基于相似模拟的浅埋深煤层覆岩采动裂隙分析

李晓璐，欧阳振华，李少刚

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013 )

采选技术

基于相似模拟的浅埋深煤层覆岩采动裂隙分析

李晓璐1，2，欧阳振华1，2，李少刚1，2

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013 )

摘要：根据相似模型试验，探讨了运用视电阻率法的物探技术来反演浅埋深覆岩采动裂隙发育演化规律的可行性，分析了采动过程中浅埋深煤层覆岩变形破坏前后电性参数的变化及其与覆岩裂隙发育范围、程度之间的关系。研究发现：视电阻率法可以探测浅埋深煤层覆岩采动裂隙的演化过程，电阻率变化率的等值线图可以体现裂隙发育形态，提出以电阻率变化率作为划分覆岩破坏“三带”的标准。在浅埋深煤层的采动过程中，上覆岩层导水裂缝带的范围持续向上方、前方扩展，但裂隙在水平与垂直方向的发育具有不平衡性，薄基岩层明显阻碍了裂隙向上的发育，水平方向的裂隙发育范围明显大于垂直方向。而一旦裂隙发育突破了基岩层，就会瞬间贯通该基岩层上方的附着岩层或地表。

关键词：浅埋深；视电阻率法；采动裂隙；电阻率变化率；相似模型试验

在我国西部地区，相当一部分矿区具有煤层埋藏浅、基岩薄、地表有松散覆盖层的特殊地质和采矿条件，在开采的过程中，顶板基岩会在工作面上方形成裂缝，裂缝的贯通会造成地表砂土的涌入，导致井下溃砂等，威胁矿井生产安全，同时这些裂缝易贯通地表，使得地表形成塌陷坑，加剧对地表植被的毁坏，并严重影响地面建筑物的安全。

对于覆岩裂隙的探测，我国学者已经开展了大量的研究工作，其中许宏发等[1]为研究深部巷道围岩破裂情况，在深部巷道布置钻孔，对钻孔内岩体电阻率进行测试，测量围岩电阻率沿钻孔深度的变化；康永华等[2]通过彩色钻孔电视和钻孔冲洗液消耗量观测，取得了高水压含水层作用于原生纵向裂隙发育岩体条件下的垮落带、导水断裂带高度及发育特征的现场实测结果；张玉军等[3]采用钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔彩色电视系统，探测了高强度综放开采覆岩破坏高度；孙亚军等[4]通过并行网络电法CT观测小浪底水库下采煤导水裂隙发育情况。刘贵等[5]针对河下开采，通过在工作面不同位置布孔进行钻孔冲洗液漏失量和彩色电视观测，并通过物理模拟研究了在各工作面间留设一定宽度隔离煤柱的开采方式的覆岩破坏过程。而对于浅埋深薄基岩的覆岩的采动裂隙的相关研究还是很缺乏的。

煤层覆岩的裂隙发育可以通过钻孔冲洗液消耗量法、钻孔电视或钻孔成像技术[6]、物探等方法进行探测。任奋华等[7]据现场钻孔冲洗液漏失量、钻孔水位变化以及井下彩色钻孔电视影像，探明了煤层开采后上覆岩层内垮落带和导水裂缝带的发育高度及其分布形态；张玉军等[8]采用钻孔彩色电视系统对钻孔内部原生裂隙及采动裂隙的分布及其发育特点进行了研究；文学宽[9]应用电磁波层析技术(即CT)探测了覆岩的破坏高度；张平松、刘盛东等[10-12]采用电阻率法、立体直流电法、孔巷电法和并行电法观测，获得覆岩变形与破坏的发育规律。

钻孔冲洗液消耗量法可以探测覆岩破坏的高度，但当观测钻孔内观测段的岩层中有原生裂隙时，冲洗液消耗量法观测就不能顺利进行，甚至由于对原生裂隙的堵漏不成功而造成观测失败。钻孔电视或钻孔成像技术虽具有形象、直观的优点，但当岩层完整性较好时，常导致进行观测的钻孔内仍然有水，影响观测效果。因此，笔者根据相似模型试验，利用高密度电法，分析浅埋薄基岩的覆岩在采动影响下的裂隙演化规律，为指导西部浅埋深薄基岩矿区高效、经济、安全生产和保护地表生态环境提供依据。

