特厚煤層綜放開采下工作面底板巖層破壞特征

高銀貴，孔皖軍，陳永春，薛賢明，鄭劉根，常成林，姜春露，國 偉，雷 鋒，王 剛

(1.鄂爾多斯市華興能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司，安徽 淮南 232001；3.安徽大學 資源與環境工程學院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著中國工業發展需求，煤炭需求也日益增長。華北型煤田作為我國重要產煤區，煤炭儲量豐富，隨著煤礦向深部延伸開采，煤層底板灰巖水害問題已成為煤田開采的最大技術難題之一[1]。底板涌水是指下伏承壓水沖破底板巖石屏障并沿底板含水層的內部導水通道向上流入采空區的過程[2]。在綜放開采條件下，煤層開采使工作面底板阻水層厚度減小，底板阻水能力降低，涌水風險增大。由于底板形成的條件不同，導致底板巖體存在理化性質差異，結合當下不一樣的水文地質條件，在多種類地應力混合作用影響下，底板損傷的程度、方式和機理存在差異[3-4]，使得底板巖體抵抗承壓水侵入的能力存在差異。為減少底板變形破壞帶來的災害事故，掌握致災機理，對開采條件下覆巖變形進行預測和防治成為重要的研究內容[5-6]。劉軍[7]將并行電法應用于探測新疆某高瓦斯傾斜厚煤層綜采工作面“豎三帶”分布情況，結合電極電流反演技術，探測結果與理論值基本吻合，證明了并行電法在煤礦工作面“三帶”探測具有較高的準確性。張平松等[8]將震波CT探測技術應用于工作面孔-巷間的斷面觀測，得到回采過程中底板破壞的動態發育規律及特征。王靜雪等[9]將導致底板突水的主控因素基于FDAHP與TOPSIS建立了煤層底板突水風險評價模型，與華北型煤田開采工程實踐相結合取得了較好的預測效果。孫曉光[10]采用FLAC3D數值模擬軟件對底板進行流固耦合分析，對煤層底板突水預測及防治進行了深入研究。可見，研究煤層底板受采動影響下應力狀態和分布變化，及其對于底板巖層破壞深度與特征影響，總結相關技術參數，可為煤礦工作面防治水工作開展提供基礎[11]，對保障工作面安全開采，具有重要的指導意義[12-14]。

準格爾煤田煤炭資源開發于近年伊始，該區域深埋特厚煤層綜放開采下工作面底板變形破壞規律研究較少[15]。唐家會煤礦是目前準格爾煤田中采深最大、水壓最高的礦井，主采6煤底板缺少峰峰組灰巖沉積，受奧灰巖溶水害威脅嚴重，因此底板破壞特征研究更是重中之重。光纖傳感技術和高密度并行電法在對唐家會礦61201工作面底板破壞監測取得了良好的效果，故本次工程以準格爾煤田唐家會礦61303特厚煤層綜放開采工作面為研究區，運用光纖傳感技術和高密度并行電法進行現場動態監測，綜合分析底板變形特征和破壞機理，總結底板破壞參數，為該區域煤礦進行防治水工作、消除突水威脅、保障工作面安全合理開采提供依據。

1 工作面概況

61303工作面東起一盤區6煤輔運大巷(圖1)，西至呼準一期鐵路煤柱保護線，北鄰61302工作面，南鄰61304工作面。根據資料，61303工作面主采6煤，走向長1 800 m，傾向寬240 m，工作面煤層厚度17.2～27.3 m。

圖1 唐家會礦6煤煤厚等值線圖及61303工作面頂底板巖性圖Fig.1 Thickness contour map of No.6 Coal Seam andlithology map of roof and floor of No.61303 workingface in Tangjiahui mine

6煤底板砂巖層的富水性較弱，在隔水層薄、阻水性能差或存在奧灰水原始導升的地段，主要水害威脅來源為底板灰巖水，在垂向導水構造發育塊段，6煤頂底板含水層水與底板奧灰含水層相互連通，奧灰水作為充水水源。61303工作面6煤底板到奧灰頂界面的隔水層厚33.69～88.79 m，上部巖性以6煤底板粘土巖、砂質泥巖為主，夾灰色透鏡狀砂巖；中部巖性以泥巖、砂質泥巖、粘土巖夾多層砂巖為主；下部巖性為砂質泥巖、泥巖、細～粗粒石英砂巖，夾透鏡狀灰巖、泥灰巖；底部巖性為粘土巖或鋁土質粘土巖，相當于華北G層鋁土礦。巖石裂隙發育較差，由于缺失峰峰組灰巖沉積，導致局部地區出現砂巖層直接覆蓋在奧灰含水層之上。

