板集煤礦導水裂隙帶發育高度研究

白林楊，李迎富，孔 朋

（安徽理工大學礦業工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

雖然在“雙碳”背景下我國未來煤炭的需求量與供應量會逐步減少，但是目前以及將來很長一段時間內煤炭都是我國的主要能源[1-2]。然而，在煤層開采過程中時常會有水害問題發生，僅2000—2017年我國就發生了一千多起煤礦水害事故，超過四千人遇難[3]，給我國能源安全與工人生命財產都帶來極大隱患[4-5]，因此亟需重視水害防治工作。而通過物探、模擬等手段對導水裂隙帶進行判查是防治水害常用的重要手段。

目前，國內外諸多超前探測方法對含水地質異常體、采空區、覆巖構造等地質探測都取得了良好效果，并且積累了大量經驗[6-11]。袁亮等[12]通過分析電法等井下綜合物探技術，對其不同探測方法的適用地質任務做出細致的分類。吳榮新等[13]對并行電法進行了改良，通過雙巷并行的方式對工作面底板富水區進行更加精確的探測。徐磊等[14]通過對頂板“三帶”發育情況進行研究，發現頂板的巖體垮落在視電阻率觀測中體現一定滯后性與周期性。

板集煤礦5 煤層上方約1.6 m 和75 m 處有含水層，回采活動導致頂板形成的導水裂隙帶可能會將其聯通，對井下工人生命財產造成水害威脅，影響5煤層開采上限的提高，因此，需要對其工作面導水裂隙帶發育情況進行探測。針對板集煤礦井下環境與生產特點，確定在110504 工作面采用網絡并行電法進行實測，與經驗公式和數值模擬相結合，從而得到較為準確的數據，為煤礦防治水工作提供可靠的數據參考。

1 工程背景和計算方法

1.1 工程背景

板集煤礦110504 工作面位于板集煤礦東一采區5 煤層首采工作面，該工作面東起采區北翼大巷保護煤柱線，西至110504 工作面切眼，其工作面軌道順槽北側120～272 m 處于東西走向，可采走向長度889 m，傾向寬262 m，平均煤厚6.1 m，屬于厚煤層，設計采高4 m，采用走向長壁式退后綜合機械化開采，全部冒落法管理頂板。煤層傾角0°～10°，平均傾角6°。5 煤層直接頂為泥巖，平均厚度0.43 m，泥質結構，性脆?；卷敒榉奂毶皫r，主要礦物為石英、長石、夾薄層泥巖，并構成互層狀，平均厚度8.99 m。

110504 工作面頂板水害產生的主要因素如下所述。①砂質泥巖頂板與中砂巖底板之間裂隙含水層在掘進時導水裂隙帶不會波及到該含水層，正常情況下該含水層水不會影響到110504 工作面。但是工作面范圍內部分斷層錯斷了11-2 煤層頂板至5 煤層頂板砂巖，存在砂巖水通過斷層、裂隙向工作面充水的可能。②5 煤層頂板砂巖含水層是工作面開采的直接充水水源，在5 煤層頂板向上0～3.14 m，平均厚度1.6 m 處發育的一層砂巖局部富水，該含水層厚度4.4～11.2 m，平均厚度9.0 m，巖性以細砂巖為主，上部粒度較細，下部夾有薄層砂質泥巖，具有植物化石碎片。2008 年9 月，主膠帶機石門（JD13+36 m）掘進過程中通過錨索、錨桿及砂巖裂隙通道出水，初始最大涌水量約5.0 m3/h，后很快降低至1.0 m3/h，說明該含水層為靜儲量型，易衰干，但不排除存在局部區域富水的可能性。③JXDF26 斷層和BF37 斷層三維地震精細解釋已控制，巷道揭露斷層時可能會出現滴、淋水現象。根據現有地質資料、水文資料分析，斷層不含（導）水，對巷道掘進施工影響較小，不排除巷道過斷層期間導通其他含水層的可能，因此，在揭露斷層前要超前探查斷層含（導）水性。通過分析確定采用緩傾斜煤層中硬頂板經驗公式進行預估計算，巖層柱狀圖如圖1 所示。

圖1 巖層柱狀圖Fig.1 Histogram of rock stratum

1.2 經驗公式計算

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》所提出的中緩傾斜煤層中硬巖層垮落帶及裂縫帶最大高度計算公式進行計算，其中，式（1）為垮落帶高度計算公式，式（2）為裂縫帶高度計算公式。

