回采面导水裂隙带发育高度与富水性探测分析

张小健

（山西阳城阳泰集团伏岩煤业有限公司，山西 阳城 048105）

1 工程概况

山西阳城阳泰集团伏岩煤业有限责任公司3203工作面位于3#煤层二采区，工作面走向长度为886 m，倾斜长度为209 m，位于二采区大巷西侧，南邻3202采空区，北面为实体煤，东邻二采区大巷。3#煤层厚度均厚为4.8 m，平均倾角为4°，煤层顶板为粉砂质泥岩和细粒砂岩，底板为炭质泥岩和粉砂质泥岩，具体煤层顶底板岩层特征见表1。

3203工作面含水层自下而上为：奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层，石炭系上统太原组灰岩砂岩裂隙岩溶含水层，二叠系上、下统石盒子组及山西组砂岩裂隙含水层。根据工作面地质资料可知，其中对3#煤层开采产生主要影响的为奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层，该含水层与3#煤层间的距离在35～46 m的范围内。工作面回采至750 m的位置处会受到F1断层的影响，断层为正断层，走向NE-SW，倾向NW，倾角为75°，落差为6 m，延长长度为260 m，为防止断层区域回采作业使得工作面与顶板砂岩水贯通，需对回采时导水裂隙带的高度进行分析，同时对工作面顶板的砂岩裂隙水的富水性进行有效评价分析。

表1 3#煤层顶底板岩层特征

2 导水裂隙带高度分析

2.1 理论计算分析

在工作面进行回采作业时，随着开采作业的进行，顶板岩层会出现逐渐垮落的现象，进而在顶板形成“三带”，即为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。导水裂隙带即为裂隙带的一部分，导水裂隙带的发育高度主要受到顶板岩性组合、煤层厚度、工作面走向和倾斜长度、顶板硬岩比例和推进速度等因素的影响。由于导水裂隙带的影响因素众多，故选取相对重要因素进行分析，现在考虑工作面长度、硬岩岩性比例、煤层厚度和工作面推进速度等影响因素下进行导水裂隙带的分析［1-2］，具体计算公式如下：

式中：Hf为导水裂隙带的高度；b为工作面区域顶板硬岩的比例系数；s为工作面的采深；l为工作面的斜长；v为工作面的推进速度；M为煤层的厚度；根据3203工作面的具体地质条件，各项参数分别取l=209 m，v=5.4 m/d，M=4.8 m，b=0.34，s=450 m，基于上述数据能够计算得出Hf=52.6 m，即得出工作面导水裂隙带的高度约为52.6 m。

2.2 数值模拟分析

为进一步准确分析3203工作面导水裂隙带的发育高度，现采用UDEC数值模拟软件，结合3203工作面的地质资料，结合F1断层的特征，建立断层破碎带的区域的模拟模型，模型长度×高度=350 m×200 m，设置断层的落差为6 m，在模型左侧预留75 m的煤柱，固定模型两侧边和底边的位移，在模型上方施加上覆岩层的载荷，模型初始地应力平衡后，进行工作面推进通过断层破碎带区域的模拟分析［3-4］。根据数值模拟结果能够得出，工作面距离断层不同距离时顶底板岩层的应力等值线图，具体以工作面距断层30 m和0 m，以及推过断层40 m和80 m时的应力等值线图进行具体分析。

图1 3203工作面距断层不同距离时应力等值线分布

通过具体分析图1可知，当工作面回采至距离断层30 m位置时，此时在工作面采空区中心位置的正上方位置处的顶板岩层局部出现拉应力现象，进而使得顶板岩层内的软弱结构面出现拉伸破坏现象，从而出现导水裂隙；当工作面推进至断层的位置处时，此时在断层带的内部出现拉应力现象，其内部拉应力的分布高度约为80 m，同时在工作面前方煤体的断层上盘处出现了应力集中现象，即表明在工作面回采推进通过断层时，断层下盘的开采会对前方断层上盘未开采的煤岩体产生一定的影响；随着工作面回采作业的进行，工作面推进通过断层区域，在推进通过断层40 m时，断层软弱岩体出现拉伸破坏，此时的导水裂隙带的发育高度为95 m，达到最大值；当工作面推进通过断层80 m时，此时断层破碎带区域导水裂隙带的发育高度相对减小，降为70 m；另外根据数值模拟结果可知，随着工作面的进一步推进，当工作面推进通过断层130 m时，此时断层裂隙带内拉应力已经完全回落，裂隙带的发育高度基本达到稳定状态，为62 m。