1相似模拟试验方案

本文以内蒙古双欣矿业有限公司杨家村煤矿222203工作面为原型，该工作面是22采区第二个工作面，埋深约140m，倾角小于5°，煤层结构较简单，平均煤厚7.3m。工作面四周及上下煤层均未开采，为实体煤区。工作面采用综合机械化走向长壁后退式一次采全高采煤法回采，全部垮落法管理顶板。

1.1相似模型试验设计

相似模型尺寸3200mm×250mm×1500mm，为平面应力模型，如图1所示。依据Hoke-Brown经验强度准则及小试件室内试验资料，对本次相似模拟实验所涉及到的煤岩层进行估算，具体参照根据现场地质资料、岩土体物理力学性质试验以及上述转化关系公式，并考虑本次相似模拟材料选取的参考指标主要是抗压强度和模拟，故得到研究区域内相似材料模型的物理力学性质参数如表1所示。

表1　各层物理力学性质

图1　相似模型图

1.2试验内容

模拟煤层回采过程，其中煤层切眼宽度取10m，工作面每次推进10m，共模拟推进237m。通过开挖前在模型表面布置位移变形监测点，在煤层上覆岩层中布置视电阻率测试点，来监测煤层上方顶板及地表的位移变化、覆岩破断过程中的视电阻率的变化。

布置6条水平测线进行位移观测，如图2所示，其中回采煤层上方5条，煤层下方1条，相邻测线间距150mm，每条测线13个测点，相邻测点间距100mm，合计共78个位移测点。

在模型顶表面，沿中心线布设11个视电阻率测试点(D1～D11)，如图3所示。测量D1点的视电阻率时，以D1点为中心，将电阻率测试仪的两个接收探头M、N对称布置在D1点两侧并不变(MN=50mm)，两个发射探头A、B对称于测试中心D1点向两旁按一定间距增加(A、B两点的起始距离为100mm，向两边移动的步距各为50mm，直到移动到模型边界为止)，并记录下A、B每次移动后，M、N两点处测得的电压和电流，可计算出该点不同深度处的视电阻率[13-15]。D2～D11采用相同方式测试相应点不同深度电阻率。

图2　位移测点布置示意图(单位：mm)

图3　视电阻率测点布置示意图

2视电阻率测试方法

视电阻率测试方法，是一种阵列勘探方法，源于电剖面法和电测深法，主要是通过高密度布点，进行二维地电断面测量[16]。由于其具有探测数据量大、速度快和观测精度高的优点，现已在巷道工作面、顶板、底板及工作面富水构造探测等方面发

挥了重要作用，并尝试用于覆岩“三带”的探测。

视电阻率测试方法的物理前提是地下介质间的导电性差异。一般来说，在开采前，不同煤岩类型的电阻率也不同。开采过程中，当岩体受拉伸或破碎时，颗粒间接触松散，产生间隙，孔隙度增加，孔隙充填电阻率为无穷大的空气，因而岩体的视电阻率升高。覆岩的这一电性特征是覆岩在煤层开采过程中力学性质变化的结果。因而，通过比较煤岩采动前后电阻率的变化，就可以探测到覆岩的裂隙发育情况。

2.1视电阻率的模块试验

在配制模型材料时，适当加入Nacl溶液可模拟不同电性特征的实际地层，而NaCl的浓度和模型的干燥时间都会影响模型的电阻率，为了确保物理模型能够反映实际的地层情况，首先进行了模块实验，以确定合适的材料配比方案。

模块大小为10cm×10cm，针对实际地层情况，共设置表土层到细粒砂岩共8组模块，如图4所示，每组模块具有不同浓度的NaCl溶液，各层组分详细配比见表2。

为了降低测量误差，每组制作三块相同模块，测量求平均值。在不同时间段测量电阻率值，记录不同时间段的电阻率变化，测量结果见表3。

由表3可见，NaCl溶液很好的控制了模块的电阻率，经过139小时的自然风干后，模块电阻率与预期电阻率相符，据此，表2配比能够满足实验要求。

图4　模块实物图

岩性沙子重量/kg碳酸钙重量/kg石膏重量/kg水重量/kgNaCl溶液/%NaCl重量/kg期望电阻率/Ω.m表土层0.5460.0530.0110.0632.50.01710砾岩0.5360.0420.0320.0630.10.0007120粉砂岩0.5250.0420.0420.06320.01315细粒砂岩0.5250.0530.0210.0630.50.00340粉砂岩0.5250.0420.0320.06320.01315砂质泥岩0.53550.05250.01050.06330.01984510煤0.5460.05250.01050.0630.150.00100890细粒砂岩0.5250.05250.0210.0630.50.00330840

