钻孔电视探测技术在煤层覆岩裂隙特征研究中的应用

张玉军

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013）

钻孔电视探测技术在煤层覆岩裂隙特征研究中的应用

张玉军1,2

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013）

煤层覆岩裂隙分布特征是顶板防治水、瓦斯抽放、顶板控制、老采空区地基稳定性评价中必须考虑的一个重要技术参数。将钻孔彩色电视系统应用于煤层采前覆岩、采动覆岩以及老采空区覆岩裂隙特征的钻孔探测中,可以直观地研究覆岩裂隙分布演化特征。

钻孔电视;覆岩裂隙;探测;注浆

岩体是受结构面纵横切割、具有一定结构的多裂隙体,具体包括原生节理、片理、层面、破裂面、劈理以及风化裂隙等。从浅至深各岩层内普遍存在裂隙 （裂隙、孔隙和裂缝）。煤层开采后将引起采场原始应力发生变化,在煤层围岩产生应力增加和降低区,这些变化导致了煤层上覆岩层内形成采动裂隙。而采掘引起的覆岩运动是引起顶板垮落、裂隙发展、地下水流失、突水事故等问题的直接原因。

20世纪以来,国内外学者在采动围岩的应力场演化规律的研究中提出了各种假说,具有代表性的研究理论包括:自然平衡拱、压力拱、悬臂梁假说、预成裂隙假说以及铰接岩块假说等。在我国,基于矿压研究的需要,相继建立了砌体梁、传递岩梁、“三带”理论[1-2]。对于覆岩裂隙特征研究方面,钱鸣高院士等应用模型实验、图像分析、离散元模拟等方法,对上覆岩层采动裂隙分布特征进行了研究,揭示了长壁工作面覆岩采动裂隙的两阶段发展规律与“O”形圈分布特征[3]。谢和平等借助相似材料模型实验,模拟了采动岩体的裂隙分布状态,应用分形几何理论研究采动岩体裂隙分布的自相似规律,继而研究分形裂隙网络随着采宽增加的演化规律[4]。杨科、谢广祥采用实验室相似材料模拟、计算机数值模拟及理论分析综合方法,研究了综放开采条件下不同采厚采动裂隙分布及其演化的特征[5]。

综上所述,岩体裂隙分布交错复杂且位于地下岩体内部,目前国内外广泛应用的相似材料模拟实验和数值模拟计算,在实验室再现采场岩体裂隙的形成过程和分布状态,取得一系列成果。但进行岩体裂隙的实地现场观测和描绘是难于实现的。

笔者将钻孔彩色电视系统应用于钻孔煤层覆岩裂隙的现场观测中,在多个矿区进行了煤层顶板原岩、煤层开采覆岩破坏高度和采动裂隙分布,以及老采空区覆岩特征的观测,取得了较为丰富的煤层覆岩裂隙分布特征资料[6-7]。

1 探测设备及原理

对现场钻孔内裂隙分布进行探测选用的仪器是钻孔彩色电视系统。该系统是把一自带光源的防水摄像探头放入地下钻孔中,可观测到地层岩性、岩石结构、活动性断层、煤层上覆岩层的完整性和原生裂隙的发育特征、受采动岩体裂缝带内岩层的裂缝发育宽度、连通情况,岩体破碎状况和垮落岩块的分布情况、地层注浆后浆液充填情况、夹层破碎带、岩溶、暗河、堆积体、突发性涌水、地下水位变化等,以及钻孔内部裂缝的渗水和孔内水位变化情况。

2 煤层采前原岩裂隙钻孔实测结果分析

在进行水体下采煤方案设计时,为了实测得到研究矿区采后覆岩破坏高度,需要施工采前对比观测钻孔。以往的研究只能单一依靠钻孔冲洗液漏失量和钻孔取芯来评价原始裂隙的渗透性。而采用钻孔电视探测系统,可以直观地观测采前煤层上覆岩层的岩性结构特征、基岩风化带特征、原生裂隙发育特征等,从而为确定覆岩类型以及进行分析计算等提供参数依据及资料解释。图 1所示是钻孔探测到的基岩风化带、岩层层理发育、原生裂隙发育及充填的照片。采前原岩主要特点为基岩风化带较破碎;原生裂隙场的表现主要为相互不连通的横向微裂隙,裂隙宽度较小;原生裂隙多被方解石等充填物所充填 ;局部岩层发育少量纵向裂缝,也有破碎型裂缝现象。

