采煤导水裂隙带发育高度实测方法

2018-05-10李聪然

采矿技术 2018年1期

李聪然

(华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄 050021)

0 引言

煤炭资源是我国主要的能源，在经济发展中占据着十分重要的地位。煤炭开采会导致上覆岩层的破裂、垮塌，最终形成“三带”，即冒落带、导水裂隙带和弯曲带。采煤期导水裂隙带发育高度严重影响着矿井水害的防治，采煤结束后影响覆岩稳定性评价、采空区治理和地表土地利用。因此需要对导水裂隙带发育高度进行测量与预测。

目前导水裂隙带发育高度常用的研究方法有现场实测、相似模拟、数值模拟和经验公式等[1-2]。实际应用中往往多种方法结合得出导水裂隙带发育高度的预测值，通过现场实测验证选用预测模型的可行性和准确性，达到安全采煤的目的。现场实测采煤导水裂隙带高度的方法有钻井探测和物理探测两种方式，为了获得更加准确的结果，常常将两种及两种以上方式进行组合。

1 钻孔探测

钻孔探测为点式探测方法，具有工作量大，时间长，成本高，效率低等特点，通常需要结合前期物探提高探测效果。目前常用的钻孔探测包括钻孔冲洗液漏失法、钻孔彩色电视、井下仰孔注水测漏法、孔间震波CT、分布式光纤传感技术等。

1.1 钻孔冲洗液漏失法

钻孔冲洗液漏失法是通过测定钻进过程中钻孔冲洗液消耗量、钻孔水位、钻进速度、卡钻、掉钻、钻孔吸风、岩芯观察和地质资料判断导水裂隙带高度及其破坏特征的一种方法。如康永华等[3]将钻孔冲洗液法和钻孔声速、钻孔超声成像法对采动覆岩导水裂隙带发育高度进行了测定，指出钻孔冲洗液法在原生裂隙发育的地区通常不能得出准确的结果。

1.2 钻孔彩色电视

钻孔电视法是将专用摄像机送入预先打好的孔中，通过上下移动把钻孔周围岩层中的裂隙发育情况显示在地表的监控设备中。基于钻孔内裂隙发育状况实现覆岩导水裂隙带高度的确定。刘英锋等[4]在大佛寺煤矿采用钻孔彩色电视系统结合简易水文观测孔对导水裂隙带高度进行了观测，得出发育高度为170.80～192.12 m，并分析了深埋特厚煤层综放开采导水裂隙带发育特征。

钻孔电视法可以直观的获取钻孔内岩石性质、裂隙发育情况。但容易受到钻孔质量的影响，如塌孔容易造成无法观测及设备的损坏。

1.3 井下仰孔注水测漏法

井下仰孔注水测漏法是通过在巷道或工作面向上打小口仰孔，将钻孔两端堵水器布设于钻孔内，分段注水，测定漏失量以获得覆岩中裂隙发育情况，得出导水裂隙带的发育高度。如D.P.Adhikary[5]通过两端堵水器的液体渗透，对覆岩的破碎情况进行了研究。

该技术较为直观，但成本高、施工难度较大，受原生裂隙影响较大，数据的获取受到操作人员能力的限制。

1.4 孔间震波CT

孔间震波CT利用不同岩层具有各不相同的波阻抗和声波在不同岩层界面反射能力也不同的特征，通过向围岩发射超声波的反射特征分析、解释围岩裂隙的发育情况。依据围岩裂隙发育情况判定导水裂隙带的发育高度。程学丰等[6]在淮南孔集矿的采煤工作面和地表之间采用井、地声波CT探测对采动引起的覆岩破坏进行了探测，根据CT切面图像解析确定了导水裂隙带发育高度最大值，与钻孔探测得出的结果相一致，验证了声波CT探测导水裂隙带发育高度的可行性。

1.5 分布式光纤传感技术

光纤传感技术是以光为传感信号，光纤作为传感器和信号传输介质，达到感知和探测周围环境变化。光纤传感技术可以实现全分布、长距离、实时性的覆岩变形监测的目的，具有质量轻、抗辐射、抗腐蚀、抗电磁干扰等特点，为导水裂隙带的确定提供了一种新的方式。工程应用中通常采取钻孔布设分布式光纤测量导水裂隙带的发育高度，工程中常用的光纤传感技术包括光纤光栅传感(FBG)技术、基于布里渊散射光时域反射(BOTDR)技术和基于布里渊散射光时域分析(BOTDA)技术，表1为光纤传感技术测量的特点。

目前分布式光纤传感技术具有成本高、与周围岩土体耦合性不好等不足。

表1 分布式光纤传感技术测量特点

张丹等[7]利用BOTDR分布式传感技术对淮南矿区某工作面的覆岩变形进行了监测和分析，提出了工作面仰孔光纤布设方案，确定了导水裂隙带和冒落带的高度。方星等[8]将BOTDR分布式传感技术应用于煤矿塌陷区残余变形监测中，通过钻孔内光纤的应变变化确定了覆岩的“三带”高度，与其他方法得到的结果对比验证了该方法的有效性。