2 探測原理

(1)光纖傳感技術探測原理

光纖傳感技術探測應用光纖幾何上的一維特性[4]，把被測參量作為光纖位置長度的函數，它可以在光纖的整個長度上沿著光纖的幾何路徑連續地測量外部物理參數，并獲得所測物理參數的空間分布和時變信息[16]。受采掘工作推進影響，煤層底板巖體發生形變，其應力狀態和溫度場的改變使得光纖發生拉伸和壓縮形變，導致光纖的布里淵中心頻率向左和向右偏移，進而光纖應變測量儀根據光纖應變值的變化進行監測和測量計算，從而分析巖層的破壞規律[17-20]。

(2)高密度并行電法原理

高密度電阻率法根據土壤電導率的差異，采用電法通過人工施加穩定的電流場，研究土地中傳導電流的分布規律[21]。它的理論基礎與常規電阻率法相同，但區別在于方法和技術。在高密度電阻率法的現場測量中，將所有電極(數十到數百個)放置在觀察部分的每個測量點上，然后使用程序控制的電極轉換裝置和微機工程電氣測量儀器。將測量結果發送到微機后，對數據進行處理，并給出有關地電斷面分布的各種圖示結果[22]。

3 工程設計

以監測煤層底板在回采條件下的變形與破壞特征，獲得相應的技術參數，掌握底板破壞發育規律為目標，為工作面開采灰巖水防治提供依據，選擇61303工作面的61303-1斷面開展試驗工程。通過在工作面巷道特定位置施工井下鉆孔，采用并行電法和光纖傳感探測技術，觀測6煤采后底板破壞情況，分析6煤工作面回采過程與底板破壞之間的動態變化規律。

(1)鉆孔布置安裝

61303工作面底板變形與破壞特征觀測實施底板鉆孔觀測方式，進一步獲得采前100 m，采后50 m范圍內的巖層變形規律及其特征。

圖2為底板破壞測試斷面監測孔設計位置示意圖，監測孔利用工作面原有回風順槽布置。為了使得61303工作面監測數據完善，將監測孔設計為朝著工作面退尺方向和朝向工作面內與巷道走向垂直兩個方向，1#、2#監測孔為了在監測過程中形成協同作用，布設方向為朝著工作面退尺方向布置，3#監測孔對于初次超前應力影響的時間及工作面距監測孔口距離可有效捕捉，布設方向為朝向工作面內與巷道走向垂直。1#、2#、3#監測孔與工作面底板的水平夾角分別為30°、30°和90°，詳見表1。通過在設計鉆孔中布置電極與光纖傳感器，采用并行電法儀器與BOTDR光纖儀進行數據采集，根據不同時間測取的鉆孔電法反演電阻率成像與巖層應力應變變化曲線，分析總結底板破壞變化規律。

圖2 底板監測孔布置位置圖Fig.2 Layout of bottom plate monitoring holes

表1 監測孔主要設計參數

(2)斷面數據采集

1#、2#、3#監測孔布設完成后以距離監測斷面孔口距離約100 m處作為工作面回采退尺點，共采集數據78組。將工作面回采至距離監測斷面80 m后設為監測靈敏階段，在監測靈敏階段連續采集數據，同時加強對于工作面底板應變、電阻率值變化的監測。

監測孔控制范圍是指在該工作面回采退尺底板對于影響深度的范圍內以及受到工作面超前應力的影響，引起巖體在運動中產生不同的時空之間關聯內部變化規律與特點的區域，將在工作面回采退尺位置距離監測斷面-100.4 m處的數據作為監測數據初值，并自此加強對斷面監測靈敏期階段的監測，共采集數據168組。

4 結果分析

4.1 光纖應變分布特征

隨著回采工作不斷推進，對監測斷面位置處觀測孔中不同深度的感應光纖應實時監測，獲得1#、2#、3#監測孔應變云圖，如圖3所示。

由圖3(a)可知，光纜應變以壓應變為主，說明底板受采動超前應力影響前期整體壓縮，當工作面推過監測鉆孔相應的監測區段，底板卸壓發生底鼓膨脹，受剪切力的作用呈現一定的拉伸應變。受采動影響鉆孔最大拉應變為1 772 με，位于孔深6.0 m處，此時工作面跨過監測孔口33.5 m，最大壓應變為-5 383 με位于孔深6.6 m處，此時工作面過監測孔口9.6 m。由圖3(b)可知，光纜應變以壓應變為主，說明底板受采動超前應力影響前期整體拉伸，當工作面推過監測鉆孔相應的監測區段，底板卸壓使得超前應力施加在監測區域底板，呈現一定的壓縮應變。受采動影響，鉆孔最大壓應變發生于工作面距離監測孔口21.0 m處，孔深11.0 m處，為-2 093 με；最大拉應變發生于工作面距離監測孔口26.2 m處，為2 341 με。由圖3(a)和(b)可以看出，回采初期，距工作面退尺位置較遠，采動影響較小，感應光纜受影響較小，光纜應變趨勢相對穩定。