式中：Hi為垮落帶高度；Ht為裂縫帶高度；ΣM為煤層平均厚度，ΣM=4 m。

110504 工作面5 煤層采高取4 m，根據式（1）和式（2）計算出垮落帶高度為8.38～12.78 m，裂縫帶高度為34.40～45.60 m。

2 數值模擬

2.1 UDEC 模擬軟件

UDEC（Universal Distinct Element Code）是一種基于離散單元法理論的模擬軟件，諸多學者總結了該軟件適合巖土研究的七種材料本構模型，以及五種節理本構模型[15-16]。該軟件對于處理非連續介質問題具有明顯優勢，尤其是關于固體介質在荷載作用下破壞過程的模擬研究。本模型中采用Mohr-Coulomb準則描述塊體變形破壞的過程。體變形破壞的過程。

2.2 模型建立

為模擬回采后采空區上方“兩帶”高度發育情況，采用UDEC 7.0 軟件建立出簡化模型，長度400 m，高度120 m，煤層埋深800 m，計算得出未模擬巖層的等效載荷17 MPa 施加于模型頂板上，煤層模擬開挖300 m。將左右兩側施加水平位移約束，底板設置為全約束邊界，模型上部定義為自由邊界，5 煤層平均高度6.1 m，采煤機切割至煤層頂部留2.1 m 在底板上，模型中開采煤層設為4 m，保留2 m 煤層在模型底部。

2.3 力學模型及參數設定

定義材料變形破壞遵循Mohr-Coulomb 屈服準則，根據板集煤礦地勘報告得出巖石力學物理參數，見表1。根據110504 工作面巖層厚度，對模型巖層進行簡化，將小于0.5 m 的巖層進行合并，設計模型共14 層，數值模擬初始平衡模型如圖2 所示。

表1 模型物理參數Table 1 Physical and mechanical parameters of the model

2.4 數值模擬結果分析

由于工作面向前推進，采空區的應力平衡被打破，應力開始重新分布引起了上覆巖層的移動、變形以及破壞，從而產生了“上三帶”，推進過程如圖3 所示。由圖3（a）可知，當工作面尚未推進，煤層尚未開采時，上覆巖層不發生改變，此時垮落帶與裂縫帶高度都為0 m；由圖3（b）可知，當工作面推進至50 m 時，煤層上方直接頂及圍巖開始發生破壞，砂質泥巖層開始垮落，與基本頂之間產生明顯離層，導水裂隙帶開始向深部發育；由圖3（c）可知，當工作面推進至70 m 時，直接頂已經開始完全垮落，而基本頂部分垮落，基本頂上方裂縫逐漸向更深部發育，此時導水裂隙帶高度幾乎全為垮落帶高度，約為15 m；由圖3（d）可知，當工作面推進至140 m 時，采空區上覆巖層進一步垮落，并逐漸壓實采空區，上方形成了明顯的垮落帶與裂縫帶區域，粉細砂巖層出現了明顯離層下沉現象，導水裂隙帶進一步發育，此時垮落帶發育高度約為19 m，裂縫帶約為5 m，導水裂隙帶高度約為24 m，導水裂隙帶發育已超過5 煤層頂板的含水層最大高度；由圖3（e）可知，當工作面推進至190 m 時，5煤層開采完成且巖層垮落穩定后，裂縫帶發育至粉細砂巖上部，未到達泥巖，形成的垮落帶高度約為23 m，形成的裂縫帶高度約為43 m，導水裂隙帶高度約為66 m；由圖3（f）可知，當5 煤層全部開采完畢后，粉細砂巖內部裂隙進一步增大，導水裂隙帶高度不再向上發育，維持在66 m 高度，與經驗公式結果基本吻合。

圖3 數值模擬結果Fig.3 Results of numerical simulation

對比這六個導水裂隙帶發育階段可知，隨著5煤層不斷向前開采，采空區不斷被垮落巖層壓實，上覆巖層也產生明顯的彎曲下沉現象，垮落帶在140 m后發育情況減緩，但隨著工作面推進至190 m 時，裂縫帶在泥巖上層發育，且出現明顯分層現象，尚未導通砂質泥巖頂板與中砂巖底板間的含水層。而隨著工作面推進，導水裂隙帶高度不再繼續增大，可以判斷出工作面推進至190 m 時達到充分采動，且導水裂隙帶最大高度為66 m。

