彬長礦區導水裂縫帶觀測方法綜合對比分析

曹 帥

(陜西彬長文家坡礦業有限公司，陜西 咸陽 713500)

導水裂縫帶發育高度的確定是覆巖破壞規律研究的重要課題之一，準確預測導水裂縫帶高度是進行水體下安全采煤的關鍵問題[1-2]。理論計算[3-6]、現場實測[7-9]、經驗公式[10-12]和模擬實驗[13]等是進行導水裂縫帶發育高度研究的常用方法，因為上覆巖層物理力學性質的復雜性，影響采場導水裂縫帶發育高度的因素眾多，如深厚比、采煤工藝、推進速度、巖層組合方式和各類地質構造[14-16]，這就使得理論計算和模擬實驗很難完全反映現場實際情況，造成預測結果與實際導水裂縫帶發育高度存在較大偏差。導水裂縫帶發育高度的經驗公式，目前行業內主要參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》[17]，該規范將煤層覆巖巖性分為堅硬、中硬、軟弱3類，給出的對應巖性下導水裂縫帶發育高度經驗公式僅和煤層厚度有關，隨著礦井開采深度和開采強度的不斷增加，礦井水文地質條件越來越復雜，規程經驗公式的可靠性也在不斷降低，僅僅依靠經驗公式已經無法準確確定導水裂縫帶發育高度，進而指導礦井水體下安全開采。相比之下，以地面鉆孔觀測法[18]和物探法[19-20]為主的現場實測方法由于是對采空區頂板垮落后“兩帶”高度進行現場實測，因此可以獲得較為準確和可靠的導水裂縫帶發育高度，是水體下采煤最有效且應用最廣泛的研究方法[21]。

位于黃隴侏羅紀煤田中西部的彬長礦區，近年來隨著區內煤炭資源開發力度的增加，導水裂縫帶發育導通的含水層也隨之增多，多對礦井遇到了瞬時涌水量增大等多種水害威脅[22-24]。區內礦井和工作面涌水量的實際情況與以往對該區域水文地質條件的認識存在較大的偏差，以往認為不會對回采造成影響的頂板白堊系洛河組砂巖含水層對煤層開采造成了巨大影響。為了準確獲取彬長礦區導水裂縫帶發育高度的大小，近年來彬長礦區多個礦井開展了導水裂縫帶高度的實測研究工作，觀測結果顯示導水裂縫帶發育高度均已突破所給經驗公式的預測數值，表明已有經驗公式對彬長礦區導水裂縫帶高度的預測指導性不強，急需根據彬長礦區具體地質情況，以導水裂縫帶高度觀測方法綜合評價為基礎，建立彬長礦區導水裂縫帶發育高度觀測和礦井涌水量預測方法體系，為礦區水體下安全采煤提供保障。

1 導水裂縫帶地面鉆孔觀測

1.1 鉆孔鉆液漏失量觀測法

鉆孔沖洗液漏失量觀測是“兩帶”觀測最常用的方法之一，“三帶”內不同位置巖層裂隙發育情況是不同的，那么鉆孔內水的漏失量也會隨著裂隙發育情況的變化而變化。因此，可以通過測量鉆液的漏失量隨鉆孔深度的變化規律，結合掉鉆次數、鉆進速度、吸風現象和巖芯破碎等異常現象來確定“兩帶”高度。此觀測法對操作技術的要求較高，適用于覆巖為中硬及以上的情況。

文家坡煤礦4103工作面開采后，在工作面上方地面布置了2個鉆孔(WS1、WS2)采用鉆孔注液漏失量觀測對導水裂縫帶高度進行觀測。WS1孔深617.8 m，WS2孔深667.0 m，WS1孔距離工作面運輸巷102 m，WS2孔距離運輸巷59 m，終孔層位均為4號煤層頂板。鉆孔注液漏失量觀測系統如圖1所示。要求水源箱、循環槽、沉淀池不得漏水，水源箱和沉淀池為容積不小于1 m3的正方體，水源箱內安設浮標式水位測尺進行水位測量。