由圖3(c)可知，在工作面回采未到達3#監測斷面孔口時，光纜以壓應變為主，底板受采動超前應力作用發生壓縮，過監測孔口后，底板卸壓發生底鼓膨脹，光纜受剪切力作用發生拉伸應變。受采動影響鉆孔最大拉應變為1 223 με位于孔口處，此時工作面跨過監測斷面39.5 m，最大壓應變為-4 153 με，位于孔深6.5 m處，此時工作面距離監測斷面9.6 m。

回采進程中，通過對監測孔及孔內感應光纜在對應地層發生的應變分布監測，底板應變隨回采發生彈性、剪切和膨脹三個階段的采動變形。由1#、2#、3#監測孔綜合分析，破壞深度劃分在應變云圖上圈定。結果如表2，綜合分析底板破壞深度為14.5 m，破壞擾動最大深度為32.0 m。

表2 光纖測試結果

4.2 視電阻率分布特征

隨著工作面推進，監測鉆孔受到超前應力壓縮以及采后底板卸壓底板巖體底鼓膨脹的影響，監測隨回采推進鉆孔不同深度的電阻率，獲得電阻率分布圖(圖4)。

圖4 視電阻率分布圖Fig.4 Apparent resistivity distribution map

工作面切眼距觀測系統101.5 m時，距離監測孔口較遠，工作面采動應力對該范圍無影響，可作為正常砂質泥巖、中砂巖電阻率背景值，其電阻率背景值總體都在330 Ω·m以下。在過監測孔口56 m(3月28日)，監測電纜線受損，受此影響電法數據無法呈現監測效果，但是從處理結果看，控制范圍的巖層受采動影響變化已穩定。

將視電阻率值變化與底板分帶現象的呈現階段相結合，可將視電阻率變化劃分為四個階段，由圖5可知，第Ⅰ階段監測范圍內的視電阻率稍有上升，總體平穩。垂直打入底板的3#監測孔受綜放開采下底板變形導致的剪切應力影響較小，視電阻率變化較1#和2#監測孔趨于平緩。第Ⅱ階段，隨著回采推進，底板受超前應力作用致監測孔的受影響范圍增加，主要表現為1#、2#、3#監測孔在孔深10.0～40.0 m、10.0～48.0 m和10.0～35.0 m范圍的電阻率值持續升高。第Ⅲ階段，回采工作不斷推進，底板受超前應力影響，1#、2#和3#監測孔在監測孔口至孔深40.0、35.0、40.0 m范圍內，部分鉆孔控制的砂質泥巖層在監測孔口附近出現大面積電阻率上升現象。第Ⅳ階段，1#、2#和3#監測孔在工作面推進過孔口7.4、20.7、35 m后，監測孔控制層位范圍的電阻率值不再出現明顯變化。分帶現象初步呈現發生在第Ⅱ階段，在第Ⅲ階段較明顯且可能伴隨破碎帶發育，主要在控制層位的砂質泥巖層中。與2#監測孔呈現效果相比，1#監測孔超前應力影響不明顯，出現明顯的電阻率值變化現象有所推遲，2#監測孔在孔深5.0～35.0 m范圍時就出現大面積電阻率值明顯升高現象，鉆孔控制范圍的層位破碎帶發育也明顯提前。綜合3個監測孔并行電法視電阻率分布情況，底板破壞深度12.0 m，破壞擾動最大深度為30.0 m。

圖5 1#、2#和3#監測孔視電阻率變化階段示意圖Fig.5 Schematic diagram of apparent resistivity change stages of 1#、2# and 3# monitoring holes

5 結 論

對于61301工作面底板巖層破壞深度和破壞擾動最大深度的測試研究，鉆孔光纖技術與并行電法技術兩種方法探測結果基本一致。考慮到光纖光纜布設位置更為精確，數值變化靈敏，反映的破壞帶變化更為清晰，且電纜線后期發生斷裂，因此對于破壞帶的劃分與判斷，將鉆孔光纖傳感技術的成像結果作為主體，鉆孔并行電法成像結果為輔助進行解釋。通過光纖傳感技術和并行電法結果綜合分析，61303工作面底板巖層破壞帶深度為14.5 m，位于砂泥巖巖層中部，破壞擾動最大深度為32.0 m，位于砂泥巖巖層下部。