覆巖導水裂隙帶高度的研究方法

趙 濤，梁世偉，華 樂

(安徽理工大學 能源與安全學院， 安徽 淮南市 232001)

覆巖導水裂隙帶高度的研究方法

趙 濤，梁世偉，華 樂

(安徽理工大學 能源與安全學院， 安徽 淮南市 232001)

導水裂隙帶高度的確定對水體下采煤十分重要。而對相似材料物理模擬、計算機數值模擬、經驗公式法、現場實測、微地震技術等方法進行了總結和對比，認為就目前的技術而言，單一手段難以準確的確定裂隙帶高度，多個方法的聯合應用才能較準確得到裂隙帶高度范圍。

導水裂隙帶高度； 物理模擬； 數值模擬； 經驗公式； 現場實測

0 引 言

在經濟社會高速發展的今天，中國消耗主要能源資源依然是煤炭，煤炭資源的開發為我國經濟發展起到了至關重要的作用。在我國已探明的積壓在水體下儲存有數量巨大的煤炭資源，且分布具有廣泛性，所以解決水體下的煤炭開采問題也至關重要，然而導水裂隙帶溝通了含水層導致上覆巖層破壞與頂板突水問題日漸突出，所以導水裂隙帶高度的確定就顯得尤為重要。目前可以確定導水裂隙帶高度的方法有：相似材料物理模擬實驗法、經驗公式計算法、計算機數值模擬、現場實測。

1 相似材料物理模擬實驗法

相似材料物理實驗是以相似理論作為依據的實驗室研究方法。根據研究問題的需要，依據相關數據在實驗室按一定的比例縮小制作相似模型，開采模型時，為了找出相關變化規律要觀測有關量的變化，最后把觀測的結果再按比例放大返回到現場，從而得出現場有關量的規律。采礦相似模擬實驗是一種行之有效的研究方法，可以較好地研究上覆巖層的運動規律，頂板的冒落情況及工作面前方煤壁和底板中的支承壓力分布變化情況。所以，在確定導水裂隙帶高度的問題上，相似材料模擬具有其獨特的地方。

已經有不少學者做了研究[4]，如中國礦業大學馬立強等利用相似模擬技術分別得到了淺埋煤層及近淺埋煤層隨礦體的開采上覆巖層的破壞及導水裂隙帶高度的發育情況，為西部礦區淺埋煤層保水開采奠定了基礎。

2 經驗公式計算法

1980年代以來，我國開展了許多水體下采煤的專題性研究，取得了不少突破性進展，我國于1985年制訂了《筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(簡稱為《規程》規定了導水裂隙帶在各類條件下的計算公式及導水裂隙帶形態的描述，也已獲得了微山湖下、淮河下、渤海灣地區水域下、華東、華北、東北地區巨厚流砂層下，以及許多礦區的含水(砂)層下壓煤開采的成功，為解放上億噸煤炭儲量提供了豐富經驗[6]。

《規程》中給出的公式簡單明確，見表1，可根據不同的礦區條件、采煤方法及程度采用不同的計算公式，這為現場工作者提供了方便快捷的計算方法。

3 計算機數值模擬

隨著計算機技術的發展，數值模擬技術近些年突飛猛進，通過礦區的地質資料，覆巖的巖性特征，如巖石密度、彈性模量、抗拉強度、內摩擦角、粘聚力等材料參數，建立相應的數值計算模型，按照相應的采礦方法，推進速度，進行開挖，從而得到與實際現場情況相類似的覆巖破壞特征，實現了工程技術人員在室內分析大型礦山的生產能力，這樣節約了時間和成本，為災害預防預測提供了手段。

目前，作為數值模擬分析的軟件很多，其中具有代表性的有快速拉格朗日分析。(簡稱FLAC)，離散元分析UDEC，及有限元方法等，都能對上覆巖層破壞進行很好的模擬。

張明等對兗礦集團的田莊煤礦煤層開采上限進行了數值模擬，得到了導水裂隙帶高度，從而提高了煤礦的開采上限[1]，應用到實際，提高了該礦的經濟效益，同時還運用有限元方法根據從三個鉆孔得到的物理學資料建立了力學模型，并逐步開挖，得到同樣的結果。

表1 導水裂帶高度計算公式

注：M為累計采高。

涂敏應用數值模擬軟件FLAC對安徽淮南潘謝礦區的導水裂隙帶高度進行了模擬[3]，根據覆巖的工程巖組特征，建立了相應的采動力學模型，模擬得到上覆巖層塑性區破壞及導水裂隙帶高度，最大值為74 m，并通過最小二乘法繪出擬合曲線，歸納出潘謝礦區的導水裂隙帶高度的計算通式，對該礦區的頂板突水事故的預防起到了關鍵作用。

近些年里，逐步發展起來的巖石破裂過程分析軟件RFPA，是基于有限元方法開發的[9]，對上覆巖層的采動破壞、離層模擬非常有效，神東礦區等運用此軟件進行模擬得到了頂板初次來壓、周期來壓步距，并得到不同基巖厚度的上覆巖層的破壞形態，為含水層下安全采煤提供了指導。