综合上述理论分析与数值模拟结果可知，3203工作面在推进正常区域时，顶板导水裂隙带的发育高度约在52.6～60 m的范围内，当工作面推进通过F1断层区域时，导水裂隙带的发育高度在推进通过断层40 m的位置处，导水裂隙带达到最大值为95 m，通过断层130 m后，导水裂隙带的发育高度达到稳定，约为62 m。

3 富水性探测分析

3.1 探测方案

为有效分析3203工作面顶板裂隙带的富水性，现采用瞬变电磁技术进行富水性的探测与圈定［5-6］，瞬变电磁的测线布置在3203工作面进风巷和回风巷内，设置瞬变电磁探测点的间距为10 m，在两条回采巷道内各设置顶板15°、30°和45°3个不同的探测方向，每条巷道内布置84个测点，具体探测方案见图2。

在进行探测作业时，采用由点到线，由线到面的方式的作业方式，瞬变电磁的解释原则采用由简单到复杂的方式，探测作业现场实测结束后，先进行电感校正和曲线偏移作业，随后对一次电磁场和干扰信号进行剔除作业，最终形成探测成果见图2。

图2 3203工作面瞬变电磁探测作业

3.2 结果分析

3203工作面进风巷的瞬变电磁探测作业从工作面开切眼进行，至停采线终止，测点之间的间距为10 m，根据瞬变电磁的探测结果，能够得出进风巷顶板富水性的视电阻率等值线见图3。

图3 3203工作面进风巷视电阻率等值线图

通过具体图3可知，3203工作面进风巷区域顶板在不同的探测角度下，其浅部岩体的电阻率均表现为较低的水平，并且在岩层水平方向上其视电阻的电性表现为较好的连续性，浅部岩层表现为相对低阻的反应，这即可解释为在进风巷顶板区域的浅部岩层内裂隙较为发育，具有一定的富水性，随着探测深度的不断增大，其视电阻率逐渐表现为高阻反应，其电阻率逐渐增加，即可解释为该部分岩体内部的导水裂隙较少，该区域岩体的富水性较弱。

3203工作面回风巷内的瞬变电磁探测作业同样在开切眼和停采线区域内进行，根据探测结果能够得出回风巷视电阻率等值线见图4。

图4 3203工作面回风巷视电阻率等值线图

通过具体分析图4可知，在探测角度为15°时，此时顶板岩层在整体上表现为电阻率较高的现象，在局部区域表现为线性圈闭，即表明该区域顶板裂隙可能发育但是富水性相对较弱；在探测角度为30°时，此时探测区域内的低阻范围明显增大，图中的视电阻率表现为明显的减小现象，该部分探测区域接近山西组砂岩裂隙含水层，该区域导水裂隙相对较为发育，且与含水层存在着一定的水力联系；在探测角度为45°时，随着顶板探测高度的进一步增大，视电阻率表现为逐渐增大的现象，即代表着顶板导水裂隙的逐渐减少，该区域与上部的水力联系逐渐减弱。

另外综合瞬变电磁视电阻率的等值线的平面图能够得出，在工作面顶板30 m范围内的视电阻率较低，存在一定的富水性，且岩层横向间具有一定的连通性，但该区域的富水性较弱，在工作面区域顶板40～70 m的范围内，裂隙较为发育，顶板由于接近山西组砂岩含水层，该区域富水性较强，导水裂隙与含水层间存在着一定的水力联系；另外根据探测结果可知，3203工作面的富水区域主要集中在回风巷附近。

4 结语

根据3203工作面地质条件，通过理论和模拟分析确定出工作面正常区域顶板导水裂隙带的发育高度约在52.6～60 m的范围内，通过F1断层区域时，导水裂隙带的最大发育高度约为95 m，通过对顶板采用瞬变电磁探测得出，工作面区域顶板0～30 m范围，富水性较弱，顶板40～70 m的范围内，裂隙较为发育，该区域富水性较强，分析结果对3203工作面的开采作业具有一定的指导意义。