表3　模块电阻率测量结果

2.2相似模型视电阻率测试准备

为了模拟覆岩破坏过程中电阻率的变化，相似模型不仅需要满足与研究对象的几何、容重、强度和弹模等力学性质的相似条件，还要符合电性参数的物理相似准则，即满足式(1)。

(1)

式中：ρ1为某一固定层电阻率；ρs为实测视电阻率；M、N分别代表实际地层和模型，才能保证实验室条件下的模拟结果与现场相同。

在配制模型材料时，根据模块实验验证的配比方案，添加NaCl溶液。同时，在模型上表面中线位置设置30个测量电极，极距0.1m，采用高密度观测系统进行测量，根据模型覆岩破坏程度，共测量22组高密度视电阻率数据，从中选取典型时刻的视电阻率数据进行反演分析。

3相似模型试验结果分析

图5　回采过程中电阻率变化率等值线图

图6　回采过程中位移图

根据表2可以看出，该工作面上方存在两个薄基岩层，一个是距工作面顶板10m、厚46m的细粒砂岩层，另一个是距工作面顶板64m、厚58m的砾岩层。由于基岩层限制了裂隙的发育，在两个薄基岩层的下方分别形成了拱形的导水裂缝带和马鞍形的导水裂缝带。

当工作面回采100m时(图5(a))，有小裂隙发育至地表，裂隙第一次导通地表，地表发生弯曲下沉。导水裂缝带上部发育至顶板上方的90m左右，进入砾岩层；而导水裂缝带下部初步形成两边高、中间底的“马鞍形”的裂隙形态，发育范围仅限于顶板上方的50m内，位于细粒砂岩层内。

工作面回采115m时(图5(b))，导水裂缝带上部发育至顶板上方的100m左右，向上扩展了10m，但仍处于砾岩层内；导水裂缝带下部的“马鞍形”也小幅度的向上发展，且工作面顶板上方的电阻率变化率也在增大，新的裂隙在产生。

工作面回采140m时(图5(c))，由于砾岩层限制了导水裂缝带上部的向上发育，导水裂缝带的高度变化不大，依然处于砾岩层内，导水裂缝带继续在水平方向扩展；导水裂缝带下部的“马鞍形”的顶部由距顶板的40m向上发育至55m左右(图6)。

工作面回采150m和160m时(图5(d)与图5(e))，导水裂缝带的高度没有变化，还位于砾岩层内；导水裂缝带下部的“马鞍形”的顶部向上发展了20m，贯穿细粒砂岩层，薄基岩的贯通导致其上的粉砂岩层也随之切落，导水裂缝带直接扩展过粉砂岩层，“马鞍形”的顶部距顶板达的90m左右，已接近砾岩层。

当工作面回采170m时(图5(f))，砾岩层的薄基岩层发生破断，导水裂缝带瞬间发育至地表，上部松散层也随基岩层下沉，地表形成台阶下沉(图6)。同时由于浅埋深的特点，裂隙多次贯通地表，形成多个彼此独立的裂隙发育区。

可以看出，在工作面的回采过程中，随着覆岩裂隙的发育，视电阻率发生规律性的变化，通过视电阻率的变化来划分覆岩破坏高度是可行的。在弯曲下沉带内，岩体的电阻率变化不大，在导水裂缝带中，上部裂隙发育弱，电阻率值一般是正常值的1.5倍，下部裂隙发育，电阻率值是正常值的2.5倍左右；在垮落带中，电阻率远比正常值大得多，会达到 4～5倍以上。针对本相似模型，可提出以电阻率变化率作为划分“三带”的标准，见式(2)。

(2)

因此，只要选择合适的电阻率变化率值，通过电阻率变化率的分布情况，可以得到回采过程中覆岩裂隙的发育规律。

4结论

1)通过相似模型试验可以看出，运用视电阻率法的物探技术手段，可以有效克服原生裂隙和覆岩完整性的影响，监测到采动裂隙的发育演化过程。

2)提出以电阻率变化率作为划分覆岩变形破坏“三带”的标准，可以有效避免模型风干控制的不确定性和反演中的等值现象(多解性)等对反演电阻率结果的影响。

3)在浅埋深煤层的采动过程中，上覆岩层导水裂缝带的范围持续向上方、前方扩展，但裂隙在水平与垂直方向的发育具有不平衡性，薄基岩层明显阻碍了裂隙向上的发育，水平方向的裂隙发育范围明显大于垂直方向。而一旦裂隙发育突破了基岩层，就会瞬间贯通该基岩层上方的附着岩层或地表。

参考文献

[1]许宏发，钱七虎，王发军，等.电阻率法在深部巷道分区破裂探测中的应用[J].岩石力学与工程学报，2009，28(1):111-119.

