近年来煤矿采动覆岩导水裂隙带的发育高度的研究进展

程磊，罗辉*，李辉，张玥

(1.河南理工大学安全科学与工程学院，焦作 454002;2.上海应用技术大学城市建设与安全工程学院，上海 201418)

煤矿在开采过程中，上覆岩层会不断受到扰动，打破了覆岩的原岩应力平衡，在开采完后采空区的上覆岩层会形成“三带”，即垮落带，裂隙带和弯曲带。其中垮落带和裂隙带统称为导水裂隙带。导水裂隙带发育高度在煤矿防治水[1]、矿井保水采煤[2]、采空区与回风巷上隅角瓦斯治理[3]、煤与瓦斯共采[4]、水体下采煤[5]等方面具有重要研究意义。

最近几年对导水裂隙带的发育高度研究达到了一个新高度，因此现着重收集近年来的资料，对其的影响因素与研究方法进行归纳分析，尤其是对出现的新方法、新技术进行总结，为后续的研究提供参考。

1 影响导水裂隙带发育的因素

虽然现在影响导水裂隙带发育形态的因素还没形成共识，但是通常情况下，导水裂隙带的发育形态为马鞍形[6]、拱形[7]。采空区的上覆岩层被破坏后的空间形态通常取决于煤层倾角，煤层倾角与覆岩破坏变形程度呈负相关，煤层倾角越大，覆岩受破坏后的膨胀变形程度越弱，而且随着煤层倾角的增大，覆岩变形破坏范围和“两带”高度位置均呈现向工作面上山方向发展的趋势[8]。文献[9-10]将煤层分为缓倾斜煤层(0°～35°)、中倾斜煤层(36°～54°)、急倾斜煤层(55°～90°)。缓倾斜煤层垮落岩块会就地堆积，垮落带在采空区范围内，裂隙带两侧边界在开采边界外面，呈“马鞍”形态。中倾斜煤层采空区上部垮落岩块会下滑充填到采空区下部，导致采空区上部的导水裂隙带发育高度高于采空区下部，呈抛物线形态。急倾斜煤层垮落岩块向下滚动会加剧，采空区下部发展很小，上部很高，而且影响到采空区上部煤柱，产生片帮、碎裂、抽冒，使导水裂隙带上部迅速发育，呈“耳”形。导水裂隙带范围如图1所示。直立煤层(煤层倾角为90°)导水裂隙带呈对称抛物线型，如图2所示。

图1 导水裂隙带范围图[9]Fig.1 Water-conducting fissure zone range map[9]

图2 导水裂隙带的空间形态[9]Fig.2 Spatial morphology of water-conducting fracture zone[9]

影响导水裂隙带发育高度的因素有很多，主要为工作面斜长、顶板抗压强度、采深、采高、采煤方法、覆岩力学性质及结构特征及顶板管理方法等等，王玮等[11]运用了正交实验设计，认为导水裂隙带发育高度影响因素由小到大依次为采深、顶板抗压强度、岩层结构、工作面斜长、采深。曹祖宝等[12]认为不同覆岩结构下的导水裂隙带发育高度显著不同。王晓振等[13]认为导水裂隙带发育高度随采厚变化而呈现出台阶式发育，台阶高度相差越大，导水裂隙带高度突变越大。李涛等[14]运用数值模拟得到导水裂隙带发育高度大约是采高的27倍的结论。

2 导水裂隙带发育高度

由于各个煤矿地质复杂多变，开采方式不一等原因，导水裂隙带发育高度至今也没有一个统一的方法对其进行准确模拟计算。中外学者从20世纪就开始对覆岩应力分布特征和覆岩裂隙演化规律进行研究，总结出了大量的规律方法，为现在的导水裂隙带发育高度的确定打下了坚实的基础，如今已有各种准确度很高的预测、模拟、实测方法可以观测导水裂隙带，使得导水裂隙带发育高度研究方法更加合理、准确，各种方法汇总如表1所示。

