本章通过相似材料模拟试验，采用数字图像处理技术对获得的裂隙图像进行处理，以保证提取有效的裂隙特征图像。然后，对覆岩裂隙图像的分形维数以及裂隙长度进行了计算，并获得了采动覆岩裂隙长度与分形维数的定量关系，随着开采距离的增大，采动覆岩裂隙网络演化具有较好的自相似性，即采动覆岩裂隙网络的演化具有分形特征，也可以据此定量化关系，可以有效利用井下实测裂隙照片的分形维数来计算采动裂隙的长度。最后，针对采动覆岩过程中，垮落带与裂隙带内的裂隙纵横交错，分布不均匀，裂隙发育具有无序性与随机性。因此本书基于信息论与概率熵模型，定义覆岩裂隙熵来描述裂隙发育的方向分布特征或裂隙系统的混乱以及无序化程度。随着工作面的推进，采动覆岩裂隙无论在时间还是空间上都在变化，这种变化是动态的，因此研究采动覆岩裂隙的时空演化特征有助于矿井水害的动态决策。

在工作面推进初期，采动覆岩裂隙的长度分布较均匀，长度也较短，最长裂隙小于35m。当工作面推进120m以后，采动裂隙的长度主要集中在10～25m，而最长的裂隙约为114m，这是由于采动过程中裂隙的贯通作用形成的。当到停采线后，停采线位置后方的采空区以及开切眼前方位置处采空区裂隙主要以压密为主，而在中部采空区及其上方，多处位置裂隙闭合，导致此处的分形维数降低，这与采空区的应力恢复规律基本一致，而最后采动覆岩裂隙的分形维数分布图形状呈现中间低、“两肩”高的“马鞍形”。当工作面推进到停采线时，停采线位置的采空区岩石破碎较严重，裂隙方向不一致，裂隙熵较高。裂隙熵反映了随着工作面的推进，裂隙方向周期变化特点。(https://www.daowen.com)

首先，通过对裂隙场的分形维数和裂隙熵两个定量化描述裂隙状态的参数的时空演化特征进行的研究，采动覆岩裂隙场的分形维数和裂隙熵随工作面推进均可划分为三个阶段。然后，基于GIS对采动覆岩裂隙的分形维数和裂隙熵进行了时空可视化分析，并对其进行热点分析，新增热点主要集中在工作面推进方向的上方与前方，主要反映了新裂隙的产生。对于采动覆岩裂隙分形维数来说，在切眼和工作面之间主要分布振荡的热点，其具有冷点历史，而裂隙熵在工作面后方、采空区及其上方主要分布连续热点。最后，对裂隙的时空演化及其时空差异特征进行了研究，证明了裂隙场熵与分形维数可以作为判定裂隙时空状态的特征参数。对于某一单元内的裂隙的分形维数增加，即此单元的裂隙长度占位空间发生了变化，其原因可能是产生了新的裂隙，也可能是裂隙贯通，这样就会导致裂隙的方向分布同时发生变化，裂隙场的熵会增大或者不变。如果某一单元的分形维数降低，可能是裂隙发生了闭合，裂隙的方向趋于同一方向，裂隙场系统的熵也降低。当裂隙张开时，裂隙的长度占位空间不变，即分形维数不变，但是裂隙场的熵增加，裂隙趋于混乱。因此，可以利用裂隙场熵与分形维数结合的方法对裂隙的时空状态进行定量判定。