4 現場實測

現場實測是目前確定導水裂隙帶高度的主要方法，上述方法只是輔助現場實測，對實測得到的結果加以修正，使得結果更加貼近實際。目前應用較多的現場實測方法有超聲成像法、注水試驗法、聲波CT層析成像法、高密度電阻率法、微地震技術等。

(1) 超聲成像法。它是應用超聲成像數控測井儀對鉆孔進行掃描，繪制出聲幅曲線，從而分析反應巖層破裂狀況及導水裂隙帶發育高度[7]。淮南礦區的導水裂隙帶高度的確定是通過地面鉆孔，獲取破壞資料，同時應用超聲成像法對其得到的結果進行補償，使得對裂高的判別更加準確。

(2) 注水試驗法。該方法首先是由山東科技大學研制并應用于井下，其原理是在工作面附近或巷道內打出一條專門用來觀測的巷道，并在此巷道內傾斜向上或向下打若干個鉆孔，鉆孔的長度大約為10～14倍的采高，在鉆孔內注水，并封堵測試水的漏失量，從而得到該范圍的巖層破裂情況，并估計導水裂隙帶高度。該方法對巖層實現了動態觀測，而且并不受采動的影響，結果可靠，但是需要提前打出一條觀測巷道，成本較高。此方法在1990年代中期，在肥城礦業集團的楊莊煤礦8608工作面取得了顯著的效果，之后應用于鮑店煤礦、興隆莊煤礦，也得到了成功[8]。

(3) 聲波CT層析成像法[5]。其原理是利用聲波在巖層中傳播速度的變化來判斷巖層的完整性，因為巖層的物理力學性質與聲波波速關系密切，它是通過測試運用物理數學關系反演內部巖層的變化，生成清晰的圖像，進而判斷其內部破壞情況，如果聲波在其內部傳播的快，則說明巖層的完整性好，相反，則說明巖層破裂[10]。此方法簡單，且成本低。1998年和1999年，淮南礦區的孔集煤礦應用了此方法，對其采場的上覆巖層破壞高度及底板的采動破壞深度進行了測試，其結果應用到了實踐中并取得了滿意的成效[11]。另外，在義馬礦區的新安煤礦，對其工作面進行測試，通過分析電子剖面圖，成功的獲得了上覆巖層三帶高度。

(4) 高密度電阻率法[2]。該方法利用煤層采動前后巖層的電阻率的變化進行判斷。由于礦體在沒有采動以前，受原始地應力的作用，使得該區域的電阻率保持一個恒定的值，但是在采動的影響下，巖層完整性遭到破壞，其中的水分也會充填在內，使得巖層的電阻率發生變化，通過分析可得到導水裂隙帶的破裂范圍。

(5) 微地震技術。巖層在采動的情況下[12]，上覆巖層破壞會產生地震波，向周圍傳播，利用微地震波接收裝置接到波的傳播信息，從而判斷巖層的破壞位置，及破壞程度。

5 結 論

不管是相似模擬、數值模擬、經驗公式，還是現場實測，各種方法都有優缺點，在探測巖體的裂隙發育與圍巖的破壞狀態時，應用注水試驗法可很好的確定裂隙破壞狀態，具有工程施工量少且精度高的特點；應用高密度電阻率法可以對上覆巖層的冒落帶、裂隙帶進行觀測，并可以取得很好效果；聲波CT層析成像法可以對頂板、底板的巖層的破壞情況進行探測，效果明顯。在實際工作中，單一的手段是不能很好的確定導高的，幾種方法聯合使用，可使各個方法的優缺點相互補充，從而可得到較準確的裂隙帶高度。

[1] 胡 戈,李文平,程 偉,等.淮南煤田綜放開采導水裂隙帶發育規律研究[J].煤炭工程，2008,(05):74-76.

[2] 戴 露,譚海樵,胡 戈.綜放開采條件下導水裂隙帶發育規律探測[J].煤礦安全,2009(03)：90-93.

[3] 涂 敏.潘謝礦區采動巖體裂隙發育高度的研究[J].煤炭學報,2004,29(6):641-645.

[4] 施龍青，辛恒奇.采深條件下導水裂隙帶高度計算研究[J].中國礦業大學學報，2012，41(1)：37-41.

[5] 許家林,王曉振,劉文濤,等.覆巖主關鍵層位置對導水裂隙帶高度的影響[J].巖石力學與工程學報,2009(02)：380-385.

[6] 許家林，朱衛兵，王曉振.基于關鍵層位置的導水裂隙帶高度預計方法[J].煤炭學報，2012，37(5):762-769.

2013-09-23)

趙 濤(1988-)，男，河南商丘人，碩士，主要研究方向為覆巖導水裂隙帶高度的研究，Email：279257981@qq.com。