图1 采前原岩实测特征

3 煤层采动覆岩裂隙特征实测结果分析

采动覆岩裂隙发育高度和演化特征是影响煤矿安全的一个重要因素,是瓦斯抽放、顶板控制、顶板水防治中必须考虑的一个重要技术参数。

3.1 覆岩破坏高度顶点的确定

采用钻孔彩色电视探测系统结合传统的钻孔冲洗液漏失量观测,可更准确地确定采动覆岩破坏高度。图 2是钻孔实测得到的导水裂缝带顶点位置处的裂缝群,裂缝相对较集中,倾角增大。取芯完整性差,岩石较破碎。而钻孔冲洗液在此处全部漏失,钻孔孔口不再返水,钻孔水位也大幅下降。

图2 钻孔探测综合确定覆岩破坏高度

因此,钻孔彩色电视系统观测结果中以高角度纵向裂缝为主,且裂缝宽度较大作为裂缝带顶点判断的依据。

图3所示是垮落带顶点处岩层破坏特征。裂缝角度明显增大,且十分紊乱,岩块呈杂乱状,裂缝纵横、交叉连通,岩层的层理和倾角出现混乱,岩层的张开错动十分明显,破碎岩块掉落现象普遍。

图3 钻孔实测垮落带顶点处岩层破坏特征

3.2 裂缝带范围内裂隙分布演化特征

3.2.1 不同采厚覆岩裂隙演化特征

开采厚度不同,覆岩破坏高度及其形态不同,图 4是不同采厚条件下裂缝带范围内钻孔裂隙发育状态。由图可知,随着开采厚度的增加,也就是开采强度的增加,采动裂隙数量明显增多,裂隙宽度及破坏更加明显。反映到整个推进工作面上覆岩 层,就是覆岩破坏范围越来越大,高度明显增加。

图4 不同采厚覆岩裂隙分布特征

3.2.2 不同覆岩性质裂隙演化特征

上覆岩层的岩性和结构对覆岩破坏发育高度有很大影响。刚性、脆性岩层容易产生裂隙,塑性、韧性岩层则不容易产生裂隙。一般而言,在其他条件相同时,岩性越硬,覆岩破坏发育越高,岩性越软,则反之。不同的刚性、脆性、塑性和韧性及其组合的岩层,产生垮落开裂的范围也不同。一般而言,覆岩越软弱,覆岩破坏的发育范围越小;覆岩越坚硬,覆岩破坏的发育范围就越大。

经多个采后观测钻孔探测总结分析得到,岩层采动裂缝的分布既与岩层的岩性有关,同时也与岩层的完整程度有关。不同覆岩结构采动岩体裂隙场特点主要有:

（1）软弱岩层内裂缝发展相对较多,以纵横交错的相交裂缝为主;在单层厚度较薄的较软弱岩层中,受剪切作用形成的高角度纵向裂缝的宽度一般较小,裂缝周围存在破碎现象。图 5是软弱岩层裂隙特征。

图5 软弱岩层裂隙分布特征

（2）坚硬岩层内裂缝尺寸较大,以高角度纵向裂缝为主,裂缝一般沿岩石的原生弱面发展,而在单层厚度较厚的砂岩类较硬岩层中,受拉伸作用形成的高角度纵向裂缝的宽度则一般较大,裂缝断口一般比较整齐,图 6是坚硬岩层裂隙特征。

图6 坚硬岩层裂隙分布特征

3.2.3 处于不同采空区位置的覆岩裂隙特征

研究表明,当煤层开采推进到一定的距离,在采空区中部区域的冒落岩石受力表现出压应力,而在裂缝带上部为来自弯曲下沉带的压应力,在下部表现为拉应力,裂缝带岩层处于塑性破坏状态,水平和垂直裂隙发育,但基本上保持原有的连续性;而在采空区边缘,由于边界煤柱的存在,岩体处于拉压应力区,裂缝得到充分发育,裂缝带常在此发育最高。图 7所示是煤层采动覆岩应力分区。

