上覆采空區含水性及巖層導水裂隙發育的分析與研究

李 僑

（山西汾西礦業集團公司正幫煤業 ，山西 孝義 032300）

1 工程概況

某礦所采井田位于晉北黃土高原，該礦主采侏羅系大同組煤層，目前2#、3#、7#煤層均已回采完畢，現正在開采8#煤層。地貌為侵蝕的黃土丘陵，地表以第四系黃土為主，井田沖溝較為發育，根據所收集到的資料，可將井田內的地層由老至新依次劃分為寒武系、侏羅系大同組、侏羅系中統云岡組、白堊系下統左云組以及第四系。本次物探的面積為1.0km，探測范圍運用10坐標進行圈定，具體位置見圖1，本次勘探區域的地層為南北走向，主要由兩條向斜和一條背斜組成。

圖1 物探范圍示意圖

2 上覆采空區導水裂隙發育情況

根據該礦的地層賦存情況，擬采用UEDC2D數值模擬軟件對上覆采空區裂隙的導水情況進行分析，建立模型的高度為343m，走向長度為530m，通過建立初始模型后依次對2#煤層、3#煤層、7#煤層、8#煤層實行開采，通過開挖后巖層的垮落狀況進行具體分析。模擬中需用到的本構關系模型為摩爾—庫倫模型[1]，該模型涉及到的主要力學參數為內聚力、剪切模量、體積模量、密度及內摩擦角，其中體積模量與剪切模量的表達式如下所示：

式中：E為巖體的彈性模量；K為巖體的剪切模量；μ為巖體的泊松比；

根據相關地質資料以及相似礦井地質概況，得出具體各巖層參數如表1所示，模型邊界條件取為左右兩側為水平位移約束，上邊界為自由狀態，下邊界為垂直位移約束。

表1 各巖層的物理力學參數

根據上述信息建立初始模型后進行開挖操作，開挖由上而下進行，依次開挖 2#、3#、7#、8# 煤層，并對3#煤層、8#煤層進行出圖分析巖層垮落特性，3#煤層及8#煤層開挖后巖層垮落如圖2、圖3所示。

圖2 3#煤層開挖完畢后巖層垮落示意圖

圖3 8#煤層開挖完畢后巖層垮落示意圖

由生產實踐中導水裂隙帶高度的經驗計算公式如下：

式中：m為礦層開采厚度，m；α為礦層傾角，°；k為巖層松散系數；h1、h2分別為冒落帶、導水裂隙帶高度。運用此公式結合我國“礦井水文地質規程”[2]能夠得出：2#煤層頂板為砂質泥巖，其導水裂隙高度為48～65m；3#煤層頂板為粉細砂巖，其導水裂隙帶高度為13～43m；7#煤層頂板巖性為粉砂巖，其導水裂隙高度為11～30m；8#煤層頂板巖性為粉砂巖，其導水裂隙帶高度為9～23m。

通過數值模擬以及理論分析結果能夠得出以下主要結論：①煤層在開采過程中，除了會致使上方巖層垮落，同時采動影響會在一定程度上對底板造成破壞，若上覆巖層存在采空區，在下層煤開采時，在采動影響作用下頂板導水裂隙會進一步發育，當該裂隙與上覆巖層已經發育擴展的裂隙貫通時，在這種情況下若上覆采空區有存水，則會對安全生產造成極大威脅[3]；②上層煤的開采會對下層煤形成卸壓作用，從而造成實際導水裂隙帶高度與經驗公式計算得出高度有所偏差，同時導水裂隙帶的高度也會受到煤層間巖層厚度與巖性的影響；③當所采煤層上覆存在多層采空區時，由各個采空區都存在其自身特點，不是簡單的一種或者幾種形式，故實際工程中對上覆存在多層采空區的具體情況采取相應的防護措施。

3 瞬變電磁法分析導水裂隙及含水性

3.1 瞬變電磁法的測點布置及數據分析

根據該礦具體的地質條件，采用瞬變電磁法進行本次勘探作業，瞬變電磁法能夠對煤系地層的導水裂隙發育以及含水性進行分析解釋，并能夠大致確定含水異常區域所在的層位。本次勘探線沿著東西方向布置，在疑似含水區上東西向布置4條直流電測深勘探線，間距100m，具體實際工程布置如圖4所示。

