上覆采空区含水性及岩层导水裂隙发育的分析与研究

李 侨

（山西汾西矿业集团公司正帮煤业 ，山西 孝义 032300）

1 工程概况

某矿所采井田位于晋北黄土高原，该矿主采侏罗系大同组煤层，目前2#、3#、7#煤层均已回采完毕，现正在开采8#煤层。地貌为侵蚀的黄土丘陵，地表以第四系黄土为主，井田冲沟较为发育，根据所收集到的资料，可将井田内的地层由老至新依次划分为寒武系、侏罗系大同组、侏罗系中统云冈组、白垩系下统左云组以及第四系。本次物探的面积为1.0km，探测范围运用10坐标进行圈定，具体位置见图1，本次勘探区域的地层为南北走向，主要由两条向斜和一条背斜组成。

图1 物探范围示意图

2 上覆采空区导水裂隙发育情况

根据该矿的地层赋存情况，拟采用UEDC2D数值模拟软件对上覆采空区裂隙的导水情况进行分析，建立模型的高度为343m，走向长度为530m，通过建立初始模型后依次对2#煤层、3#煤层、7#煤层、8#煤层实行开采，通过开挖后岩层的垮落状况进行具体分析。模拟中需用到的本构关系模型为摩尔—库伦模型[1]，该模型涉及到的主要力学参数为内聚力、剪切模量、体积模量、密度及内摩擦角，其中体积模量与剪切模量的表达式如下所示：

式中：E为岩体的弹性模量；K为岩体的剪切模量；μ为岩体的泊松比；

根据相关地质资料以及相似矿井地质概况，得出具体各岩层参数如表1所示，模型边界条件取为左右两侧为水平位移约束，上边界为自由状态，下边界为垂直位移约束。

表1 各岩层的物理力学参数

根据上述信息建立初始模型后进行开挖操作，开挖由上而下进行，依次开挖 2#、3#、7#、8# 煤层，并对3#煤层、8#煤层进行出图分析岩层垮落特性，3#煤层及8#煤层开挖后岩层垮落如图2、图3所示。

图2 3#煤层开挖完毕后岩层垮落示意图

图3 8#煤层开挖完毕后岩层垮落示意图

由生产实践中导水裂隙带高度的经验计算公式如下：

式中：m为矿层开采厚度，m；α为矿层倾角，°；k为岩层松散系数；h1、h2分别为冒落带、导水裂隙带高度。运用此公式结合我国“矿井水文地质规程”[2]能够得出：2#煤层顶板为砂质泥岩，其导水裂隙高度为48～65m；3#煤层顶板为粉细砂岩，其导水裂隙带高度为13～43m；7#煤层顶板岩性为粉砂岩，其导水裂隙高度为11～30m；8#煤层顶板岩性为粉砂岩，其导水裂隙带高度为9～23m。

通过数值模拟以及理论分析结果能够得出以下主要结论：①煤层在开采过程中，除了会致使上方岩层垮落，同时采动影响会在一定程度上对底板造成破坏，若上覆岩层存在采空区，在下层煤开采时，在采动影响作用下顶板导水裂隙会进一步发育，当该裂隙与上覆岩层已经发育扩展的裂隙贯通时，在这种情况下若上覆采空区有存水，则会对安全生产造成极大威胁[3]；②上层煤的开采会对下层煤形成卸压作用，从而造成实际导水裂隙带高度与经验公式计算得出高度有所偏差，同时导水裂隙带的高度也会受到煤层间岩层厚度与岩性的影响；③当所采煤层上覆存在多层采空区时，由各个采空区都存在其自身特点，不是简单的一种或者几种形式，故实际工程中对上覆存在多层采空区的具体情况采取相应的防护措施。

3 瞬变电磁法分析导水裂隙及含水性

3.1 瞬变电磁法的测点布置及数据分析

根据该矿具体的地质条件，采用瞬变电磁法进行本次勘探作业，瞬变电磁法能够对煤系地层的导水裂隙发育以及含水性进行分析解释，并能够大致确定含水异常区域所在的层位。本次勘探线沿着东西方向布置，在疑似含水区上东西向布置4条直流电测深勘探线，间距100m，具体实际工程布置如图4所示。