表1 导水裂隙带发育高度研究方法汇总Table 1 Summary of research methods on the development height of water-conducting fracture zone

2.1 预测计算法

2.1.1 经验公式计算法

在《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(安监总煤装〔2017〕66号规范)里收录了目前使用最为普遍的导水裂隙带发育高度的传统经验公式。李立等[15]在关键层理论的基础上提出了充填开采导水裂隙带高度计算方法，与实测相对比误差只有1.42%。高振宇等[16]在实测数据的基础上采用拟合回归等手段提出了在多层煤重复采动条件下，覆岩垮落带和裂隙带的计算新公式。崔峰等[17]采用钻孔电视实测和离散元软件模拟等方法对覆岩两带高度进行了测试，并与微震监测结果相对比验证，得出了冲击倾向性顶板在重复采动下两带的高度，可以使用传统经验公式之二相计算，但应将计算结果提高8.6%。种阳等[18]以桑树坪煤矿为背景，在实测和物理相似模拟等得到的数据基础上，线性拟合出了该地区同类条件煤层的导水裂隙带预测公式。邢延团[19]在传统经验公式的基础上与现场实测数据相结合，使用了非线性拟合对其进行修正，得到适合彬长矿区导水裂隙带高度预测公式。朱伟等[20]在实测数据的基础上得出了分层综放开采可有效降低导水裂隙带高度，并通过统计分析得到潞安矿区裂隙带高度计算预测公式。李超峰[21]认为三次函数曲线的拟合度更加适合综放开采煤矿的导水裂隙带发育高度，提出了黄陇煤田导水裂隙带高度的预测公式。

传统经验公式是针对单层采厚在3 m以内，累计采厚不超过15 m时分层开采条件时的导水裂隙带高度的计算，对现在的一些煤矿并不是很适用，应根据实际情况运用数学方法对其进行修正，增加它的准确性。

2.1.2 力学分析预测法

导水裂隙带本质上是覆岩在受到张拉破坏或受压屈服的过程中形成的，因此研究覆岩应力分布规律，构建覆岩变形破坏的力学模型，是预测导水裂隙带发育高度的重要方法[22]。

赵高博等[23]研究分析了采动影响下覆岩破坏传递的过程，并在此基础上构建力学模型，得到了一种新的导水裂隙带发育高度计算方法。张建民等[24]从系统论的角度出发，构建了“采动-爆裂”物理模型，并给出了一个近似计算导水裂隙带发育高度的公式。张云等[25]构建了在短壁块段式充填采煤中形成导水裂隙带的力学模型，在此基础上给出了导水裂隙带发育高度计算公式。李鹏等[26]认为导水裂隙带的形成与塑性区破坏范围有关，并以应变能破坏准则为基础，采用数值模拟的方法得到了导水裂隙带的发育高度。许家林等[27]提出了一种通过关键层的位置来判断导水裂隙带发育高度的方法。题正义等[28]以胜利煤矿为工程背景，运用关键层、断裂力学、板壳等理论构建了覆岩破坏演化力学模型。

岩石力学、断裂力学、渗流力学、弹塑性力学的应用，以及对原岩应力平衡被打破后，应力重新分布过程中的力学平衡及能量释放的理论分析，对导水裂隙带发育机理与特征有了深入研究，但该方法都是在理想状态下对覆岩结构进行力学简化分析，与实际存在一定偏差。

