潘谢矿区综采面覆岩运动导水裂隙带发育特征研究

谢晓添，高明中

(1.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大学 研究生处，安徽 淮南 232001)

开采实践表明，地下煤层的采出必将改变上覆岩体的原岩应力场，从而造成上覆岩层的一系列破坏与运动，形成采动空间，在垂直方向上形成垮落带及裂隙带，两者合起来称为导水裂隙带[1]，也称为“两带”。准确判定顶板采动破坏高度及其发育特征对矿井采场合理布置、瓦斯抽采及水害防治等具有重要的指导意义[2]。

1 工作面概况

1622(3)工作面走向长1419～1421m，倾斜长114～234m，工作面对应的基岩面标高为-427～-438m，工作面标高为-500～-598m。该面13-1煤厚0.1～5.0m，观测范围采高为3.3～4.1m，平均3.9m，煤岩层总体呈单斜状，北高南低，赋存稳定，煤(岩)层产状180～220°∠2～15°，平均7°，工作面长度240m，其直接顶由泥岩、煤线及13-2煤组成的复合顶板，老顶为均厚为10.6m的细砂岩，局部裂隙发育，连通性及富水性弱，13-1煤层顶板砂岩裂隙含水层为该面主要充水因素，主要以滴淋水形式进入工作面，预计对回采有一定影响。笔者采用经验公式计算预测，数值模拟演算及现场实测三种方法，研究了该面回采后覆岩运动两带高度发育的特征，为提高开采上限提供一定参考。

2 覆岩运动导水裂隙带高度的理论计算及预测

当煤层顶板覆岩为坚硬(40～80MPa)、中硬(20～40MPa)、软弱(10～20MPa)、极软弱(<10MPa)岩层或其互层时，厚煤层分层开采的垮落带和断裂带最大高度计算公式见表1[5], 1622(3)工作面所在煤层顶板覆岩多由细砂岩、砂质泥岩组成，其中细砂岩又占一半以上比例，所以可以将上覆岩层看作中硬岩层，由以下表1中的序列2中的中硬岩层裂隙带高度计算公式可得Hli=34.03～49.50m(煤层均厚∑M取3.9)。

表1 厚煤层分层开采时裂隙带高度计算公式

注：∑M是累计采厚；公式应用范围为单层采厚1～3m，累计采厚不超过15m；

3 数值模拟演算

本文中数值模拟演算主要通过Matlab软件对有关公式、数据进行曲线拟合，从而对经验公式进行了归纳和改进，得到符合本矿区的导水裂隙带计算公式。

3.1 曲线拟合原理

曲线拟合指设法找出某条光滑的曲线，能最佳地拟合数据[3]，其核心是采用最小二乘法。得到的拟合曲线应能切实实际，最大限度反映这些数据点的真实变化趋势。

3.2 导水裂隙带高度的通用计算表达式

式中：∑M为累计采高，m； A为与覆岩硬度相关的系数，m-1；B为与覆岩硬度相关的系数系数，无量纲； C为在实际计算中的误差，m。

3.3 对导水裂隙带高度与覆岩硬度间函数关系的回归拟合

影响上覆岩层 “两带”发育高度的因素包括累计采厚、覆岩硬度、采空区面积、顶板管理方法、煤层赋存状态等[5]，其中煤层累计采厚和覆岩硬度起到关键影响作用。设上覆岩层单轴抗压强度为R，对极软弱、软弱、中硬、坚硬岩层的R值分别取5、15、30、60MPa。由表1的各Hli表达式可得到其对应的A、B、C值，具体对应关系见表2：

表2 R与A、B、C的对应关系

本文使用数值分析软件Matlab对上表中的数据进行回归拟合。从散点的分布规律可以看出，A、B、C随R的变化具有较强规律性，其中A与R之间的曲线近似指数函数关系；B与R之间近似三次函数关系；C与R之间则近似一次函数关系；所以依次使用相应的函数对其进行回归拟合，得到如图1所示的函数曲线关系，同时得出A、B、C的函数表达式：

A= (-3.04e-005)R3+0.00512R2-

0.283R+6.29

(2)

7.03exp(-0.234R)+6.41exp(-0.0194R)