图4 测点布置位置示意图

式中：q为接收线圈的有效面积；t为时窗时间；V（t）为感应电压；m为发射磁距。视纵向电导Sτ和深度hτ的计算表达式为：

瞬变电磁数据处理依据可以用以下三个公式进行解释：（1）视电阻率计算公式[3]：

式中：V（t）/I为归一化感应电压；d（V（t）/I）/dt为时间轴上归一化感应电压变化率；A为发射线圈面积。基于以上三个公式对得出的数据进行处理分析，主要对2#到8#煤层的岩层构造、裂隙发育情况以及含水性进行探测研究，通过数据分析处理后得出4种主要图形，分别为二次感应电压的变化情况图、视电阻率的断面图、感应电压平面等值线图以及顺层电阻率富水性分析图综合分析地质体中的含水情况，下面对本次物探的视电阻拟断面图和顺层电阻率富水性分析图进行具体分析。

视电阻率拟断面图是解释瞬变电磁的一个重要形式，在视电阻率拟断面图上电阻率突变或者电阻率高意味着存在含水的地质异常体。根据本次物探得出的电阻率拟断面图如图5所示，图中电阻率随着“蓝—黄—红”颜色的变化逐渐增大，在桩号500-600之间的点在2#、3#、7#煤层位置视电阻在图中显示为红色，其周围为黄色，这意味着该段视电阻率出现突然升高的现象，根据视电阻率拟断面图结合其他图形分析认为采空区含水是导致该段瞬变电磁突变现象出现的原因，另外从地质资料上能够看出该段位于采空区上方，可能为裂隙含水区域。

图528 线含水异常解释用视电阻率拟断面图

图6 8#煤顶板顺层电阻率富水性分析图

顺层电阻率富水性分析图能够从整体上显示出含水异常的分布情况，同时能够与视电阻率拟断面图以及多测道曲线进行结合更加全面的对含水异常进行解释，本次物探得出的8#煤层视电阻率富水性分析图如图6所示，富水性图中蓝色区域为低值区域，黄色及蓝灰色区域可能为非含水裂隙导通区域。

综合以上物探结果对采空区导水裂隙的分析，能够得出如下结论：

1）采空区冒落带与完整的岩层相比比较松散、电性发生显著变化、密实度变低。由于采空区内垮落的岩石内一般混有高电阻介质[5]，这会使垮落带表现为高阻态势，根据采空区内的高阻特征可有效的对采空区进行辨别。

2）对地层中富水性区域的判断可以根据电阻率的值确定，在含水层与导水裂隙带贯通时会使得裂隙带内充水，从而致使导致测得的该区域的电阻率较低，故可根据电阻率的值大致判断区域的含水性。

3）位于采空区上方的岩体由于受到采空影响裂隙进一步发育、扩展，在裂隙内充满气体物质时会使得该段岩层得出的电阻值较大，故通过分析瞬变电磁法得出的数据能够区分采空区上覆岩层的裂隙带区域。

3.2 8#煤层顶板砂岩含水性评价

由于8#煤层为正在开采的煤层，故对顶板的含水性进行评价显得尤为必要，8#煤层位于大同组中部，距7#煤层平均距离为9.25m。底板为细砂岩，顶板为粉砂岩，煤层均厚1.53m，如图8所示为8#煤层顶板顺层电阻率富水性分析图，根据8#煤层顶板富水性分析图并结合多测道曲线以及视电阻率拟断面图能够得出8#煤层顶板含水异常区域有10个，其中较强的为 D6、D5-2、D5-1、D4-2 以及 D4-1，具体异常区域的分布状况如图7所示。

图7 8#煤层顶板含水异常区域分布

4 结 论

1）通过运用数值模拟与理论分析相结合方法对上覆采空区导水裂隙进行分析，得出2#煤层、3#煤层、7#煤层、8#煤层顶板各岩层导水裂隙带的高度。

2）运用瞬变电磁法能够对采空区、地层富水区域以及裂隙带区域进行较为科学有效的判断。

3）通过瞬变电磁法探明了8#煤层顶板不同位置、大小不等的含水异常区域有10个，其中富水性强的有5个，富水性中等的有3个，富水性较弱的2个。