2 物理探测

物理探测通常需要在正、反演研究基础上对目的对象进行探查，故解释结果由于解释经验和认识的不同存在较大的差异，往往需要通过钻探的方法对物理探测结果进行验证。目前常用的物理探测方法包括电阻率法、瞬变电磁法、大地电磁法、浅层地震法、微地震法、氡气放射性测量等。

2.1 电阻率法

电阻率法是基于采煤前后覆岩中电性变化实现采动覆岩变形和破裂范围的识别。覆岩发生变形、破坏区域的电阻率会有不同程度的升高，基于覆岩电阻率的变化即可算得导水裂隙带的发育高度。如李建楼等[9]通过并行网络电法对新安煤矿14141工作面导水裂隙带高度进行了测定，指出在覆岩视电阻率值比背景电阻率值增大 1～2 倍时为导水裂隙带。

电阻率法具有成本低、效率高的特点，但该方法无法应用于大面积、大深度的测量，反演方法需要进一步的研究。表2为普通直流电阻率法和高密度电阻率法的优缺点[10-11]。

表2 不同电阻率法特点

2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法是基于不接地回线或接地线源往覆岩中发射一次脉冲磁场，利用接地电极或线圈在一次脉冲场间歇期观测介质中的二次感应涡流场，获得岩层电阻率的方法。张彬等[12]使用瞬变电磁仪在宁夏红柳煤矿1121工作面开展了采动覆岩导水裂隙带高度超前探测的试验，指出该方法进行定量探测的效果明显，得出的导水裂隙带发育高度最大约 88 m，与冲洗液漏失量观测方法和钻孔彩色电视得出的结果相吻合。

瞬变电磁法具有轻便、效率高、对低阻灵敏性好和指向性好的特点。但瞬变电磁法基础理论研究仍然薄弱，存在纵向分辨率低，正、反演研究滞后的问题。

2.3 大地电磁法

大地电磁法是根据电磁传播理论和麦克斯韦方程组得出的水平电偶极源在地表的磁场和电场，基于两个正交的水平磁场得到地表以下的视电阻率，依据电磁波的趋肤效应理论推导出探测深度，获得导水裂隙带发育高度。张宏伟等[13]在抚顺矿区的老虎台矿63005工作面，基于EH-4大地电磁法，确定了水砂充填开采与综采放顶煤开采的覆岩破坏高度，并将其与数值模拟结果进行了对比研究。表3为几种不同大地电磁法技术的应用特点[14-15]。

2.4 浅层地震法

浅层地震法可分为浅层地震折射法和浅层地震反射法，在实际工程浅层地震反射法应用较多。采动覆岩在不同深度具有不同破坏特征，岩层间存在不同特征的裂缝、裂隙和碎石，使得地震波的传播速度与在完整层中的传播速度具有较大差异，可能造成反射波的中断、频率和波形的改变，基于上述的差异实现导水裂隙带发育高度的判别。申涛等[16]在陕北某矿应用P 波方位各向异性裂隙检测方法对导水裂隙带的发育高度和裂隙分布特征进行了探测与研究，指出裂隙的发育强度和与煤层顶板距离成反比。王俊茹等[17]通过对某个采空区覆岩变形的浅层地震探测，对野外工作、资料处理及解释方法进行了讨论，指出野外工作参数会影响结果的分辨率，地震数据处理方法的选择能够提高解释的准确性。

表3 不同大地电磁法技术特点

2.5 微震法

微震法是基于煤岩破裂、移动过程中形成的微弱震动波被不同位置的微震传感器记录,最后通过相关计算确定岩层破裂、移动的空间位置。通过反演计算，确定采动覆岩导水裂隙带高度。李楠等[18]总结了微震监测在煤矿中的应用，指出了震源的确定方法，以及微震技术在煤矿突水、动力灾害等众方面的预警方法。汪华君等[19]以鲁西煤矿为例，介绍了微震传感器布设方式，验证了微震法检测导水裂隙带高度的可靠性。

目前在微震传感器的布设、微震信号的识别和拾取、震源定位、波速模型等方面的研究不足，影响着震源的高精度定位和可靠性的提高。

2.6 氡气放射性测量

氡气存在于煤、岩体和土体中，不但可以以气态形式运移，还可以以溶解态随地下水运移，在孔隙和裂隙中扩散，通过测量覆岩中氡气的异常可实现采动裂隙带分布的探测。张炜等[20-21]研制了采动覆岩裂隙测试的氡气地表探测系统，并将该系统应用于大柳塔矿11203工作面二维物理模拟试验中，验证了氡气地表探测采动覆岩裂隙的可行性。

目前氡气放射性测量更多的集中于理论和室内试验研究，需要更多的现场工程应用的实践，为该技术的应用提供更多的理论和案例。