2.1.3 非线性预测法

影响导水裂隙带发育的因素复杂，因此目前有许多学者将多个因素相结合，并运用一定的数学方法，比如反向传播(back propagation，BP)神经网络法、支持向量机模型和灰色关联分析法、分形理论等方法来建立模型预测导水裂隙带高度。施龙青等[29]通过灰色关联分析法选取了影响导水裂隙带发育的主要因素，建立主成分分析法-遗传算法-Llman(principal component analysis-genetic algorithm-Llman，PCA-GA-Llman)模型，能准确预测导水裂隙带高度，误差较小。薛建坤等[30]在已有数据的基础上，运用粒子群与支持向量机回归法的优越性，建立了导水裂隙带高度预测模型。韦瑜等[31]在三维地震勘探的基础上，将遗传算法和BP神经网络相结合，选取了5个因素，准确预测了崔木煤矿导水裂隙带高度。毛志勇等[32]选取了煤层的倾斜角、厚度、硬度、岩层结构等8项指标，将粒子群优化算法和最小二乘支持向量机相结合，构建了自适应粒子群优化-最小二乘支持向量机(adaptive particle swarm optimization-least squares support vector machine，APSO-LSSVM)预测模型。柴华彬等[33]在支持向量机回归原理的基础上，运用遗传算法寻优，建立了遗传算法-支持向量回归(genetic algorithm-support vector regression，GA-SVR)导高预测模型，与实测结果相对比，误差较小。

上述方法简便常用，成本低，但建立预测模型需要大量数据，并且对各个影响因素的权重确定存在一定的主观因素，因此通常只应用于特定条件下的煤矿。

2.2 模拟法

2.2.1 数值模拟法

数值模拟是依靠计算机，建立一个反映问题本质的数学模型，再运用高效率、高准确度数学计算方法，计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理，再之后就是求解，然后通过图像形象地显示出来。文献[34-36]运用UDEC软件模拟了覆岩裂隙演化机理，并且得到了导水裂隙带的高度。文献[37-38]采用3DEC软件模拟开采时覆岩动态破坏演化特征及规律、覆岩内部发育特征及裂隙发育演化过程等情况，并与其他方法相结合得到了导水裂隙带发育高度。赵春虎等[39]运用COMSOL软件，针对导水裂隙带难以数值化的特点，将其空间范围处理成了达西渗流边界，以曹家滩煤矿为工程背景，模拟计算了在采高条件下的导水裂隙带发育高度。文献[40-42]运用FLAC3D软件模拟了煤层开采时不同因素对导水裂隙带发育的影响，对比研究了导水裂隙带的发育机理，得到了导水裂隙带的高度。

数值模拟法的优点是操作简单、成本低廉，在计算机上就能实现。但在运用过程中往往需要对边界条件和地质条件进行简化，存在一定的误差。

2.2.2 相似材料模拟法

相似材料模拟研究是在室内用人工材料根据相似原理做成相似模型，通过对模型所受应力的观测来分析与判断原型可能发生的现象。杨鹏等[43]以信息论中的信息熵的知识为基础，宁东煤田为工程背景，利用相似材料模拟研究了在工作面推进的过程中覆岩破坏演化过程，认为导水裂隙带的发育会使应力信息熵增大。余学义等[44]采用相似材料模拟技术，对王家沟煤矿工作面开采时导水裂隙带发育机理进行了研究分析，论证了限高留煤柱开采能够限制导水裂隙带发育情况，有利于实现绿色保水开采。代革联等[45]通过相似材料模拟对榆神矿区某井田在不同开采条件下的导水裂隙带发育高度进行了研究。白建平等[46]采用相似材料模拟技术，对新景矿3213工作面在开采时覆岩动态破坏演化特征进行了模拟，对导水裂隙带的高度进行观测与分析。孙学阳等[47]以陕北某矿为工程背景，利用相似材料模拟技术研究了双煤层开采对覆岩的破坏演化形式的影响，得到了两带的发育高度，并与FLAC3D软件数值模拟的结果相对比，表明相似材料模拟的结果准确、合理。魏宗勇等[48]运用三维物理相似材料模拟技术，对大采高综采条件下覆岩的变形、移动进行了模拟研究，对“两带”的高度进行观测与分析，认为其裂隙形态为“椭抛”态，为抽采瓦斯提供数据支持。

