基于鉆孔成像技術與數值模擬的“兩帶”高度研究

于鐘博，劉延欣，武宇亮，王 建

（1.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.兗州煤業股份有限公司 鮑店煤礦，山東 鄒城 273500）

為了探究兗州礦區厚松散層薄基巖地質條件下淺部采區提高開采上限，轉換防水煤巖柱為防砂煤巖柱，進行了大量的研究[1-3]，并獲得了相應的研究成果。確定“兩帶”高度即垮落帶和導水斷裂帶高度，是探究提高開采上限的重要方面，確定“兩帶”高度的方法主要有經驗公式方法、相似模擬方法、數值模擬方法和現場實測方法等[4-8]。隨著最近幾年鉆孔成像技術在頂板巖層測試中的普及和不斷推廣，大量研究驗證了鉆孔成像完全可以勝任對礦區地質條件的調查[9-13]，并有王川嬰等通過鉆孔成像技術，以孔壁巖體的破碎程度為依據，建立了孔壁巖體完整性指數RMDI[14]，李衛明等基于鉆孔攝像技術對水平孔節理裂隙發育特征進行了研究[15]。也為鉆孔成像技術在地下工程中的應用可靠性提供了相應的驗證。通過鉆孔成像技術對兗州礦區某礦井“兩帶”高度進行現場實測，并通過數值模擬技術進行模擬，二者得到的結果進行對比分析，對鉆孔成像技術得到的結果進行驗證。

1 研究區概況

測試鉆孔平面位置示意圖如圖1。測試鉆孔L17位于6311-1工作面內，該面位于-430水平六采區南部，是六采區3煤層第12個區段工作面。西起工作面切眼，距六采南部軌道巷886 m；東至工作面設計停采線，距六采南部軌道巷50 m；工作面軌道巷北距六采區北部回風上山50 m，距已回采完畢的6312工作面停采線和正在回采的6305工作面設計停采線193 m；工作面南部靠近煤層風氧化帶及鮑家廠背斜核部。

圖1 測試鉆孔平面位置示意圖

該工作面上覆基巖厚度為39～67 m，為提高開采上限工作面，回采的煤層為3煤，分層開采，一分層采厚3.0 m；3煤，黑色，厚8.28～9.01 m，平均 8.51 m，上部以亮煤為主，下部以暗煤為主，屬半暗半亮型煤，煤層厚度穩定，具條帶狀結構，層狀構造。工作面煤層總體呈一單斜構造，面內小型次級寬緩褶曲較發育，煤層走向為 40°～90°～120°，傾向為 130°～0°～30°，煤層傾角為 4°～17°，平均 11°。煤層最低點位于工作面軌道巷中部，設計停采線西407 m處。最高點位于工作面軌道巷設計停采西66 m處。

工作面煤層總體呈一單斜構造，屬鮑家廠背斜的北翼，面內小型次級寬緩褶曲較發育，中、西部發育一次級寬緩向斜構造，軸向60°，向北東方向傾伏。工作面東部發育一次級寬緩背斜構造，軸向23°，向北東方向傾伏。

6311-1工作面3煤頂板基巖以砂巖和泥巖為主，二者交互成層，這種硬巖軟巖交互成層的組合結構對于裂隙發育起到一定的抑制作用，并且對垂直方向上的充水砂源起到一定的阻隔作用。

6311-1工作面附近第四系下組平均厚度21.9 m，自上而下劃分為上段含水層、上段隔水層和下段含水層（簡稱“底含”）。在6311-1工作面區域內，第四系下組底含厚度發育變化較大約為17.0～26.8 m，平均約21.9 m。以細砂、砂礫或含礫粗砂為主，垂向發育較連續，是下組地層主要含水層段。通過對研究區域下組的巖性及組合結構分析和鉆孔抽水資料，認為：6311-1工作面附近第四系下組存在1層較穩定的含水層（簡稱“底含”），工作面范圍內第四系幾乎無底黏分布；工作面區域第四系下組底含是6311-1工作面開采的主要充水（砂）源。

2 鉆孔成像測試結果與分析

2.1 基本原理

導水斷裂帶高度計算公式為：

式中：HL為導水斷裂帶高度，m；H為煤層頂板距離地面垂深，m；hL為斷裂帶上限位置距離地面垂深，m。

垮落帶高度計算公式為：

式中：Hm為垮落帶高度，m；H為煤層頂板距離地面垂深，m；hm為垮落帶上限位置距離地面垂深，m。

2.2 測試結果

初始設備深度調整讀數為0 m，傳感器從鉆孔平臺孔口開始往鉆孔中輸送，平臺高度約0.4 m，根據鉆孔成像自動記錄深度，接觸套管與基巖時的記錄深度約209.622 m，結合鉆探套管實際埋設深度206 m。然后從209.622 m開始攝像頭基本勻速緩慢向下進行錄像，得到了一系列不同深度孔壁的變形和破壞圖像。經過現場3次套管下不同深度孔壁圍巖的鉆孔成像，然后在室內通過對不同深度視頻的截屏對比分析，可得到不同深度相關孔壁巖性變形破壞特征，導水斷裂帶高度實測示意圖如圖2，垮落帶高度實測示意圖如圖3。