[2]康永华，赵开全，刘治国，等.高水压裂隙岩体综采覆岩破坏规律[J].煤炭学报，2009，34(6):721-725.

[3]张玉军，李凤明.高强度综放开采采动覆岩破坏高度及裂隙发育演化监测分析[J].岩石力学与工程学报，2011，30(S1):2994-3001.

[4]孙亚军，徐智敏，董青红.小浪底水库下采煤导水裂隙发育监测与模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28(2):238-245.

[5]刘贵，张华兴，刘治国，等.河下综放开采覆岩破坏发育特征实测及模拟研究[J].煤炭学报，2013，38(6):987-993.

[6]王传婴，LAWKTim.钻孔摄像技术的发展与现状[J].岩石力学与工程学报，2005，24(19):3440-3448.

[7]任奋华，蔡美峰，来兴平，等.采空区覆岩破坏高度监测分析[J].北京科技大学学报，2004，26(2):115-117.

[8]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):1216-1218.

[9]文学宽.CT探测覆岩破坏高度的试验研究[J].煤炭学报，1998，23(3):300-304.

[10]刘盛东，吴荣新，张平松.高密度电阻率法观测煤层上覆岩层破坏[J].煤炭科学技术，2001，29(4)：18-20.

[11]张平松，刘盛东，吴荣新.采煤面覆岩变形与破坏立体电法动态测试[J].岩石力学与工程学报，2009，28(9):1870-1875.

[12]吴荣新，张卫，张平松.并行电法监测工作面“垮落带”岩层动态变化[J].煤炭学报，2012，37(4):571-577.

[13]于师建，程久龙，王玉和． 覆岩破坏视电阻率变化特征研究[J]．煤炭学报，1999，24( 5) ：457-460．

[14]程久龙，于师建.覆岩变形破坏电阻率响应特征的模拟实验研究[J].地球物理学报，2000，43(5)：699-706.

[15]于师建，程久龙.覆岩导水裂缝带电阻率响应特征[J].岩土工程学报，2000，22(3):336-339.]

[16]刘盛东，刘静，岳建华.中国矿井物探技术发展现状和关键问题[J].煤炭学报，2014，39(1):19-25.

Analysis of mining-induced fractures evolution in overburden about shallow seam based on simulation model test

LIXiao-lu1，2，OUYANGZhen-hua1，2，LIShao-gang1，2

(1.MineSafetyTechnologyBranch，ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China；2.StateKeyLaboratoryofCoalResourceHigh-efficiency&CleanUtilization，

ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China)

Abstract:On the basis of similar model test，the feasibility which mining-induced fractures evolution in overburden about shallow seam could be inversed by apparent resistivity method was discussed.The electric parameter changes in overlying strata during the course of deformation and failure and the relation between it and mining-induced fractures are canalized.The results show that apparent resistivity method can detect mining-induced fractures evolution in overlying strata about shallow seam.The isoline map of change rate in electrical resistivity could give expression to fracture development，so it can be the new division standard of the three failured strata zones.During mining active process in shallow seam，the range of fractured-zone in overlying strata is extended upward and forward，but it is imbalance in horizontal and vertical direction.The horizontal range is obviously larger than vertical，because the propagation of fractures is impeded by the thin bedrock.But once the thin bedrock is broken through by fractures，the upper rock or surface is instantly transfixion.

Key words：shallow seam；apparent resistivity method；mining-induced fractures；change rate in electrical resistivity；similar model test

收稿日期：2015-06-17

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973) 项目资助 (编号：2012CB724208)；国家自然科学基金项目资助(编号：51174272；51404140)

作者简介：李晓璐(1977-)，女，河北邯郸人，副研究员。E-mail: lxl_bj@126.com。

中图分类号：TD821

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)04-0072-05