放頂煤長壁開采淺覆巖結構與變形研究

何澤志

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業公司，山西 寧武 036700）

當在淺埋煤層采用放頂長臂開采的方法時，由于誘發開采壓力很強，迫使覆巖破壞變形區域很大，可能會破壞負荷中的含水層，引起地表沉降，并破壞地表結構和環境，因此，檢測開采造成的破壞和變形具有非常重要的意義[1-3]。在文獻[4]中尹希文、常運飛采用相似模擬,微震實測,礦壓監測等方法研究了放頂煤長壁工作面上覆巖層變形破壞規律，得到了周期來壓與放頂煤高度[4]的間隔。劉全明[5]采用相似模擬實驗的方法，研究了淺埋深薄基巖條件下綜放開采覆巖運移規律的埋深效應,確定了覆巖石結構。黃漢富[6]對薄基巖綜放采場覆巖結構運動規律及支架圍巖關系進行了深入研究。建立了薄基巖厚松散層綜放開采覆巖運動的結構力學模型，給出了覆巖復合平衡結構的穩定性判據。文獻[7]采用反計算方法測量了最大破壞高度，得到了巖體與巖體之間的關系。Mills[8]等人描述了兩個測量站之間的傾角儀的安裝，并考慮探測結果可為研究長壁護墻板上覆巖層移動規律提供科學依據。根據面板的電參數關系分析了垮落帶的動態變化。采用全視鉆孔攝影技術和地震CT技術對綜放工作面上覆巖層的變形破壞進行了檢測。

1 組合測量技術的基本原理

1.1 全景鉆孔攝像

全景式鉆孔攝像系統首先使用鉆頭對巖層進行鉆孔，接著使用自供電的探頭采集巖層特征數據，將數據結果進行記錄后通過計算機處理數據。從而定量分析出鉆孔中的裂紋寬度和破環條件。

如圖1所示，井眼全景攝影系統由探頭、控制器、吊裝支架、電纜和計算機組成，在探測器的中心有一個攝像頭，可對井眼進行360°全景觀測。如圖2所示，攝像機通過光反射錐透鏡對井壁進行拍攝，然后對采集到的數據進行實時轉換、截取、拼接等處理，形成完整的井壁照片。照片根據垂直方向的埋深拼接在一起，在水平方向按照N-E-S-W-N序列進行排列。每一張照片都從北面開始，以確保正確的穿孔在一起。當展開的照片被包裹起來并旋轉觀看時，它就變成了一個虛擬的巖心。

圖1 全景鉆孔攝影組件

圖2 鉆孔全貌照片的發展

1.2 井間地震CT測量

在井間地震CT測量中，左側設幾個信號發射點，右側設幾個信號接收器。信號源可以是爆炸、電弧或錘擊。利用地震CT系統在覆蓋層中生成發射接收射線密集網絡，如下頁圖3所示。根據密度和分辨率，將網絡劃分為單元，建立了測量參數的線性聯立方程。選擇合適的射線跟蹤和反演方法對這些方程進行處理（見圖4）。在此基礎上，建立了測區的地震速度分布，可用于解釋地質構造分布中的異常區域以及裂縫發育。被測巖體地震速度在正常區相對均勻，在完整致密區地震速度高，在松散破碎區和裂縫發育區地震速度低。

圖3 地震CT系統產生的地震射線分布

圖4 地震逐層攝影反演流程

2 覆層破壞和變形的測量

2.1 礦區描述

大運華盛老窯溝位于中國山西寧武縣寧武煤田主要開采煤層為2號、5號煤層，厚度9~11 m，平均厚度10 m。CC綜放板由于受相鄰面板的影響，分為兩段。如圖5所示，A段寬86.4 m，長222 m，B段寬126.5 m，長371 m。采高3 m，頂煤放頂煤7.0 m。大采高會在覆巖上形成大面積破壞區，增加采動壓力。因此，采用全視角鉆孔攝影和地震CT掃描儀監測覆蓋層的破壞和變形。

圖5 放頂煤CC層

2.2 井眼布置和監測作業

考慮到操作全視圖鉆孔攝影和地震CT技術的要求，鉆孔在CC中心，沿推進方向距離切眼約150 m。第一個鉆孔1鉆取巖心采礦前在盤區中心沿工作面方向鉆孔2，3孔在盤區邊緣外33 m處鉆孔。當覆巖穩定后，開采3個月左右，4和5鉆孔分別在2和3鉆孔附近鉆孔。鉆孔1井為參考井，鉆孔2-鉆孔5井為應用全視圖攝影和地震CT技術。鉆孔完成后孔壁將被清洗，采用GD3Q-A/B全視角拍攝系統進行測量。

采用sercel-428 Lite型地震CT系統對CC板鉆孔的上覆構造進行了探測。采用鉆孔4/鉆孔5作為源接收孔，探測上覆巖層裂隙情況。

2.3 測量結果分析

結果表明，鉆孔2和鉆孔3鉆孔未受影響。覆蓋層完整，無固有裂縫。鉆孔5位于面板邊緣外33 m處。采動影響較小，且相對完整。鉆孔4鉆孔位于盤區中心，受采動影響較大。不同深度的地層柱如下頁圖6所示。在41.80~42.60 m深的黃土中，孔壁完好，無裂隙;基巖位于71.72~72.48 m之間，裂縫相對較少，間距較小。90.60~91.28 m為基巖，局部發育致密裂隙。在106~171 m之間，有發育的大孔徑水平和垂直裂縫，局部地層破碎嚴重。因此，垮落帶頂部深度為171 m，破碎帶頂部深度為106 m。彈性彎曲區在其上方。

圖6 鉆孔4井地層柱

通過地震CT測得的地震波行波網反演得到地震速度圖，如圖7所示。開采前，地層流速均勻，黃土與基巖邊界明顯。采后最大橫向速度為2 300 m/s，最小橫向速度為650 m/s，速度范圍為1 400~2 050 m/s。認為是由于覆巖中存在采動誘發裂隙，確定裂隙帶頂部深度為110 m，這與全視圖攝影的結果一致。

圖7 地震CT測量的速度圖

因此，根據綜合技術的結果，可以確定壓裂帶頂部在106~110 m的深度。

3 結論

采用全視鉆孔攝影技術和地震CT技術對煤礦覆巖破壞變形進行了確定。

1）可以確定垮落帶和裂隙帶的高度，確定覆巖變形特征。

2）經過開采后，CC上方基巖底部110 m處出現異常低速帶，這與全視鉆孔攝影確定的106 m深度情況相吻合。

3）CC區上方垮落帶頂端深度為171 m，破裂帶深度為106~110 m，彈性彎曲區位于斷裂區上方。