板集煤矿导水裂隙带发育高度研究

2024-02-20白林杨李迎富

中国矿业 2024年1期

白林杨，李迎富，孔朋

（安徽理工大学矿业工程学院，安徽淮南 232001）

0 引言

虽然在“双碳”背景下我国未来煤炭的需求量与供应量会逐步减少，但是目前以及将来很长一段时间内煤炭都是我国的主要能源[1-2]。然而，在煤层开采过程中时常会有水害问题发生，仅2000—2017年我国就发生了一千多起煤矿水害事故，超过四千人遇难[3]，给我国能源安全与工人生命财产都带来极大隐患[4-5]，因此亟需重视水害防治工作。而通过物探、模拟等手段对导水裂隙带进行判查是防治水害常用的重要手段。

目前，国内外诸多超前探测方法对含水地质异常体、采空区、覆岩构造等地质探测都取得了良好效果，并且积累了大量经验[6-11]。袁亮等[12]通过分析电法等井下综合物探技术，对其不同探测方法的适用地质任务做出细致的分类。吴荣新等[13]对并行电法进行了改良，通过双巷并行的方式对工作面底板富水区进行更加精确的探测。徐磊等[14]通过对顶板“三带”发育情况进行研究，发现顶板的岩体垮落在视电阻率观测中体现一定滞后性与周期性。

板集煤矿5 煤层上方约1.6 m 和75 m 处有含水层，回采活动导致顶板形成的导水裂隙带可能会将其联通，对井下工人生命财产造成水害威胁，影响5煤层开采上限的提高，因此，需要对其工作面导水裂隙带发育情况进行探测。针对板集煤矿井下环境与生产特点，确定在110504 工作面采用网络并行电法进行实测，与经验公式和数值模拟相结合，从而得到较为准确的数据，为煤矿防治水工作提供可靠的数据参考。

1 工程背景和计算方法

1.1 工程背景

板集煤矿110504 工作面位于板集煤矿东一采区5 煤层首采工作面，该工作面东起采区北翼大巷保护煤柱线，西至110504 工作面切眼，其工作面轨道顺槽北侧120～272 m 处于东西走向，可采走向长度889 m，倾向宽262 m，平均煤厚6.1 m，属于厚煤层，设计采高4 m，采用走向长壁式退后综合机械化开采，全部冒落法管理顶板。煤层倾角0°～10°，平均倾角6°。5 煤层直接顶为泥岩，平均厚度0.43 m，泥质结构，性脆。基本顶为粉细砂岩，主要矿物为石英、长石、夹薄层泥岩，并构成互层状，平均厚度8.99 m。

110504 工作面顶板水害产生的主要因素如下所述。①砂质泥岩顶板与中砂岩底板之间裂隙含水层在掘进时导水裂隙带不会波及到该含水层，正常情况下该含水层水不会影响到110504 工作面。但是工作面范围内部分断层错断了11-2 煤层顶板至5 煤层顶板砂岩，存在砂岩水通过断层、裂隙向工作面充水的可能。②5 煤层顶板砂岩含水层是工作面开采的直接充水水源，在5 煤层顶板向上0～3.14 m，平均厚度1.6 m 处发育的一层砂岩局部富水，该含水层厚度4.4～11.2 m，平均厚度9.0 m，岩性以细砂岩为主，上部粒度较细，下部夹有薄层砂质泥岩，具有植物化石碎片。2008 年9 月，主胶带机石门（JD13+36 m）掘进过程中通过锚索、锚杆及砂岩裂隙通道出水，初始最大涌水量约5.0 m3/h，后很快降低至1.0 m3/h，说明该含水层为静储量型，易衰干，但不排除存在局部区域富水的可能性。③JXDF26 断层和BF37 断层三维地震精细解释已控制，巷道揭露断层时可能会出现滴、淋水现象。根据现有地质资料、水文资料分析，断层不含（导）水，对巷道掘进施工影响较小，不排除巷道过断层期间导通其他含水层的可能，因此，在揭露断层前要超前探查断层含（导）水性。通过分析确定采用缓倾斜煤层中硬顶板经验公式进行预估计算，岩层柱状图如图1 所示。