图7 采动覆岩内应力分区和不同位置钻孔实测裂隙分布

因此,对应于不同采空区位置钻孔覆岩裂隙分布特征也有所区别。图 7中钻孔 1和钻孔 2分别是位于采空区靠近工作面两巷和采空区中央不同位置钻孔实测裂隙分布特征。钻孔 1中裂隙明显存在,裂隙宽度大,且纵横交错,呈现受拉张开状态,张口整齐。钻孔 2中采动裂隙以平行横向为主,且数量多,基本呈现被压实状态。

4 老采空区覆岩裂隙分布及注浆效果探测分析

实测表明,地下开采结束以后,虽然经过长时间的自然压实,但开采引起的离层、裂隙和垮落带等现象仍长期存在。不同的顶板控制方法,老采空区覆岩稳定性存在较大差异,同时老采空区及其覆岩中不同位置的岩体结构也有较大差异,其存在形式将决定老采空区覆岩活化的基本特点,直接影响老采空区的地基稳定性。地表新增荷载、地震活动、邻区开采、多煤层开采、强排地下水等,都可能打破原来的应力平衡状态,使老采空区活化。

通过彩色钻孔电视观测,可以进一步了解老采空区及其覆岩裂隙发育特征,为采空区治理方案提供技术资料。老采空区岩体覆岩裂隙发育特征如图8（a）所示,有明显的采空后岩体重新堆积的痕迹,岩层破碎松散。而目前对老采空区的主要治理方法就是注浆,通过对注浆后覆岩钻孔探测,可直观了解浆体充填裂隙的情况,评价注浆效果。如图8（b）所示,钻孔裂隙基本被浆液所充填。

5 结论

钻孔彩色电视系统可以直观地探测钻孔内岩层岩性、裂隙宽度、采动裂隙分布特征、裂隙连通情况,以及进行注浆效果的检验。探测结果将进一步推动煤层覆岩裂隙分布及演化特征的研究成果。

图8 采空区覆岩裂隙注浆前后对照

[1]钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[2]煤炭科学研究总院北京开采研究所 .煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用 [M].北京:煤炭工业出版社,1983.

[3]钱鸣高,许家林.覆岩采动裂隙分布的 “O”形圈特征研究[J].煤炭学报,1998,23（5）:466-469.

[4]谢和平,于广明,杨 伦,等 .采动岩体分形裂隙网络研究[J].岩石力学与工程学报,1999,18（2）:147-151.

[5]杨 科,谢广祥 .采动裂隙分布及其演化特征的采厚效应[J].煤炭学报,2008,33（10）:1092-1096.

[6]张玉军,张华兴,陈佩佩 .覆岩及采动岩体裂隙场分布特征的可视化探测 [J].煤炭学报,2008,33（11）:1216-1219.

[7]张玉军,李凤明 .采动覆岩裂隙分布特征数字分析及网络模拟实现 [J].煤矿开采,2009,14（5）:4-6.

Bore-hole TV Exploration Technology and Its Application in Researching Characteristic of Fissure in Overlying Strata

ZHANG Yu-jun1,2
（1.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China;
2.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China）

Fissure distribution characteristic of overlying strata is an important parameter for roofwater prevention,methane drainage,and roof control and stability evaluation of basementover gob.Applying borehole color TV system to detecting characteristic of overlying strata before mining,inmining and aftermining,fissure distribution and evolvement characteristic of overlying strata might be obtained directly.

borehole TV;fissure in overlying strata;exploration;grouting

TD325.4

A

1006-6225（2011）03-0077-04

2011-04-11

国家重点基础研究发展计划 （973计划）课题 （2005CB221503）;天地科技股份有限公司研发项目 （TZ-GY-2010-KC-4）

张玉军 （1978-）,男,河北张家口人,在读博士研究生,工程师,主要从事开采沉陷、近水体下采煤及岩石力学方面研究。

[责任编辑:王兴库 ]