(3)

C= 0.108R+ 2.41

(4)

图1 A、B、C与R的关系曲线

岩层厚度/m弹性模量/GPa抗压强度/MPa砂质泥岩14.71.917.4细砂岩9.53.743.3砂质泥岩9.22.615.7细砂岩10.63.342.713-2煤1.01.224.1泥岩0.91.510.8煤0.51.224.3泥岩1.31.510.8

其中，mi为i层法线厚度，m；Ri为i层的单向抗压强度，MPa；k为计算范围内分层层数。

4 现场实测概况

为探明1622(3)工作面13-1煤层开采后的导水裂隙带发育特征，采用并行电法在1622(3)工作面实施现场探测，图2为裂高观测钻孔系统及其地质剖面图。在轨顺的高位钻场施工2个“两带”电法监测系统，见图3。在钻孔中布置电极，进行数据采集，根据钻孔-钻孔电法反演电阻率成像，来分析顶板覆岩破坏变化规律。

图2 裂高观测钻孔系统及其地质剖面图

4.1 试验中的并行电法概述

并行电法是基于高密度电法发展起来的直流电法数据采集方式，该系统由PC机、测量主机、电极阵列和电缆系统组成[6]。目前使用的并行电法仪器一般有64道电极。并行电法在数据采样过程中实现了并行采集的方式，即任意一对电极供电时，其余所有电极同步采集电位变化情况[7]，期间没有电极闲置，比传统的串行采集方式提高了工作效率与所获电法图像的真实可靠性。并行电法的基础是静电场理论，具有两种采集数据方式：AM法和ABM法。本次试验采用AM法，将电法测线布设在煤层顶板的预设钻孔中，探测前在轨顺沿背离工作面方向布置2根无穷远线(线长一般在200～300m以上)分别作供电电极B极和公共N极，后者为参照电位，探测过程中布置在测线上某个电极(A极)供电，其他电极(M极)同时采集动态电势变化，在一定观测周期内使用电法仪对不同位置、标高的电势变化进行现场观测，对采集数据进行解编、高分辨地电阻率法反演获得地层电阻率值和分布情况，最后归纳给出客观的覆岩运动“两带”高度发育特征地质解释。

4.2 覆岩破坏电阻率变化规律概述

原始应力状态下，煤系地层中黏土岩、泥岩、页岩类岩石电阻率为1至十几欧姆米，砂岩电阻率在数十至数千欧姆米，煤层的电阻率也为数十至数千欧姆米[8]。随着煤层的开采过程，其上覆岩层运动，发育产生垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。垮落带在煤层开采后形成的松散岩石块体，进而被压实，其电阻率值会大大增加至正常值4～5倍以上；裂隙带中，靠近下部受采动应力影响较大，岩体裂隙较为发育，致使其电阻率值约为正常值的2～3倍；而对于裂隙发育程度相对较弱的上部，电阻率仅值略微上升至正常值的1～2倍；弯曲下沉带内，岩体受采动影响微弱，电阻率变化相对很小；据此，便为覆岩运动产生的“两带”划分提供了物理依据。

4.3 现场实测

如图3所示，本次并行电法探测试验在轨顺进行，1#孔布置64个电极，电极间距1.8m；2#孔布置64个电极，电极间距1.2m。2013年5月8日，现场电极安装完毕，连接两孔中电极连接线，布置电极电位参照点(无穷远B极和N极)；22日，开始测量背景电阻率值，工作面距孔口位置229.9m，工作面已生产回采距离572.3m。6月8日至18日，工作面回采距监测孔端67.1至17.7m，开始进行覆岩破坏孔动态观测采集电极电流值及电阻率值； 6月21至7月11日，工作面回采距钻孔孔口9.8m，最后一次采集数据，试验所在钻场开始进行充填处理，试验周期内共采集电法数据23天。从远离裂高孔控制范围的对背景电阻率值的采集，到裂高孔控制范围内岩层受采动影响，期间电极电性变化显著，结合前述覆岩运动“两带”划分的物理依据即可对本次试验覆岩破坏规律进行解释。