图1 岩层柱状图Fig.1 Histogram of rock stratum

1.2 经验公式计算

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》所提出的中缓倾斜煤层中硬岩层垮落带及裂缝带最大高度计算公式进行计算，其中，式（1）为垮落带高度计算公式，式（2）为裂缝带高度计算公式。

式中：Hi为垮落带高度；Ht为裂缝带高度；ΣM为煤层平均厚度，ΣM=4 m。

110504 工作面5 煤层采高取4 m，根据式（1）和式（2）计算出垮落带高度为8.38～12.78 m，裂缝带高度为34.40～45.60 m。

2 数值模拟

2.1 UDEC 模拟软件

UDEC（Universal Distinct Element Code）是一种基于离散单元法理论的模拟软件，诸多学者总结了该软件适合岩土研究的七种材料本构模型，以及五种节理本构模型[15-16]。该软件对于处理非连续介质问题具有明显优势，尤其是关于固体介质在荷载作用下破坏过程的模拟研究。本模型中采用Mohr-Coulomb准则描述块体变形破坏的过程。体变形破坏的过程。

2.2 模型建立

为模拟回采后采空区上方“两带”高度发育情况，采用UDEC 7.0 软件建立出简化模型，长度400 m，高度120 m，煤层埋深800 m，计算得出未模拟岩层的等效载荷17 MPa 施加于模型顶板上，煤层模拟开挖300 m。将左右两侧施加水平位移约束，底板设置为全约束边界，模型上部定义为自由边界，5 煤层平均高度6.1 m，采煤机切割至煤层顶部留2.1 m 在底板上，模型中开采煤层设为4 m，保留2 m 煤层在模型底部。

2.3 力学模型及参数设定

定义材料变形破坏遵循Mohr-Coulomb 屈服准则，根据板集煤矿地勘报告得出岩石力学物理参数，见表1。根据110504 工作面岩层厚度，对模型岩层进行简化，将小于0.5 m 的岩层进行合并，设计模型共14 层，数值模拟初始平衡模型如图2 所示。

表1 模型物理参数Table 1 Physical and mechanical parameters of the model

2.4 数值模拟结果分析

由于工作面向前推进，采空区的应力平衡被打破，应力开始重新分布引起了上覆岩层的移动、变形以及破坏，从而产生了“上三带”，推进过程如图3 所示。由图3（a）可知，当工作面尚未推进，煤层尚未开采时，上覆岩层不发生改变，此时垮落带与裂缝带高度都为0 m；由图3（b）可知，当工作面推进至50 m 时，煤层上方直接顶及围岩开始发生破坏，砂质泥岩层开始垮落，与基本顶之间产生明显离层，导水裂隙带开始向深部发育；由图3（c）可知，当工作面推进至70 m 时，直接顶已经开始完全垮落，而基本顶部分垮落，基本顶上方裂缝逐渐向更深部发育，此时导水裂隙带高度几乎全为垮落带高度，约为15 m；由图3（d）可知，当工作面推进至140 m 时，采空区上覆岩层进一步垮落，并逐渐压实采空区，上方形成了明显的垮落带与裂缝带区域，粉细砂岩层出现了明显离层下沉现象，导水裂隙带进一步发育，此时垮落带发育高度约为19 m，裂缝带约为5 m，导水裂隙带高度约为24 m，导水裂隙带发育已超过5 煤层顶板的含水层最大高度；由图3（e）可知，当工作面推进至190 m 时，5煤层开采完成且岩层垮落稳定后，裂缝带发育至粉细砂岩上部，未到达泥岩，形成的垮落带高度约为23 m，形成的裂缝带高度约为43 m，导水裂隙带高度约为66 m；由图3（f）可知，当5 煤层全部开采完毕后，粉细砂岩内部裂隙进一步增大，导水裂隙带高度不再向上发育，维持在66 m 高度，与经验公式结果基本吻合。

图3 数值模拟结果Fig.3 Results of numerical simulation

对比这六个导水裂隙带发育阶段可知，随着5煤层不断向前开采，采空区不断被垮落岩层压实，上覆岩层也产生明显的弯曲下沉现象，垮落带在140 m后发育情况减缓，但随着工作面推进至190 m 时，裂缝带在泥岩上层发育，且出现明显分层现象，尚未导通砂质泥岩顶板与中砂岩底板间的含水层。而随着工作面推进，导水裂隙带高度不再继续增大，可以判断出工作面推进至190 m 时达到充分采动，且导水裂隙带最大高度为66 m。