圖1 鉆液漏失量觀測系統示意Fig.1 Schematic of drilling fluid loss observation system

WS2鉆孔在孔深503.4～512.0 m段沖洗液循環良好，514.0 m時不返水，提鉆測量孔內水位，在514.0 m處，孔內無水。孔深645.6 m時掉鉆約0.2 m，孔深656.1 m時提鉆后孔內吸風明顯。孔深超過648.5 m后掉鉆次數較多，同時也會出現卡鉆的情況，巖芯獲得率低，取出的巖芯完整性差，孔內有明顯吸風。

導水裂縫帶高度為：

Hli=H-h+W

(1)

式中，Hli為導水裂縫帶最大高度；H為煤層頂板距離孔口垂直深度；h為裂隙帶頂點到孔口垂直深度；W為鉆孔時裂隙帶巖層的壓縮值。

根據鉆進時記錄的數據和異常現象，確定導水裂縫帶頂點距離孔口的高度為514.0 m，通過式(1)可以計算得到WS2鉆孔導水裂縫帶高度為178.7 m；確定的垮落帶頂點距離孔口的高度為648.5 m，利用式(2)計算得到WS2鉆孔垮落帶發育高度為44.2 m。WS2鉆孔處的煤層厚度為3.7 m，裂采比為48.3，冒采比為11.9。

(2)

而根據上文提到的經驗公式法計算工作面“兩帶”發育高度時，4103工作面頂板巖性為中硬，取煤層累計采高∑M為3.7 m，代入垮落帶計算式(2)中，得到垮落帶高度Hm為10.2 m，冒采比為2.8。

根據導水裂縫帶高度計算的經驗公式(3)，計算得到導水裂縫帶發育高度Hli為44.5 m，裂采比為12.1。

(3)

可見，通過經驗公式計算得到的垮落帶和導水裂縫帶發育高度與現場實際觀測結果差別很大，說明原有的經驗公式已無法滿足目前高強度、大埋深和高地壓等復雜地質和工程條件下煤礦的實際。應該加強對覆巖“兩帶”尤其是導水裂縫帶發育高度的觀測方法和適用性研究，探索更加精準的礦井水文地質觀測方法。

1.2 鉆孔彩色電視窺視法觀測

鉆孔彩色電視窺視法是通過絞車將攝像頭置于鉆孔中下放進行觀測，同時記錄孔內視頻或圖像對應的鉆孔深度信息。該觀測系統可以在不同時段對鉆孔進行多次重復觀測，操作方便靈活，具備直觀、快速等優點，但是要求在鉆孔內無水或清水時進行觀測，且觀測結果依靠人工進行識別判斷。因此，鉆孔彩色電視窺視結果一般作為導水裂縫帶和垮落帶發育高度最終判定的參考。鉆孔窺視系統結構如圖2所示。

圖2 鉆孔窺視系統結構示意Fig.2 Structure diagram of drilling peep system

此次測量采用ZDKJ-A1型井下成像儀，選用WS2鉆孔作為測量孔進行觀測。室外通過現場查看主探箱顯示器從而控制攝像探頭的下放，同時錄制孔內高清視頻；室內在計算機上反復回放野外采集視頻，并可截取任意時刻鉆孔圖像。鉆孔彩色電視窺視系統實物及現場實測情況如圖3所示。

圖3 ZDKJ-A1型井下成像系統實物Fig.3 Actual picture of ZDKJ-A1 downhole imaging system

具有代表性的鉆孔內裂隙發育情況照片如圖4所示。在孔深461.38 m之前(圖4(a)—圖4(d))，孔內沒有明顯的裂隙發育，說明此范圍尚未進入到采動所引起的裂隙帶內。從孔深477.85 m(圖4(e))開始，孔內巖層開始出現垂直和水平裂隙等采動破壞現象，但裂隙寬度和數量均較小，屬于采動裂隙帶范圍。當孔深到達620.62 m(圖4(g))后，鉆孔內巖層破壞情況明顯加劇，出現孔壁巖塊片落、巖層離層等現象，孔內裂隙密度、寬度明顯增加，垂直和水平裂隙交錯分布，這說明該范圍巖層受到煤層采動的劇烈影響，覆巖已經發生了垮落等變形，屬于頂板垮落帶。

