回采面導水裂隙帶發育高度與富水性探測分析

張小健

（山西陽城陽泰集團伏巖煤業有限公司，山西 陽城 048105）

1 工程概況

山西陽城陽泰集團伏巖煤業有限責任公司3203工作面位于3#煤層二采區，工作面走向長度為886 m，傾斜長度為209 m，位于二采區大巷西側，南鄰3202采空區，北面為實體煤，東鄰二采區大巷。3#煤層厚度均厚為4.8 m，平均傾角為4°，煤層頂板為粉砂質泥巖和細粒砂巖，底板為炭質泥巖和粉砂質泥巖，具體煤層頂底板巖層特征見表1。

3203工作面含水層自下而上為：奧陶系中統石灰巖巖溶裂隙含水層，石炭系上統太原組灰巖砂巖裂隙巖溶含水層，二疊系上、下統石盒子組及山西組砂巖裂隙含水層。根據工作面地質資料可知，其中對3#煤層開采產生主要影響的為奧陶系中統石灰巖巖溶裂隙含水層，該含水層與3#煤層間的距離在35～46 m的范圍內。工作面回采至750 m的位置處會受到F1斷層的影響，斷層為正斷層，走向NE-SW，傾向NW，傾角為75°，落差為6 m，延長長度為260 m，為防止斷層區域回采作業使得工作面與頂板砂巖水貫通，需對回采時導水裂隙帶的高度進行分析，同時對工作面頂板的砂巖裂隙水的富水性進行有效評價分析。

表1 3#煤層頂底板巖層特征

2 導水裂隙帶高度分析

2.1 理論計算分析

在工作面進行回采作業時，隨著開采作業的進行，頂板巖層會出現逐漸垮落的現象，進而在頂板形成“三帶”，即為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。導水裂隙帶即為裂隙帶的一部分，導水裂隙帶的發育高度主要受到頂板巖性組合、煤層厚度、工作面走向和傾斜長度、頂板硬巖比例和推進速度等因素的影響。由于導水裂隙帶的影響因素眾多，故選取相對重要因素進行分析，現在考慮工作面長度、硬巖巖性比例、煤層厚度和工作面推進速度等影響因素下進行導水裂隙帶的分析［1-2］，具體計算公式如下：

式中：Hf為導水裂隙帶的高度；b為工作面區域頂板硬巖的比例系數；s為工作面的采深；l為工作面的斜長；v為工作面的推進速度；M為煤層的厚度；根據3203工作面的具體地質條件，各項參數分別取l=209 m，v=5.4 m/d，M=4.8 m，b=0.34，s=450 m，基于上述數據能夠計算得出Hf=52.6 m，即得出工作面導水裂隙帶的高度約為52.6 m。

2.2 數值模擬分析

為進一步準確分析3203工作面導水裂隙帶的發育高度，現采用UDEC數值模擬軟件，結合3203工作面的地質資料，結合F1斷層的特征，建立斷層破碎帶的區域的模擬模型，模型長度×高度=350 m×200 m，設置斷層的落差為6 m，在模型左側預留75 m的煤柱，固定模型兩側邊和底邊的位移，在模型上方施加上覆巖層的載荷，模型初始地應力平衡后，進行工作面推進通過斷層破碎帶區域的模擬分析［3-4］。根據數值模擬結果能夠得出，工作面距離斷層不同距離時頂底板巖層的應力等值線圖，具體以工作面距斷層30 m和0 m，以及推過斷層40 m和80 m時的應力等值線圖進行具體分析。

圖1 3203工作面距斷層不同距離時應力等值線分布

通過具體分析圖1可知，當工作面回采至距離斷層30 m位置時，此時在工作面采空區中心位置的正上方位置處的頂板巖層局部出現拉應力現象，進而使得頂板巖層內的軟弱結構面出現拉伸破壞現象，從而出現導水裂隙；當工作面推進至斷層的位置處時，此時在斷層帶的內部出現拉應力現象，其內部拉應力的分布高度約為80 m，同時在工作面前方煤體的斷層上盤處出現了應力集中現象，即表明在工作面回采推進通過斷層時，斷層下盤的開采會對前方斷層上盤未開采的煤巖體產生一定的影響；隨著工作面回采作業的進行，工作面推進通過斷層區域，在推進通過斷層40 m時，斷層軟弱巖體出現拉伸破壞，此時的導水裂隙帶的發育高度為95 m，達到最大值；當工作面推進通過斷層80 m時，此時斷層破碎帶區域導水裂隙帶的發育高度相對減小，降為70 m；另外根據數值模擬結果可知，隨著工作面的進一步推進，當工作面推進通過斷層130 m時，此時斷層裂隙帶內拉應力已經完全回落，裂隙帶的發育高度基本達到穩定狀態，為62 m。