运用相似材料模拟法能更好地了解导水裂隙带在工作面的推进过程中的发育特征，但当前大都是采用二维的相似材料模拟，三维的较少。

对于复杂的地质条件采用数值模拟或相似材料模拟能更好地了解覆岩的演化机理和裂隙的三维分布。

2.3 现场实测法

现场实测法是通过钻孔或者地球物理方法，采用仪器设备来实际观测覆岩的破坏范围[49]。现场实测法是确定导水裂隙带发育高度的主要途径，也是最直观的方法。

2.3.1 钻孔探测法

1)井下仰孔分段注水侧漏法井下仰孔分段注水侧漏法是在采掘工作面周围选择合适的观测场所，例如，既可以在相邻工作面的顺槽中，也可以在工作面停采线以外的巷道中向工作面上方仰斜打孔，然后使用双端封堵测漏装置，沿着钻孔逐米分段封堵注水，观察各段的漏失量，进而判断出覆岩的裂隙发育情况，观测系统如图3所示。鲁建国等[50]使用该方法对新巨龙矿井某工作面的导水裂隙带发育高度进行了观测，其漏失量变化为稳定到突然增大，然后稳定再到突然减小，最后稳定的过程，裂隙发育情况明显，其形态为“马鞍”形。徐维等[51]在东曲煤矿应用了注水侧漏法，得到的导高数据与经验公式计算值有较大的差距，与数值模拟结果相接近。李超峰等[52]对井下仰孔分段注水侧漏法的整套设备进行了优化改进，改进后的设备适用范围更广，在孔深、孔内水量与水压较大时也可以使用这套设备。并且优化改进后的装置对高家堡煤矿的导水裂隙带高度进行了实测，效果良好。

图3 观测系统图Fig.3 Observation system diagram

樊振丽等[53]采用井下仰孔分段注水侧漏法，通过观测漏失量变化确定了榆神矿区某矿覆岩“两带”的发育高度，其结果也与使用钻孔电视所得到的结果一致。种阳等[18]采用该方法布置了6个观测孔和3个对比孔，分析各个钻孔的漏失量后并与相似材料模拟实验相结合，得到了桑树坪煤矿某工作面的导水裂隙带的发育高度。

井下仰孔分段注水侧漏法适用于工作面埋深较大的煤矿，有施工周期短、易操作、耗费低的优点，但实测效果受钻孔质量及孔深的影响。

2)钻孔冲洗液漏失量法

钻孔冲洗液漏失量法是通过观测分析钻进过程中钻孔冲洗液的漏失量、水位变化及钻进过程中的异常现象来综合确定导水裂隙带发育高度的方法。该方法的钻孔布置、钻孔施工、钻孔测量段要求等应该遵守《导水裂缝带高度的钻孔冲洗液漏失量观测方法》(MT/T 865—2000)[54]要求。刘震等[55]采用该方法对济宁煤田中的两个工作面的“三带”高度进行了实测，综合分析了钻进过程、钻进速度、钻孔冲洗液漏失及岩石质量指标(rock quality directive，RQD)，并与孔内窥视、煤田测井的结果对比验证，确定了“三带”的发育高度。田灵涛[56]采用钻孔冲洗液漏失量法在察哈素煤矿布置了4个钻孔，观察分析得到了“两带”的发育高度，与经验公式的结果相对比发现计算值存在误差。郭文兵等[57]以芦沟煤矿为工程背景，为了能保证水体下采煤的安全，利用该方法实测了导水裂隙带的发育高度，实测结果与利用关键层理论计算导水裂隙带高度的结果很接近，误差极小。张玉鹏等[58]在蒙西矿区应用了钻孔冲洗液漏失量法，并与数值模拟和相似模拟的结果相比较，现场实测的数据误差较小。

钻孔冲洗液漏失量法工程量较大，适用于工作面埋深较小的煤矿，在某些岩层原生裂隙发育较好的地区测得的数据可靠性欠佳，而且施工较难。

3)孔内窥视法

孔内窥视法是将自带光源的防水观测探头送入钻孔中，得到孔内图像，直接观测到孔内岩层破碎状态、裂隙发育情况。翟志伟等[59]采用孔内窥视法在七一煤矿某工作面布置了5个钻孔，其中4个观测孔，1个对比孔，并与经验公式计算结果相结合，综合确定了该煤矿的导水裂隙带发育高度。杜家发等[60]采用该方法探测了张家峁煤矿某工作面基岩层段的导水裂隙带的发育情况。田灵涛[56]运用该方法得到了察哈素煤矿的导水裂隙带的发育情况，得到的图像吻合钻孔冲洗液漏失量法的实测数据。