图3 钻孔电极布置图

4.4 双孔电法探测岩层电阻率背景

以下图例反映了钻孔控制平距投影内电阻率动态变化，图4为探测系统2013-5-22反演生成的电阻率结果图，由于回采工作面远离探测系统150m以外，因此采动应力对该范围几乎无影响，为岩层背景电阻率值。钻孔间岩层电阻率值大体上不超过40Ω·m，反映了正常岩层的背景电阻率值，其中垂高50m以上的电阻率值偏低，主要受泥质岩层的影响。

4.4 探测并分析电阻率动态变化

图5到图11为2013年6月21日至7月11日的双孔电法透视电阻率结果变化图，到6月21日已回采到孔口距离114.6m，控制范围内局部电阻率值有所升高，表明采动应力已超前影响至该区域范围内电极。

图4 孔巷电法透视2013-5-22电阻率结果图

图5 钻孔探测2013-6-26电极电阻率值成像结果图

图6 钻孔探测2013-7-2电极电阻率值成像结果图

图7 钻孔探测2013-7-4电极电阻率值成像结果图

图8 钻孔探测2013-7-6电极电阻率值成像结果图

图9 钻孔探测2013-7-8电极电阻率值成像结果图

图10 钻孔探测2013-7-10电极电阻率值成像结果图

图11 钻孔探测2013-7-11电极电阻率值成像结果图

7月2日工作面距孔口距离54.4m，控制范围内电阻率值较前几日普遍有所升高，相当一部分已达170Ω·m左右。次日工作面距孔口距离48.8m，范围内电阻率值普遍升高到超过200Ω·m，即已经出现了初步电阻率分带现象。

7月4日至11日，工作面距孔口距离44.1～9.8m，经过数日的采动影响，控制范围内电阻率值范围内电阻率值变化更加明显，均升高到200Ω·m以上，此时可观察到电阻率出现了可视化的明显分层现象，可据此对“两带”进行明确判断，其中垂高10m以下电阻率值最高； 10～32m区域内电阻率分布高低不均，说明裂隙带上下部发育不均衡；垂高50m以上电阻率值普遍有明显降低，推测是弯曲下沉带。

综合考虑上述电阻率值变化规律，扣除煤层产状抬升的4m高度，可以大体判断垮落带和导水裂隙带高度分别约为10、50m；50m高度以上为弯曲下沉带范围。

4.5 “导水裂隙带”探测结果分析

1) 电阻率反演给出的“垮落带”的高度为10m，考虑到13-1煤顶板11m为细砂岩和砂质泥岩界面位置，而“垮落带”发育的高度往往在岩性界面处，因此，“垮落带”的高度确定为12m。该范围最后几天反演电阻率值达200～240Ω·m以上，而几乎未受采动影响下的背景电阻率值通常为100Ω·m以下，二者电阻率值对比结果符合“垮落带”电性特征；

2) “导水裂缝带”的高度为50m，位于细砂岩层内，该范围反演电阻率值达150～200Ω·m以上，约为背景电阻率值1.5～2倍，符合相关“导水裂隙带”电性特征；

本工作面裂高测试钻孔控制段采高采厚M约为3.9m，钻孔探测系统控制范围内主要为砂岩类地层。综上分析，对于本次煤层开采覆岩发育的“两带”高度探测：垮落带高度约为12m，在细砂岩和砂质泥岩界面处；导水裂隙带高度累计约为50m，在细砂岩层内。本工作面裂高探测区平均采厚为3.9m，垮高/采厚比为3.08，裂高/采厚比为12.8。

5 结论

1) 三种方法的结论有较大差别，综合考虑煤层赋存条件及三种方法的特性区别，最终确定该工作面上覆岩层导水裂隙带高度为50m，数值计算和现场试验所得结果相近且较为合理，其中数值拟合计算为导水裂隙带范围的确定提供了科学的理论支撑。经验公式预测法所得结果偏小，可考虑对其进行适当调整。

2) 本文通过Matlab数值模拟方法对经验公式进行了归纳改进，得出了符合本矿区地质条件的导水裂隙带计算公式，结合覆岩岩性得到了比原公式切合实际的结论。

3) 该研究获得的导水裂隙带高度发育特征，可为本矿区相近地质条件下的提高开采上限、合理留设防水柱等提供参考。

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