承压水带压开采影响下底板破坏深度勘测

韩 鎏，刘 岩

（1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014；2.山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014）

引言

煤炭资源在我国能源结构中占有较大的比例，但是在煤炭的开采过程中会面临着矿井水害的影响，尤其是底板承压突水危害较为严重[1]。从有关资料统计来看，从2010年开始直到现在，我国累计出现矿井突水的煤矿有300多个，造成直接财产损失高达数十亿元[2-4]。对于底板突水的研究，学者们多从是理论推导、现场实测和数值模拟的角度研究工作面开采之后煤层底板的裂隙发育、破坏范围等，都取得了较为显著的成果[5-7]。其中，由于地球物理探测方法有操作方便、费用较少、结果显示较快、携带便捷和可选择面广的特点，所以在实践过程中运用较为广泛，探测方法包括电阻率法、岩体声波探测法、微震监测法和CT法等。综合背景煤矿和工作面的情况，笔者选择采用岩体声波探测法进行研究，这对于掌握承压水带压开采影响下底板破坏规律，及时采取预防措施，丰富矿井防治水理论与技术，对于煤矿的安全生产具有极为重要的意义。

1 工作面概况及探测方案

1.1 工作面该概况

某矿61205工作面长度为1 480 m，煤层层位稳定，结构简单，煤层倾角8°~18°，平均煤厚为5.5 m，可采地质储量是33万t。煤层底板的隔水层岩性由泥岩和砂岩构成，部分位置的砂岩直接位于奥灰含水层之上。隔水层厚度为30~75.6 m，平均厚度为48 m，工作面突水的主要危害是砂岩裂隙含水层和奥灰水。

1.2 探测内容

此次勘测的对象是该矿61205工作面底板的破坏深度，分析在带压开采扰动下底板岩层的破坏特征，此次勘测需要考虑到连续性和针对性，所以采用岩体钻孔声波探测的方法进行，根据不同岩性的岩体中能量波速度的差异，来判断空间上岩体的分布特征，来分析岩体裂隙状态。

1.3 声波测速钻孔布置方案

为了能够达到对61205面底板破坏深度准确预测的目的，进行采前、采中和采后三个阶段的钻孔声波测速观测。观测点的选择要尊重两个原则，其一是要选择围岩完整的区域进行钻孔施工，其二是考虑到观测时间上的连续性，能够顺利观测到采前、采中和采后岩层的损伤特征，打钻位置与切眼之间要有一定的距离。所以在如图1所示的位置处进行观测钻孔施工，在运输巷外侧的1位置处打3个不同角度的钻孔。

1号、2号、3号钻孔分别构成了两个观测钻面，孔深35~42 m之间，俯角度分别为1°、6°、11°。

2 采场底板破坏深度观测结果分析

在开采扰动影响下，煤层底板原有的应力状态会发生变化，但是由于与工作面的距离不同，影响程度也不同。声波探头放置于钻孔内，声速指的是收发器之间20 cm的声速，只有当这段距离四周的岩体较为发育的时候，声波才会出现大的波动。以1号孔为例进行分析，研究不同开采阶段的波速数据变化，得到煤层底板破坏深度，其他孔同理可得。

表1 采前钻孔测试结果

2.1 工作面开采与声波速度间关系

从表中可以看出，可以看出，在工作面开采之前，岩层声波速度较为稳定，没有大的起伏。工作面采过之后，因为开采扰动使得了底板岩层应力重新分布，孔隙率发生改变，同时产生了裂隙，岩层成分不均匀，所以声波速度起伏较大。不同开采时期，同位置处声波速度出现波动的主要原因是孔隙度的改变，孔隙度能够反映出岩体破坏程度，孔隙度k的计算公式如下：

式中：Vr代表了岩石骨架的声速；Vm代表了钻孔中液体的声速。

从现场的勘探结果来看，底板岩层的分布顺序依次为细砂岩、泥岩和中砂岩。通过对钻芯样品进行声波实验得出其声速分别为V细砂岩=5 330 m/s，泥岩V泥岩=2 680 m/s，V中砂岩=5 020 m/s，水的波速是1 500 m/s，代入公式（1）可以得到如图2所示的1号钻孔的孔隙度曲线图。

2.2 埋深与声波速度间关系

1号孔浅部（不大于9 m)的岩体，对比未开采和采掘中测试结果能够看出，声波波速出现了显著的降低，出现这个现象的原因是这个位置的岩体在受到支撑应力的影响下，开始产生塑性变形，内部的裂隙扩展，所以声波的波速降低，波形出现起伏。此外，发现在开采完成之后，接收不到波形，说明这一区域的岩体裂隙得到了充分发育，进一步扩展，甚至出现垮落，波速急剧降低。

在1号孔的中部区域（9~21 m）整体上波速呈现出小幅度降低的趋势，未出现较大的起伏，分析认为此区域的岩体整体上处于弹性阶段，其内部的裂隙变化较下；但在局部位置处声波出现了升高的趋势，说明该区域可能出现了塑性变形。整体上此段区域岩体较为完整，但裂隙发育程度不均匀。

1号孔的深部区域（大于21 m），岩体声波测速结果基本上保持不变，说明在此区域段，岩体依然处于弹性阶段，受到的开采扰动较小，底板岩层的裂隙发育未达到此处。鉴于此，对于1号孔而言21 m是底板岩层损伤的最大深度，同理可得，2号孔、3号孔的破坏下限分别为21 m和24 m。

3 结论

为了研究带压开采扰动下煤层底板破坏规律，本文结合背景煤矿和61205工作面的实际概况制定岩体声波探测方案，监测开采前、中、后三个时期声波变化，进而分析底板破坏深度，得到以下结论：

1）开采之前，岩层较为稳定，声波速度出现没有大的起伏。开采之后，因为开采扰动使得了底板岩层应力重新分布，孔隙率发生改变，同时产生了裂隙，岩层成分不均匀，所以声波速度起伏较大。

2）1号孔浅部（不大于9 m)采中至采中时期，波速出现了显著的降低，且起伏较大。开采之后，波速大幅下降；中部区域（9 m~21 m）波速呈现出小幅度降低，未出现较大的起伏，但局部出现了升高的趋势；深部区域（大于21 m），岩体声波测速结果基本上保持不变，即得到1号孔破坏下限为21 m，同理能够得到2号、3号孔的破坏下限为21 m、24 m。