2.3.2 物探法

物探法是指应用物理学原理和仪器对地下地质条件进行勘查，研究地质构造的一种方法和理论。

(1)地球物理探测法。地球物理勘探是通过研究和观测各种地球物理场的变化来探测地层岩性、地质构造等地质条件。可以利用该方法勘探岩石的密度、磁导率、电导率、等物理属性来观测覆岩导水裂隙带在采前、采中及采后的动态发育情况。袁峰等[61]以现场运用钻孔冲洗液漏失量法所得的数据为基础，优选出与裂隙有关的地震属性提取出来，如地层倾角、最大曲率、瞬时振幅等属性，再运用深度前馈神经网络技术与其融合形成地震多属性融合技术，来研究覆岩导水裂隙带的演化机理及发育高度。侯文光等[62]认为钻孔电阻率法能很好的观测工作面采动覆岩裂隙发育动态过程，并且得到了李雅庄煤矿的裂隙带发育高度。文献[63-65]是采用电法仪设备来勘探煤矿在开采过程中覆岩电阻率的变化来确定导水裂隙带的发育高度，而其中网络并行电法在传统钻孔电阻率法上进行了优化改进，运用网络并行电法观测覆岩“三带”的效果要比普通电法的效率更好，结果更可靠。文献[66-68]运用瞬变电磁法对覆岩导水裂隙带发育高度进行了观测。朱树来[69]将钻孔和瞬变电磁法相结合，利用数值模拟和现场实测的方法相互对比验证，认为孔中瞬变电磁法比常规瞬变电磁法能更精准地定位覆岩裂隙带的发育特征。陈超等[70]运用EH4法对沁水煤田某工作面覆岩破坏变形程度进行了观测，得到了该地层电阻率的变化过程，得到的导水裂隙带高度与钻孔实测法相比存在一定的误差。

(2)微震监测法。煤矿在开采过程中，覆岩在变形破坏时会伴随微震活动现象[71]，而微震监测技术能通过检波器接收采动使覆岩破坏产生或诱导的微小地震事件，再通过对微震监测结果的反演，据此来研究煤层采动覆岩导水裂隙带的发育高度。文献[72-73]运用微震监测技术对覆岩导水裂隙带的发育高度进行了研究，对所得的数据进行了统计分析，确定了导水裂隙带的发育高度，并且将得到的结果分别与数值模拟和现场实测的结果相对比，结果基本一致。文献[74-77]在常规微震监测上做出了优化和改进，在地面、井下都布置了观测点，形成了井-地联合微震监测技术，提升了在立体方向上的微震垂直监测精度，更加精准地观测覆岩导水裂隙带。

(3)分布式光纤监测法。分布式光纤监测技术是近年来出现的一个新技术，分布式光纤传感技术具有测量范围广、实时分布式监测等特点，可对覆岩内部演化过程进行实时监测。其原理是将光纤预埋入观测地，采动过程中覆岩的变化会引起光纤变形，进而观测光纤物理参数的变化就能感知覆岩的变化[78-79]。将光纤传感技术与通信及计算机技术进行融合，就能形成分布式光纤监测技术，实现对矿井的安全智能监测。文献[80-81]将分布式光纤传感技术应用于相似材料模拟覆岩演化机理及导水裂隙带的发育高度的观测中，认为光纤频移值的变化可以反映上覆岩层的破坏、变形过程，得到了覆岩“两带”的发育高度，为将分布式光纤监测技术应用到现场实测中提供了理论支持。侯公羽等[82]建立了基于布里渊光频域分析(Brillouin optical frequency domain analysis，BOFDA)技术的光纤应变表征“两带”演化过程的力学模型，揭示了光纤应变与岩层变形的关系。最后将BOFDA技术应用到了相似模拟实验中，得到了冒落带和裂隙带的发育高度。张丹等[83]以淮南矿区某工作面为工程背景，将分布式光纤监测技术应用到了采动覆岩的演化规律的研究中，分析所得到的数据后，得到了导水裂隙带的发育高度。