3 網絡并行電法

網絡并行電法解決了直流電法儀的串行采集難題，且實現了遠程、實時、動態監控等功能[17]。網絡并行電法使用的儀器為并行電法儀，該儀器與其他方法最大不同點在于可以對任意一個電極單獨供電，并對其他所有的電極點位同時進行測量，能夠清晰地反映一次供電場電位以及探測區域的自然電位變化，信息采集速率比高密度電法儀的傳統測量方式大大提高，是目前國內主要的電法探測手段。該方法主要分為針對單點電源場測試的AM 法與針對兩個異性點電源場的ABM 法[18-20]，本次研究采用AM 法。

3.1 鉆孔布置

結合110504 工作面巷道以及鉆孔附近完整性與經驗公式計算結果，進行鉆孔布置（圖4）。由圖4 可知，1?？诪檠鼋?0°，斜長100 m，控制推進方向平距86.6 m，控制垂高為50 m，電極數48，電極間距2 m；2?？诪檠鼋?5°，斜長120 m，控制推進方向平距84.9 m，控制垂高煤層頂板84.9 m，電極數48，電極間距2.5 m。

圖4 觀測鉆孔軌跡及地質剖面圖Fig.4 Observation of borehole trajectory and geological section

3.2 1#孔監測數據分析

1#孔視電阻率情況如圖5 所示。圖5（a）為工作面距離孔口230 m 視電阻率，工作面開采對鉆孔控制范圍內巖層的影響較低，結果可以作為整個探測的背景結果，后期探測結果可以與該結果進行對比分析，從而判斷頂板覆巖破壞特征。由圖5（a）可知，鉆孔控制范圍內巖層視電阻率整體阻值較低，大部分分布范圍為100～300 Ω·m，其中，泥巖與砂質泥巖附近整體視電阻率相對較高，整體視電阻率特征符合煤系地層視電阻率值特征，表明整體探測結果可信。圖5（b）為回采工作面距離孔口111 m 位置時電阻率圖。由圖5（b）可知，成果剖面圖中在砂質泥巖（標高30 m 左右）部分區域視電阻率值開始出現升高，表明受采動應力超前影響，部分區域巖層開始破裂。該高阻區域距離回采工作面水平距離約57 m，即最大超前影響距為57 m。圖5（c）為回采工作面已開始進入1#孔測線下方時的視電阻率。由圖5（c）可知，此時工作面距離監測孔口48 m，隨著工作面的回采，1#孔控制范圍內大部分巖層的受采動影響也逐步增大，視電阻率值普遍增高，巖層視電阻率值分布范圍為600 Ω·m 左右。圖5（d）表示監測段回采已基本結束的視電阻率。由圖5（d）可知，此時孔口位置到工作面11 m，隨著工作面的回采，采空區上方巖體破壞明顯。其中，煤層頂板垂高27 m 以下區域高阻比較集中，分布較廣，說明在采空區形成一定步距后，頂板近煤層受應力集中破壞嚴重，垮落帶充分發育，頂部巖體產生較大位移。垂高27 m 以上區域高電阻率值分布不均勻，為導水裂隙帶發育特征。

圖5 1#孔視電阻率結果Fig.5 Apparent resistivity results of hole 1#

根據垮落帶高度確定依據：當巖層視電阻率值是背景視電阻率值的4 倍，且區域高阻比較集中時，可判斷為垮落帶，垮落帶視電阻率分布區間是背景值的4～6 倍。監測周期內，1#孔控制高度在27 m 以下范圍巖層視電阻率背景值為150 Ω·m 左右，經開采垮落后部分區域視電阻率值變為700 Ω·m，增高幅度為背景視電阻率值的5 倍左右，達到垮落帶判定標準，由此判斷監測周期內1#孔控制范圍內煤層頂板垮落帶發育高度為27 m。