圖4 測點布置位置示意圖

式中：q為接收線圈的有效面積；t為時窗時間；V（t）為感應電壓；m為發射磁距。視縱向電導Sτ和深度hτ的計算表達式為：

瞬變電磁數據處理依據可以用以下三個公式進行解釋：（1）視電阻率計算公式[3]：

式中：V（t）/I為歸一化感應電壓；d（V（t）/I）/dt為時間軸上歸一化感應電壓變化率；A為發射線圈面積。基于以上三個公式對得出的數據進行處理分析，主要對2#到8#煤層的巖層構造、裂隙發育情況以及含水性進行探測研究，通過數據分析處理后得出4種主要圖形，分別為二次感應電壓的變化情況圖、視電阻率的斷面圖、感應電壓平面等值線圖以及順層電阻率富水性分析圖綜合分析地質體中的含水情況，下面對本次物探的視電阻擬斷面圖和順層電阻率富水性分析圖進行具體分析。

視電阻率擬斷面圖是解釋瞬變電磁的一個重要形式，在視電阻率擬斷面圖上電阻率突變或者電阻率高意味著存在含水的地質異常體。根據本次物探得出的電阻率擬斷面圖如圖5所示，圖中電阻率隨著“藍—黃—紅”顏色的變化逐漸增大，在樁號500-600之間的點在2#、3#、7#煤層位置視電阻在圖中顯示為紅色，其周圍為黃色，這意味著該段視電阻率出現突然升高的現象，根據視電阻率擬斷面圖結合其他圖形分析認為采空區含水是導致該段瞬變電磁突變現象出現的原因，另外從地質資料上能夠看出該段位于采空區上方，可能為裂隙含水區域。

圖528 線含水異常解釋用視電阻率擬斷面圖

圖6 8#煤頂板順層電阻率富水性分析圖

順層電阻率富水性分析圖能夠從整體上顯示出含水異常的分布情況，同時能夠與視電阻率擬斷面圖以及多測道曲線進行結合更加全面的對含水異常進行解釋，本次物探得出的8#煤層視電阻率富水性分析圖如圖6所示，富水性圖中藍色區域為低值區域，黃色及藍灰色區域可能為非含水裂隙導通區域。

綜合以上物探結果對采空區導水裂隙的分析，能夠得出如下結論：

1）采空區冒落帶與完整的巖層相比比較松散、電性發生顯著變化、密實度變低。由于采空區內垮落的巖石內一般混有高電阻介質[5]，這會使垮落帶表現為高阻態勢，根據采空區內的高阻特征可有效的對采空區進行辨別。

2）對地層中富水性區域的判斷可以根據電阻率的值確定，在含水層與導水裂隙帶貫通時會使得裂隙帶內充水，從而致使導致測得的該區域的電阻率較低，故可根據電阻率的值大致判斷區域的含水性。

3）位于采空區上方的巖體由于受到采空影響裂隙進一步發育、擴展，在裂隙內充滿氣體物質時會使得該段巖層得出的電阻值較大，故通過分析瞬變電磁法得出的數據能夠區分采空區上覆巖層的裂隙帶區域。

3.2 8#煤層頂板砂巖含水性評價

由于8#煤層為正在開采的煤層，故對頂板的含水性進行評價顯得尤為必要，8#煤層位于大同組中部，距7#煤層平均距離為9.25m。底板為細砂巖，頂板為粉砂巖，煤層均厚1.53m，如圖8所示為8#煤層頂板順層電阻率富水性分析圖，根據8#煤層頂板富水性分析圖并結合多測道曲線以及視電阻率擬斷面圖能夠得出8#煤層頂板含水異常區域有10個，其中較強的為 D6、D5-2、D5-1、D4-2 以及 D4-1，具體異常區域的分布狀況如圖7所示。

圖7 8#煤層頂板含水異常區域分布

4 結 論

1）通過運用數值模擬與理論分析相結合方法對上覆采空區導水裂隙進行分析，得出2#煤層、3#煤層、7#煤層、8#煤層頂板各巖層導水裂隙帶的高度。

2）運用瞬變電磁法能夠對采空區、地層富水區域以及裂隙帶區域進行較為科學有效的判斷。

3）通過瞬變電磁法探明了8#煤層頂板不同位置、大小不等的含水異常區域有10個，其中富水性強的有5個，富水性中等的有3個，富水性較弱的2個。