覆岩导水裂隙带高度的研究方法

赵 涛，梁世伟，华 乐

(安徽理工大学 能源与安全学院， 安徽 淮南市 232001)

覆岩导水裂隙带高度的研究方法

赵 涛，梁世伟，华 乐

(安徽理工大学 能源与安全学院， 安徽 淮南市 232001)

导水裂隙带高度的确定对水体下采煤十分重要。而对相似材料物理模拟、计算机数值模拟、经验公式法、现场实测、微地震技术等方法进行了总结和对比，认为就目前的技术而言，单一手段难以准确的确定裂隙带高度，多个方法的联合应用才能较准确得到裂隙带高度范围。

导水裂隙带高度； 物理模拟； 数值模拟； 经验公式； 现场实测

0 引 言

在经济社会高速发展的今天，中国消耗主要能源资源依然是煤炭，煤炭资源的开发为我国经济发展起到了至关重要的作用。在我国已探明的积压在水体下储存有数量巨大的煤炭资源，且分布具有广泛性，所以解决水体下的煤炭开采问题也至关重要，然而导水裂隙带沟通了含水层导致上覆岩层破坏与顶板突水问题日渐突出，所以导水裂隙带高度的确定就显得尤为重要。目前可以确定导水裂隙带高度的方法有：相似材料物理模拟实验法、经验公式计算法、计算机数值模拟、现场实测。

1 相似材料物理模拟实验法

相似材料物理实验是以相似理论作为依据的实验室研究方法。根据研究问题的需要，依据相关数据在实验室按一定的比例缩小制作相似模型，开采模型时，为了找出相关变化规律要观测有关量的变化，最后把观测的结果再按比例放大返回到现场，从而得出现场有关量的规律。采矿相似模拟实验是一种行之有效的研究方法，可以较好地研究上覆岩层的运动规律，顶板的冒落情况及工作面前方煤壁和底板中的支承压力分布变化情况。所以，在确定导水裂隙带高度的问题上，相似材料模拟具有其独特的地方。

已经有不少学者做了研究[4]，如中国矿业大学马立强等利用相似模拟技术分别得到了浅埋煤层及近浅埋煤层随矿体的开采上覆岩层的破坏及导水裂隙带高度的发育情况，为西部矿区浅埋煤层保水开采奠定了基础。

2 经验公式计算法

1980年代以来，我国开展了许多水体下采煤的专题性研究，取得了不少突破性进展，我国于1985年制订了《筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(简称为《规程》规定了导水裂隙带在各类条件下的计算公式及导水裂隙带形态的描述，也已获得了微山湖下、淮河下、渤海湾地区水域下、华东、华北、东北地区巨厚流砂层下，以及许多矿区的含水(砂)层下压煤开采的成功，为解放上亿吨煤炭储量提供了丰富经验[6]。

《规程》中给出的公式简单明确，见表1，可根据不同的矿区条件、采煤方法及程度采用不同的计算公式，这为现场工作者提供了方便快捷的计算方法。

3 计算机数值模拟

随着计算机技术的发展，数值模拟技术近些年突飞猛进，通过矿区的地质资料，覆岩的岩性特征，如岩石密度、弹性模量、抗拉强度、内摩擦角、粘聚力等材料参数，建立相应的数值计算模型，按照相应的采矿方法，推进速度，进行开挖，从而得到与实际现场情况相类似的覆岩破坏特征，实现了工程技术人员在室内分析大型矿山的生产能力，这样节约了时间和成本，为灾害预防预测提供了手段。

目前，作为数值模拟分析的软件很多，其中具有代表性的有快速拉格朗日分析。(简称FLAC)，离散元分析UDEC，及有限元方法等，都能对上覆岩层破坏进行很好的模拟。

张明等对兖矿集团的田庄煤矿煤层开采上限进行了数值模拟，得到了导水裂隙带高度，从而提高了煤矿的开采上限[1]，应用到实际，提高了该矿的经济效益，同时还运用有限元方法根据从三个钻孔得到的物理学资料建立了力学模型，并逐步开挖，得到同样的结果。

表1 导水裂带高度计算公式

注：M为累计采高。

涂敏应用数值模拟软件FLAC对安徽淮南潘谢矿区的导水裂隙带高度进行了模拟[3]，根据覆岩的工程岩组特征，建立了相应的采动力学模型，模拟得到上覆岩层塑性区破坏及导水裂隙带高度，最大值为74 m，并通过最小二乘法绘出拟合曲线，归纳出潘谢矿区的导水裂隙带高度的计算通式，对该矿区的顶板突水事故的预防起到了关键作用。