3.3 2#號孔監測數據分析

2#孔視電阻率如圖6 所示。圖6（a）為回采工作面距離2#孔口144.0 m 視電阻率，工作面開采對鉆孔控制范圍內巖層的影響較低，可以作為整個探測的背景結果。由圖6（a）可知，鉆孔控制范圍內巖層視電阻率整體阻值較低，大部分分布范圍為100～300 Ω·m，其中，砂質泥巖（標高60 m）附近整體視電阻率相對較高，整體視電阻率特征符合煤系地層視電阻率值特征，表明整體探測結果可信。圖6（b）為回采工作面距離孔口105.3 m 位置時的視電阻率。由圖6（b）可知，鉆孔頂部視電阻率值有所降低，分析認為該處層間橫向裂隙發育完成并出現一定程度的閉合，使得視電阻率值降低。從觀測剖面中可以看出，隨著工作面回采位置的推進，高阻區范圍和電阻率值逐漸增大，表明煤層頂板巖體產生明顯破壞。圖6（c）為推進至35.5 m 位置時視電阻率。由圖6（c）可知，回采工作面開始進入測線觀測范圍內，頂板上方及前方巖體裂隙繼續發育。其中，部分區域電阻率值升高到650 Ω·m 以上，觀測范圍內已開始出現電阻率分帶現象。同時受采動應力影響，鉆孔頂部巖層裂隙逐漸形成上下相連特征，高阻特征逐漸向下發育，表明裂隙向下發育，導水裂隙帶逐漸形成。在豎向裂隙發育的同時，層間橫向裂隙發生二次發育現象，使得鉆孔頂部較高視電阻率值范圍擴大。同時，鉆孔下部巖層視電阻率值大范圍區域阻值升高，表明受采空影響，底部巖層逐漸垮落，形成垮落帶。圖6（d）為回采工作面到孔口距離14.5 m 的視電阻率。由圖6（d）可知，觀測段已基本回采完畢。煤層頂板絕大部分巖層位于采空區上方，此時整個觀測剖面主要為高電阻率值分布，部分區域電阻率值顯著升高到750 Ω·m 左右，電阻率值呈現明顯的豎直條帶狀分帶現象。其中，垂向裂隙發育導致的視電阻率值條塊狀特征明顯，反應巖層在離層發育后其垂向裂隙不斷發育導致巖層破壞，從而形成導水裂隙帶。

本次電法監測過程中兩個監測孔共采集數據28 次，其中，9 月17 日、9 月23 日、9 月25 日三次數據因現場無窮遠、B 極被破壞造成數據無效；10 月4 日，因井下支護造成線纜斷裂，使得該日數據缺少；10 月7 日，鉆孔內電極電流基本在10 mA 以下，數據可靠性差；10 月8 日，因孔中大部分電極已被破壞造成數據無效。因此，數據處理與分析過程中選取了22 次有效數據進行成圖，并選取其中有代表性的四個時間結點展開論述，有效地獲取了工作面回采過程中頂板鉆孔監測區域內的煤巖層視電阻率的變化趨勢及特征。

從圖6 中可以看出，距孔口14.5 m 時鉆孔頂部巖層經下部巖層垮落影響，逐步形成導水裂隙帶，最大發育高度在煤層頂板上方73 m 位置。在73 m 上方巖層的橫向層間裂隙逐漸閉合，視電阻率值表現出一定程度的降低，阻值在400 Ω·m 左右，該處背景視電阻率值在300 Ω·m 左右，視電阻率增幅約為1.3倍。65～73 m 范圍內巖層視電阻率值分布在600～750 Ω·m 范圍，并向下有一定程度的延伸發育，其中，73 m 位置視電阻率值達到600 Ω·m，是該處背景視電阻率值300 Ω·m 的2 倍，符合導水裂隙帶視電阻率值是背景值2 倍的判定標準，因此，判定導水裂隙帶最大發育高度為73 m。

在2#孔測線下部高阻區比較集中，表明在采空區形成一定步距后，應力集中破壞程度高，頂板近煤層巖體冒落，垮落帶發育充分，頂部巖體位移量較大，裂隙區進一步發育。煤層頂板上方0～27 m 范圍內高視電阻率值分布最廣，大部分區域視電阻率值在700 Ω·m 左右，視電阻率值增幅約為背景值的5 倍，為垮落帶特征。

由圖5 可知，工作面距離孔口111 m 時，距離回采工作面水平距離約57 m 處電阻率值開始升高；由圖6 可知，工作面距離孔口105.3 m 時，距離回采工作面水平距離約58 m 處電阻率值開始升高。綜合得出該監測區域內5 煤層采動應力超前影響距最大為58 m，裂縫角為69.62°。綜上，110504 工作面垮落帶最大發育高度為27 m，裂縫帶最大發育高度為46 m，導水裂隙帶最大發育高度為73 m。

4 結 論

1）通過UDEC 模擬得出：煤層開采結束形成的垮落帶高度約23 m，形成的裂縫帶高度約為43 m；導水裂隙帶高度約為66 m，與經驗公式結果基本吻合。

2）采用網絡并行電法對導水裂隙帶發育進行探測，得出垮落帶最大發育高度為27 m，裂隙帶最大發育高度為46 m，導水裂隙帶最大發育高度為73 m。與經驗公式和數值模擬的結果基本相符合。

3）通過經驗公式計算、數值模擬與現場實測可知導水裂隙帶已導通5 煤層頂部的含水層，且已被安全疏放；又因導水裂隙帶最大高度已逼近75 m 處的含水層，為保證礦區安全生產，未提高開采上限。