物探法的优点是不需要破坏地质结构，就能很好地监测覆岩导水裂隙带的整个发育过程和演化规律，弥补钻孔实测法的不足。其缺点是工作周期长、工作量大、成本比较高。

3 存在的问题与研究趋势

(1)导水裂隙带是在煤矿采动时覆岩变形、破坏产生的，受到诸多因素的影响，而传统经验公式计算是在特定的条件下总结出来的。而当前对导水裂隙带的模拟预测又大都是集中在某一煤矿，对同一地区或同种地质条件下的煤矿覆岩导水裂隙带的研究分析较少，所以下一步应总结分析出适用于各大地区煤矿地质结构较为相似的经验公式，以便于更加准确地预测导水裂隙带的发育高度。

(2)导水裂隙带的发育受到多种因素的影响，非线性预测法是将覆岩导水裂隙带发育过程中最重要的几个因素提取出来，建立一个模型来预测导水裂隙带的发育高度，对数据有一定要求，而且各个因素的比重也难以准确掌握，都是在理想化的情况下对实际的覆岩演化进行简化，存在一定的局限性。因此在运用该方法时应在大量数据的基础上，根据煤矿的实际情况选择最适合的数学方法来确定各影响因素的权重，建立预测模型。

(3)导水裂隙带是在特定的地理环境中形成的，而力学分析法和模拟法通常是在室内进行的，与现场的实际情况肯定存在一定的偏差。因此在运用这些方法时，应注重地质环境的调研，使预测模型与地质原型要较好的吻合。而且要与其他的定量方法相结合对比，最大限度地减少误差。

(4)钻孔探测法虽然能直接测出覆岩导水裂隙带的高度，但终究只是“一孔之见”，不能有效地得到覆岩导水裂隙带的发育演化过程中的信息。如果覆岩的原生裂隙较为发育时，应在开采前先用钻孔窥视法进行探测，之后再根据现场的实际情况选择井下仰孔分段注水侧漏法或钻孔冲洗液漏失量法进行探测。

(5)虽然物探法能很好地弥补了钻孔探测法的不足，实现了全方位地对覆岩的破坏、变形的演化规律进行探测，各方法但有时探测精度不够，而现在云计算、大数据和第五代移动通信技术(5th generation mobile communication technology，5G)等技术得到了长足的发展，应将物探技术与这些技术相结合，提高煤矿监测的智能化程度，形成高精准、高智能探测技术，对覆岩导水裂隙带的发育高度进行精准观测。

(6)学科交叉融合是当前中国科学技术发展的重大特征，各大高校都在推动学科融合的发展，为培养创新型人才而努力。导水裂隙带的发育与岩石力学、地质学、断裂力学、渗流力学等有关，因此现在必须突破现有的体系，不断引入其他学科的知识应用到导水裂隙带的发育研究中，如可以将水文地质学、流体力学、工程岩土学、弹塑性力学相结合研究导水裂隙带的发育机理。

(7)越来越多的先进设备和理论方法被应用于导水裂隙带发育高度的研究中，选择最合适的理论分析、数值与物理模拟、现场实测的方法，将其相互结合、相互补充，综合确定导水裂隙带的发育高度是未来的发展趋势。

(8)导水裂隙带的发育高度研究对煤矿采空区安全开采有着极为重要的意义，虽然中国对其的研究已经有了里程碑的进步，但是随着煤矿的开采，矿井的地质构造将更加复杂，因此应不断发展新理论、新方法、新技术来观测导水裂隙带的发育高度。