圖2 導水斷裂帶高度實測示意圖

2.3 測試結果分析

根據6311-1工作面底板等高線分布及L17孔所在位置，可初步獲得該孔3煤層頂板埋深約243.8 m。通過對圖2和圖3的綜合對比分析，該孔位置上部基巖原生裂隙較發育，但沒有發現滴淋水現象。導水斷裂帶頂部高度在成像顯示孔深約225.083 m，垮落帶頂部高度在成像顯示孔深約在237.441 m。考慮鉆機平臺高度0.4 m，實際套管長度206 m。以實際套管長度為基準經過校核與計算，可得該孔導水斷裂帶高度頂部埋深221.2 m，垮落帶高度頂部埋深233.4 m。結合式（1）和式（2）可分別計算出受到采動影響的導水斷裂帶高度約為22.6 m，垮落帶高度約為10.4 m。

圖3 垮落帶高度實測示意圖

3 數值模擬

3.1 工程地質模型

根據6311-1工作面的地質條件，選用FLAC3D數值模擬軟件進行模擬，以6311-1工作面及其鄰近鉆孔揭露的頂底板煤巖層為地質背景，根據巖性的不同，將基巖劃分為底含、細砂巖、粉細砂巖互層、泥巖和3煤等5個工程地質巖組，整體結構劃分為10層，并建立二維工程地質層序結構模型（圖4）。

圖4 工程地質模型

工程地質模型規格為400 m×300 m，模型高為114 m，煤層厚度為10 m，開采厚度為3 m，煤層頂板高度為68 m，覆巖壓力以補償荷載進行等效替代。根據計算模型的實際賦存條件，計算模型的邊界條件設定為：

1）上部頂面邊界條件：與上覆巖層的重力有關。為了研究的方便，載荷的分布形式簡化為均布載荷，上部邊界條件為應力邊界條件，即上覆的巖層重力，約為5.6 MPa。

2）下部底面邊界條件：本模型的下部邊界條件為底板，簡化為位移邊界條件，在y方向可以運動，x方向為固定鉸支座。

3）前后、左右兩側面邊界條件：本模型的兩側邊界條件均為實體巖體，簡化為位移邊界條件，在y方向可以運動，x方向為固定鉸支座。

3.2 數值模擬結果與分析

根據6311-1工作面的設計方案，結合頂底板巖層的相關力學參數建立數值模擬模型，模型僅開采3煤頂部3 m，模型采用任意四邊形單元，共劃分為30 400個單元，32 760個節點，數值模擬模型圖如圖5。

圖5 數值模擬模型圖

通過FLAC3D數值分析軟件模擬3煤上分層開采3 m的過程，觀察煤層頂板的塑性區變化特征，來確定導水斷裂帶和垮落帶的高度發育情況。

6311-1工作面上分層開采后的沿走向和傾向方向上的塑性區分布示意圖如圖6。根據礦山壓力理論，煤層開采后自煤層頂板由下而上，依次發育拉伸破壞區、拉伸裂隙區、剪切破壞區和未破壞區域。塑性區主要類型為剪切屈服，出現在采空區兩端的支撐煤壁處，采空區中部的煤層頂板出現局部拉張屈服。從工作面3煤采后的頂板變形情況的模擬結果看，不管沿走向和傾向剖面，工作面中段頂板主要發生拉張屈服破壞，兩端為剪切破壞，工作面走向、傾向方向頂板的破壞區均呈馬鞍形，破壞高度最大部位在切眼及停采線附近。上述頂板采動后塑性區形態及最大發育位置的分布特點符合頂板采動應力的分布規律：工作面頂板剪切屈服區分別出現在開切眼和停采線的斜上方和斜下方，其原因是這些部位是應力集中的部位。

圖6 塑性區分布示意圖

根據圖6的塑性區分布圖，可以劃分出數值模擬得到的垮落帶和導水斷裂帶的高度。結合模型和網格劃分的單元尺寸的大小可知，垮落帶高度約為9.0 m，導水斷裂帶高度約為 24.0 m。

4 結論

1）通過鉆孔成像方法實測6311-1工作面的垮落帶高度和導水斷裂帶高度范圍，得到該工作面導水斷裂帶高度約為22.6 m，垮落帶高度約為10.4 m。

2）通過6311-1工作面的地質和鉆孔資料，建立了6311-1工作面的工程地質模型和數值模擬模型，運用FLAC3D軟件對該工作面上分層開采進行了數值模擬，根據模擬結果對垮落帶和導水斷裂帶高度進行了分析，得到垮落帶高度為9.0 m，導水斷裂帶高度為 24.0 m。

3）對比鉆孔成像和數值模擬方法，確定了該鉆孔位置3煤上分層開采頂板導水斷裂帶高度約為24.0 m，垮落帶高度約為 10.4 m。