近些年里，逐步发展起来的岩石破裂过程分析软件RFPA，是基于有限元方法开发的[9]，对上覆岩层的采动破坏、离层模拟非常有效，神东矿区等运用此软件进行模拟得到了顶板初次来压、周期来压步距，并得到不同基岩厚度的上覆岩层的破坏形态，为含水层下安全采煤提供了指导。

4 现场实测

现场实测是目前确定导水裂隙带高度的主要方法，上述方法只是辅助现场实测，对实测得到的结果加以修正，使得结果更加贴近实际。目前应用较多的现场实测方法有超声成像法、注水试验法、声波CT层析成像法、高密度电阻率法、微地震技术等。

(1) 超声成像法。它是应用超声成像数控测井仪对钻孔进行扫描，绘制出声幅曲线，从而分析反应岩层破裂状况及导水裂隙带发育高度[7]。淮南矿区的导水裂隙带高度的确定是通过地面钻孔，获取破坏资料，同时应用超声成像法对其得到的结果进行补偿，使得对裂高的判别更加准确。

(2) 注水试验法。该方法首先是由山东科技大学研制并应用于井下，其原理是在工作面附近或巷道内打出一条专门用来观测的巷道，并在此巷道内倾斜向上或向下打若干个钻孔，钻孔的长度大约为10～14倍的采高，在钻孔内注水，并封堵测试水的漏失量，从而得到该范围的岩层破裂情况，并估计导水裂隙带高度。该方法对岩层实现了动态观测，而且并不受采动的影响，结果可靠，但是需要提前打出一条观测巷道，成本较高。此方法在1990年代中期，在肥城矿业集团的杨庄煤矿8608工作面取得了显著的效果，之后应用于鲍店煤矿、兴隆庄煤矿，也得到了成功[8]。

(3) 声波CT层析成像法[5]。其原理是利用声波在岩层中传播速度的变化来判断岩层的完整性，因为岩层的物理力学性质与声波波速关系密切，它是通过测试运用物理数学关系反演内部岩层的变化，生成清晰的图像，进而判断其内部破坏情况，如果声波在其内部传播的快，则说明岩层的完整性好，相反，则说明岩层破裂[10]。此方法简单，且成本低。1998年和1999年，淮南矿区的孔集煤矿应用了此方法，对其采场的上覆岩层破坏高度及底板的采动破坏深度进行了测试，其结果应用到了实践中并取得了满意的成效[11]。另外，在义马矿区的新安煤矿，对其工作面进行测试，通过分析电子剖面图，成功的获得了上覆岩层三带高度。

(4) 高密度电阻率法[2]。该方法利用煤层采动前后岩层的电阻率的变化进行判断。由于矿体在没有采动以前，受原始地应力的作用，使得该区域的电阻率保持一个恒定的值，但是在采动的影响下，岩层完整性遭到破坏，其中的水分也会充填在内，使得岩层的电阻率发生变化，通过分析可得到导水裂隙带的破裂范围。

(5) 微地震技术。岩层在采动的情况下[12]，上覆岩层破坏会产生地震波，向周围传播，利用微地震波接收装置接到波的传播信息，从而判断岩层的破坏位置，及破坏程度。

5 结 论

不管是相似模拟、数值模拟、经验公式，还是现场实测，各种方法都有优缺点，在探测岩体的裂隙发育与围岩的破坏状态时，应用注水试验法可很好的确定裂隙破坏状态，具有工程施工量少且精度高的特点；应用高密度电阻率法可以对上覆岩层的冒落带、裂隙带进行观测，并可以取得很好效果；声波CT层析成像法可以对顶板、底板的岩层的破坏情况进行探测，效果明显。在实际工作中，单一的手段是不能很好的确定导高的，几种方法联合使用，可使各个方法的优缺点相互补充，从而可得到较准确的裂隙带高度。

[1] 胡 戈,李文平,程 伟,等.淮南煤田综放开采导水裂隙带发育规律研究[J].煤炭工程，2008,(05):74-76.

[2] 戴 露,谭海樵,胡 戈.综放开采条件下导水裂隙带发育规律探测[J].煤矿安全,2009(03)：90-93.

[3] 涂 敏.潘谢矿区采动岩体裂隙发育高度的研究[J].煤炭学报,2004,29(6):641-645.

[4] 施龙青，辛恒奇.采深条件下导水裂隙带高度计算研究[J].中国矿业大学学报，2012，41(1)：37-41.

[5] 许家林,王晓振,刘文涛,等.覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响[J].岩石力学与工程学报,2009(02)：380-385.

[6] 许家林，朱卫兵，王晓振.基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法[J].煤炭学报，2012，37(5):762-769.

2013-09-23)

赵 涛(1988-)，男，河南商丘人，硕士，主要研究方向为覆岩导水裂隙带高度的研究，Email：279257981@qq.com。