綜合上述理論分析與數值模擬結果可知，3203工作面在推進正常區域時，頂板導水裂隙帶的發育高度約在52.6～60 m的范圍內，當工作面推進通過F1斷層區域時，導水裂隙帶的發育高度在推進通過斷層40 m的位置處，導水裂隙帶達到最大值為95 m，通過斷層130 m后，導水裂隙帶的發育高度達到穩定，約為62 m。

3 富水性探測分析

3.1 探測方案

為有效分析3203工作面頂板裂隙帶的富水性，現采用瞬變電磁技術進行富水性的探測與圈定［5-6］，瞬變電磁的測線布置在3203工作面進風巷和回風巷內，設置瞬變電磁探測點的間距為10 m，在兩條回采巷道內各設置頂板15°、30°和45°3個不同的探測方向，每條巷道內布置84個測點，具體探測方案見圖2。

在進行探測作業時，采用由點到線，由線到面的方式的作業方式，瞬變電磁的解釋原則采用由簡單到復雜的方式，探測作業現場實測結束后，先進行電感校正和曲線偏移作業，隨后對一次電磁場和干擾信號進行剔除作業，最終形成探測成果見圖2。

圖2 3203工作面瞬變電磁探測作業

3.2 結果分析

3203工作面進風巷的瞬變電磁探測作業從工作面開切眼進行，至停采線終止，測點之間的間距為10 m，根據瞬變電磁的探測結果，能夠得出進風巷頂板富水性的視電阻率等值線見圖3。

圖3 3203工作面進風巷視電阻率等值線圖

通過具體圖3可知，3203工作面進風巷區域頂板在不同的探測角度下，其淺部巖體的電阻率均表現為較低的水平，并且在巖層水平方向上其視電阻的電性表現為較好的連續性，淺部巖層表現為相對低阻的反應，這即可解釋為在進風巷頂板區域的淺部巖層內裂隙較為發育，具有一定的富水性，隨著探測深度的不斷增大，其視電阻率逐漸表現為高阻反應，其電阻率逐漸增加，即可解釋為該部分巖體內部的導水裂隙較少，該區域巖體的富水性較弱。

3203工作面回風巷內的瞬變電磁探測作業同樣在開切眼和停采線區域內進行，根據探測結果能夠得出回風巷視電阻率等值線見圖4。

圖4 3203工作面回風巷視電阻率等值線圖

通過具體分析圖4可知，在探測角度為15°時，此時頂板巖層在整體上表現為電阻率較高的現象，在局部區域表現為線性圈閉，即表明該區域頂板裂隙可能發育但是富水性相對較弱；在探測角度為30°時，此時探測區域內的低阻范圍明顯增大，圖中的視電阻率表現為明顯的減小現象，該部分探測區域接近山西組砂巖裂隙含水層，該區域導水裂隙相對較為發育，且與含水層存在著一定的水力聯系；在探測角度為45°時，隨著頂板探測高度的進一步增大，視電阻率表現為逐漸增大的現象，即代表著頂板導水裂隙的逐漸減少，該區域與上部的水力聯系逐漸減弱。

另外綜合瞬變電磁視電阻率的等值線的平面圖能夠得出，在工作面頂板30 m范圍內的視電阻率較低，存在一定的富水性，且巖層橫向間具有一定的連通性，但該區域的富水性較弱，在工作面區域頂板40～70 m的范圍內，裂隙較為發育，頂板由于接近山西組砂巖含水層，該區域富水性較強，導水裂隙與含水層間存在著一定的水力聯系；另外根據探測結果可知，3203工作面的富水區域主要集中在回風巷附近。

4 結語

根據3203工作面地質條件，通過理論和模擬分析確定出工作面正常區域頂板導水裂隙帶的發育高度約在52.6～60 m的范圍內，通過F1斷層區域時，導水裂隙帶的最大發育高度約為95 m，通過對頂板采用瞬變電磁探測得出，工作面區域頂板0～30 m范圍，富水性較弱，頂板40～70 m的范圍內，裂隙較為發育，該區域富水性較強，分析結果對3203工作面的開采作業具有一定的指導意義。