3 网络并行电法

网络并行电法解决了直流电法仪的串行采集难题，且实现了远程、实时、动态监控等功能[17]。网络并行电法使用的仪器为并行电法仪，该仪器与其他方法最大不同点在于可以对任意一个电极单独供电，并对其他所有的电极点位同时进行测量，能够清晰地反映一次供电场电位以及探测区域的自然电位变化，信息采集速率比高密度电法仪的传统测量方式大大提高，是目前国内主要的电法探测手段。该方法主要分为针对单点电源场测试的AM 法与针对两个异性点电源场的ABM 法[18-20]，本次研究采用AM 法。

3.1 钻孔布置

结合110504 工作面巷道以及钻孔附近完整性与经验公式计算结果，进行钻孔布置（图4）。由图4 可知，1＃孔为仰角30°，斜长100 m，控制推进方向平距86.6 m，控制垂高为50 m，电极数48，电极间距2 m；2＃孔为仰角45°，斜长120 m，控制推进方向平距84.9 m，控制垂高煤层顶板84.9 m，电极数48，电极间距2.5 m。

图4 观测钻孔轨迹及地质剖面图Fig.4 Observation of borehole trajectory and geological section

3.2 1#孔监测数据分析

1#孔视电阻率情况如图5 所示。图5（a）为工作面距离孔口230 m 视电阻率，工作面开采对钻孔控制范围内岩层的影响较低，结果可以作为整个探测的背景结果，后期探测结果可以与该结果进行对比分析，从而判断顶板覆岩破坏特征。由图5（a）可知，钻孔控制范围内岩层视电阻率整体阻值较低，大部分分布范围为100～300 Ω·m，其中，泥岩与砂质泥岩附近整体视电阻率相对较高，整体视电阻率特征符合煤系地层视电阻率值特征，表明整体探测结果可信。图5（b）为回采工作面距离孔口111 m 位置时电阻率图。由图5（b）可知，成果剖面图中在砂质泥岩（标高30 m 左右）部分区域视电阻率值开始出现升高，表明受采动应力超前影响，部分区域岩层开始破裂。该高阻区域距离回采工作面水平距离约57 m，即最大超前影响距为57 m。图5（c）为回采工作面已开始进入1#孔测线下方时的视电阻率。由图5（c）可知，此时工作面距离监测孔口48 m，随着工作面的回采，1#孔控制范围内大部分岩层的受采动影响也逐步增大，视电阻率值普遍增高，岩层视电阻率值分布范围为600 Ω·m 左右。图5（d）表示监测段回采已基本结束的视电阻率。由图5（d）可知，此时孔口位置到工作面11 m，随着工作面的回采，采空区上方岩体破坏明显。其中，煤层顶板垂高27 m 以下区域高阻比较集中，分布较广，说明在采空区形成一定步距后，顶板近煤层受应力集中破坏严重，垮落带充分发育，顶部岩体产生较大位移。垂高27 m 以上区域高电阻率值分布不均匀，为导水裂隙带发育特征。

图5 1#孔视电阻率结果Fig.5 Apparent resistivity results of hole 1#

根据垮落带高度确定依据：当岩层视电阻率值是背景视电阻率值的4 倍，且区域高阻比较集中时，可判断为垮落带，垮落带视电阻率分布区间是背景值的4～6 倍。监测周期内，1#孔控制高度在27 m 以下范围岩层视电阻率背景值为150 Ω·m 左右，经开采垮落后部分区域视电阻率值变为700 Ω·m，增高幅度为背景视电阻率值的5 倍左右，达到垮落带判定标准，由此判断监测周期内1#孔控制范围内煤层顶板垮落带发育高度为27 m。