圖4 WS2鉆孔孔內裂隙圖像Fig.4 Fracture image of WS2 borehole

WS2孔中煤層頂板的深度為667.4 m，通過鉆孔電視觀測確定的垮落帶高度為46.7 m，導水裂縫帶高度為189.5 m。彩色鉆孔窺視法確定的裂采比為51.2，冒采比為12.6。

2 井—地聯合微震監測

2.1 微震監測系統設計方案

巖體在受采動影響而發生破壞時，首先會在巖石內部產生眾多的微裂隙，產生裂隙的過程中會同時以彈性波的形式向外釋放能量。采用在裂隙周圍布置彈性波接收傳感器接收彈性波，并根據各位置上傳感器接收到彈性波的時間、能量和密度等參數，根據公式反演獲得巖體內裂隙產生的時間、位置和巖性等重要參數，據此來實現對覆巖宏觀破裂的觀測。微震監測原理如圖5所示。

圖5 微震監測系統原理示意Fig.5 Principle of microseismic monitoring system

以4103工作面開采后采空區覆巖的運動破裂為研究對象，采用YTZ3微震監測系統，實施井—地聯合微震監測。監測系統測點布置方案如圖6所示。在井下和地面共計布置了17道檢波器，其中井下布置了9道，4103回風巷、4103運輸巷和4104回風巷各布置3道；地面以微震監測區為中心，以1 km為半徑，均勻布置了8道檢波器。

圖6 微震監測系統測點布置Fig.6 Layout of measuring points for microseismic monitoring system

2.2 微震監測數據處理及分析

對收集到的監測數據進行處理，首先剔除其中信噪比較低、定位誤差較大的微震事件，處理后共有有效微震事件15 251個，將微震事件按照深度的不同進行統計，如圖7所示。由圖7可以發現，微震事件主要集中在標高+480～+600 m。其中，在標高+520～+540 m微震事件的頻率最高。可以認為，4103工作面采空區覆巖的破裂位置主要集中在標高+480～+600 m內。

圖7 微震事件統計Fig.7 Statistical chart of microseismic events

當標高超過+600 m后，微震事件開始快速降低，說明超過+600 m標高后裂隙發育較少；標高超過+700 m時，裂隙已經基本不再發育，可以認為上覆巖層已經趨于穩定狀態。

將微震事件定位數據加載到地層三維模擬軟件中，可以通過觀察微震事件在地層中的分布位置等判斷煤層頂板裂隙是否發育到洛河組含水層。從圖8可以看出，微震事件已在洛河組含水層底板中出現，但數量和密度都不算大，因此認為洛河組含水層雖然發生了局部的破裂，但是由于裂隙較少，相互之間無法貫通，導水裂縫帶并未發育到洛河組含水層。在監測的后期，微震信號在標高+580 m增加的頻率逐步趨于穩定，基本不再增加。因此，判斷導水裂縫帶發育的頂點在標高+580 m附近位置。4103工作面煤層平均標高在+400 m，因此導水裂縫帶發育高度為180 m，裂采比為47.7倍。

圖8 微震事件三維空間定位Fig.8 Three dimensional spatial location of microseismic events

3 數值模擬研究導水裂縫帶高度

3.1 數值模擬實驗模型建立

使用FLAC3D軟件對文家坡煤礦4103工作面開始后“兩帶”發育情況進行模擬，建立的模型尺寸為600 m×1 000 m(圖9)。模型高度為模型下底面與工作面地表的實際距離，模型的側表面和下底面為固定邊界，模型上表面為自由邊界，采用摩爾—庫侖準則作為巖體破壞準則。

圖9 4103工作面FLAC3D模型Fig.9 FLAC3D model of 4103 working face

為方便模型建立與后期賦值計算，人為將上覆巖層劃分為25層，各層組的層位、厚度、巖性和力學參數見表1。考慮到室內測定各種巖性巖石力學參數時測試對象為巖石試樣，而模擬的各巖層為大尺度巖體，巖體中地質構造和節理裂隙等缺陷的存在會導致其強度明顯比巖石試件低，按仿真經驗將各巖層參數進行折減，系數為5。

表1 4103工作面上覆各巖層力學參數Tab.1 Mechanical parameters of overlying strata in 4103 working face

3.2 工作面開采后覆巖破壞區分析

模擬開采4103工作面以研究其上覆巖層破壞特征，工作面采用分步開挖的方法進行回采操作，每次開挖20 m，工作面共計回采500 m，開挖50步，工作面回采不同階段采場圍巖應力分布和覆巖破壞情況如圖10所示。

4103工作面開采的前期(圖10(a)、圖10(c))，采場最大垂直應力分布在工作面兩端，而采空區頂板主要承受拉應力，壓應力主要分布在地表。當工作面推進240 m(首次“見方”)時，采場最大應力集中分布在工作面前方5 m處，最大垂直應力值達到35.29 MPa，應力集中系數為2.71；當工作面推進至480 m(二次“見方”)，采場最大應力值集中在工作面處，最大應力值增大到38.42 MPa，應力集中系數為2.96。

4103工作面推進20 m(圖10(b))時，采空區頂板的底部主要受到拉張破壞，而在采空區的兩端則出現剪切破壞，覆巖破壞高度為12 m；當工作面推進至80 m(圖10(d))時，覆巖破壞的高度進一步增加到50 m，且以張拉破壞為主。隨著工作面的推進，煤層頂板首先發生剪切破壞，進而在雙向拉應力的作用下發生拉斷、冒落。當工作面推進至240 m(首次“見方”)時，采空區兩端均出現正在形成的周期性拉張破壞，而采空區中部頂板均已形成周期性拉張破壞區，冒落帶高度為12 m(圖10(f))；當工作面推進至480 m(二次“見方”)時，覆巖破壞高度達到160 m，此時認定導水裂縫帶發育高度即為充分采動后的覆巖塑性破壞區的發育高度，導水裂縫帶高度為160 m，裂采比為42.1。

圖10 工作面推進過程中采場應力和塑性區分布情況Fig.10 Distribution of stope stress and plastic zone during working face advancing

4 結論

(1)通過經驗公式法計算得到的4103工作面開采后垮落帶高度為10.2 m，導水裂縫帶發育高度為44.5 m，工作面冒采比和裂采比分別為2.8和12.1。而通過在工作面地表進行鉆孔的方式，采用鉆孔鉆液漏失量觀測法和鉆孔彩色電視窺視法觀測，得到的工作面垮落帶高度分別為44.2 m和46.7 m，導水裂縫帶發育高度分別為178.7 m和189.5 m。

(2)在井下和地面同時進行的井—地聯合微震監測結果表明，導水裂縫帶整體并未發育到洛河組含水層。根據大量的監測數據統計分析，得到4103工作面導水裂縫帶發育高度為180 m，裂采比為47.7。

(3)對4103工作面開采后上覆巖層應力和塑性區分布規律進行數值模擬計算后發現，采空區頂板巖層在煤層開采后受到雙向張拉應力的作用是垮落帶和導水裂縫帶不斷向上發展的主要原因，模擬得到的導水裂縫帶高度為160 m，裂采比為42.1。

(4)經驗公式計算導水裂縫帶高度已經不能適用于彬長礦區高強度、大埋深和高地應力的實際工程地質條件，地面鉆孔觀測和物探等觀測方法雖然存在觀測工作量較大和成本較高等問題，但在確定導水裂縫帶發育高度時具有較高的精度和一致性，還應該將其作為導水裂縫帶高度的主要確定依據，同時結合數值模擬進行驗證。