3.3 2#号孔监测数据分析

2#孔视电阻率如图6 所示。图6（a）为回采工作面距离2#孔口144.0 m 视电阻率，工作面开采对钻孔控制范围内岩层的影响较低，可以作为整个探测的背景结果。由图6（a）可知，钻孔控制范围内岩层视电阻率整体阻值较低，大部分分布范围为100～300 Ω·m，其中，砂质泥岩（标高60 m）附近整体视电阻率相对较高，整体视电阻率特征符合煤系地层视电阻率值特征，表明整体探测结果可信。图6（b）为回采工作面距离孔口105.3 m 位置时的视电阻率。由图6（b）可知，钻孔顶部视电阻率值有所降低，分析认为该处层间横向裂隙发育完成并出现一定程度的闭合，使得视电阻率值降低。从观测剖面中可以看出，随着工作面回采位置的推进，高阻区范围和电阻率值逐渐增大，表明煤层顶板岩体产生明显破坏。图6（c）为推进至35.5 m 位置时视电阻率。由图6（c）可知，回采工作面开始进入测线观测范围内，顶板上方及前方岩体裂隙继续发育。其中，部分区域电阻率值升高到650 Ω·m 以上，观测范围内已开始出现电阻率分带现象。同时受采动应力影响，钻孔顶部岩层裂隙逐渐形成上下相连特征，高阻特征逐渐向下发育，表明裂隙向下发育，导水裂隙带逐渐形成。在竖向裂隙发育的同时，层间横向裂隙发生二次发育现象，使得钻孔顶部较高视电阻率值范围扩大。同时，钻孔下部岩层视电阻率值大范围区域阻值升高，表明受采空影响，底部岩层逐渐垮落，形成垮落带。图6（d）为回采工作面到孔口距离14.5 m 的视电阻率。由图6（d）可知，观测段已基本回采完毕。煤层顶板绝大部分岩层位于采空区上方，此时整个观测剖面主要为高电阻率值分布，部分区域电阻率值显著升高到750 Ω·m 左右，电阻率值呈现明显的竖直条带状分带现象。其中，垂向裂隙发育导致的视电阻率值条块状特征明显，反应岩层在离层发育后其垂向裂隙不断发育导致岩层破坏，从而形成导水裂隙带。

本次电法监测过程中两个监测孔共采集数据28 次，其中，9 月17 日、9 月23 日、9 月25 日三次数据因现场无穷远、B 极被破坏造成数据无效；10 月4 日，因井下支护造成线缆断裂，使得该日数据缺少；10 月7 日，钻孔内电极电流基本在10 mA 以下，数据可靠性差；10 月8 日，因孔中大部分电极已被破坏造成数据无效。因此，数据处理与分析过程中选取了22 次有效数据进行成图，并选取其中有代表性的四个时间结点展开论述，有效地获取了工作面回采过程中顶板钻孔监测区域内的煤岩层视电阻率的变化趋势及特征。

从图6 中可以看出，距孔口14.5 m 时钻孔顶部岩层经下部岩层垮落影响，逐步形成导水裂隙带，最大发育高度在煤层顶板上方73 m 位置。在73 m 上方岩层的横向层间裂隙逐渐闭合，视电阻率值表现出一定程度的降低，阻值在400 Ω·m 左右，该处背景视电阻率值在300 Ω·m 左右，视电阻率增幅约为1.3倍。65～73 m 范围内岩层视电阻率值分布在600～750 Ω·m 范围，并向下有一定程度的延伸发育，其中，73 m 位置视电阻率值达到600 Ω·m，是该处背景视电阻率值300 Ω·m 的2 倍，符合导水裂隙带视电阻率值是背景值2 倍的判定标准，因此，判定导水裂隙带最大发育高度为73 m。

在2#孔测线下部高阻区比较集中，表明在采空区形成一定步距后，应力集中破坏程度高，顶板近煤层岩体冒落，垮落带发育充分，顶部岩体位移量较大，裂隙区进一步发育。煤层顶板上方0～27 m 范围内高视电阻率值分布最广，大部分区域视电阻率值在700 Ω·m 左右，视电阻率值增幅约为背景值的5 倍，为垮落带特征。

由图5 可知，工作面距离孔口111 m 时，距离回采工作面水平距离约57 m 处电阻率值开始升高；由图6 可知，工作面距离孔口105.3 m 时，距离回采工作面水平距离约58 m 处电阻率值开始升高。综合得出该监测区域内5 煤层采动应力超前影响距最大为58 m，裂缝角为69.62°。综上，110504 工作面垮落带最大发育高度为27 m，裂缝带最大发育高度为46 m，导水裂隙带最大发育高度为73 m。