工作面覆巖裂隙演化測試技術發展趨勢

王曉蕾

(1. 呂梁學院礦業工程系，山西 呂梁 033001; 2. 煤礦機械裝備維護與檢測試驗呂梁市重點實驗室，山西 呂梁 033001;3. 呂梁市智慧煤礦工程技術研究中心，山西 呂梁 033001)

0 引 言

煤炭在我國能源結構中占有重要地位，對于我國經濟發展具有重要的促進作用[1]。在我國一次能源結構中，石油和天然氣的儲量相對于煤炭儲量非常小[2]。《能源發展戰略行動計劃（2014-2020年）》指出，到2020年，一次能源消費總量控制在48億噸標準煤左右，煤炭消費總量控制在42億噸左右，其中煤炭占一次能源比重為62%[3-4]。由此可見未來相當長的時間內我國能源還是以煤炭為主[5]。隨著煤炭資源的大量回采，淺埋深煤層開采殆盡[6-8]，煤炭企業不得不向深部開采，我國煤礦正以每年8～12 m的速度向下延伸，進入了深部開采階段[9]。深部開采面臨低滲透和高富水層的影響，給煤礦安全生產造成了威脅[10]。

當煤層開采后，受采動影響，上覆巖層發生移動、破斷最終垮落[11]。并隨著工作面的開采有采動裂隙產生，其裂隙有破斷裂隙、節理活化、離層裂隙三大類[12-13]。采動裂隙的分布對于礦井水災害和瓦斯治理具有重要意義。其發育特征受地質、開采工藝、煤層開采厚度多因素影響[13]。其分布特征的有效確定對于煤礦安全生產具有重要意義。

本文基于現有研究，總結了煤層開采覆巖裂隙演化規律研究現狀，并分析不足，針對現存問題提出未來煤層開采覆巖裂隙演化規律研究的發展趨勢。

1 煤層開采覆巖破壞

礦井中巷道開掘之前不受任何人類影響的巖體稱為原巖體[14]。存在于原巖中的力為原巖應力，巷道采掘前巖體處于彈性變形狀態。假設上覆巖層為均質連續介質，巖體為半無限體，當距地表高度為h時，其主要受上覆巖層的壓力作用。

當巷道開挖后，原始應力被破壞，應力重新分布，巷道周圍發生應力集中現象[15]。臨空煤巖體應力升高，同時，其受力狀態由三向變為兩向受力，此時承重主要是采空區上部的煤巖體，承受上部巖層應力作用。并將這種作用傳遞到工作面兩端的煤壁上與工作面前后的煤巖體上。在采空區內為煤巖體卸壓區。而在工作面兩端煤壁上形成應力集中區[16]。

采煤工作面前、兩端煤壁、采空區冒落的矸石分別承受的為前支承壓力、側向的支承壓力以及承載支撐作用的后支撐壓力。由于采空區的卸壓以及應力集中區的存在，必然使得煤層頂板發生破壞[17]。

2 開采覆巖裂隙演化理論

2.1 豎三帶理論

豎三帶理論是由劉天泉院士于1965年通過淮南李咀孜煤礦水體下采煤現場觀測總結出來的理論[18]。如圖1所示，當工作面開采后，由于采空區的作用，頂板原生裂隙擴展、最終產生了破壞，同時形成次生裂隙，當工作面穩定后，頂板形成有規律分布的垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶[19]。

圖1 豎三帶理論圖

垮落帶內煤巖體發生斷裂堆積在采空區內，少部分被許多垂直層面裂縫破壞，表現為跨出采區上邊界的拱形[20]，裂隙帶內巖層基本保持完整，但是被眾多垂直裂隙破壞，該范圍大于垮落帶的范圍，其破壞形態與垮落帶類似；彎曲下沉帶位于垮落帶和裂隙帶之上，巖體呈整體移動，基本上沒有受到采動影響未發生破壞，具有一定的隔水能力[21]。

2.2 “O”形圈理論

“O”形圈理論是由錢鳴高院士于1998年通過相似模擬試驗得出的裂隙演化理論[22]，見圖2。

圖2 “O”形圈理論圖

該理論是在頂板任意高度的水平面內，當工作面推進到一定距離進入到裂隙分布的第二個階段時，采空區中部的離層裂隙會在上覆巖層的作用下被壓實，在采空區四周存在連通的離層裂隙發育區，其形狀如O—X形狀，因此稱之為“O”形圈理論[23]。

2.3 橢拋帶理論

橢拋帶是由李樹剛教授于1999年通過相似模擬試驗得出覆巖裂隙動態分布特征理論[24]，見圖3。

圖3 采動裂隙層區面橢圓區

該理論指出主關鍵層控制著彎曲下沉帶巖層，其變形與沉陷是同步發生的，關鍵層下的橢拋帶裂隙較發育，同時，采場覆巖內不再有曲面輪廓，裂隙呈橢球臺狀[25]，以破斷裂隙為主。經過綜放工作面初次來壓以及周期來壓等充分采動后，覆巖橢拋帶在某結構上消失，但采動裂隙展布的裂隙發育區仍近似為橢圓區，空間裂隙不是恒定值，其變化與初次來壓和周期來壓步距有關系[26]。

2.4 巖移四帶理論

巖移四帶理論是由高延法教授于1996年通過計算機得出的[27]，其理論模型如圖4所示。

圖4 巖移四帶理論

該模型最下面的煤柱體和頂板巖層以及冒落矸石和斷裂巖塊已經喪失連續性，僅僅對上覆巖層起到支撐作用，這部分巖層為破裂帶。破裂帶之上各部分巖層疊合結構，接觸面為滑動接觸且層間是不連續的，稱之為離層帶。離層帶之上各巖層基本上保持原有的連續性和力學特性，呈現整體下移狀態，為彎曲帶。最上面的部分獨具力學性質的松散沖擊層稱之為松散沖擊層帶。巖移四帶模型實際上是基巖破壞后特征進行了分帶，從整體上看，是一種非連續性、非均值性的各向同性體。對于表層是非均值性、各向異性的松散體。

3 裂隙演化研究方法

3.1 相似模擬

相似模擬也稱為物理模擬[28]，它是基于相似原理技術的一種非常重要的研究方法。通過相似原理將原型按照一定比例縮小制作成模型，通過模型來分析工作面開采過程中覆巖裂隙演化規律[29]。通過人工材料代替原型中的煤巖體，原型與模型之間無本質區別。相似模擬分為二維和三維兩種，對于礦開采而言，二維模型能夠直觀看到工作面回采過程中覆巖裂隙演化規律以及破壞形態[30-31]。

相似試驗以相似原理為依據，其理論是相似現象的相似準則相等，其指標均為一；若現象相似，那么描述現象的各個參量存在一定的函數關系且相同；若兩個現象能夠通過相同文字描述且單值相似，同時相似準則相同的情況下，這兩種現象是相似的。

為了使得模型中的發生情況能夠準確反映實際情況，原型與模型之間必須滿足幾何相似、動力相似、時間相似，其表達式為：

式中： αL、αt、αr、ασ——幾何、時間、容重、應力相似系數；

LH、LM、tH、tM、rH、rM、σH、σM——原型和模型的幾何、時間、容重、應力值。

熊祖強[28]等采用相似模擬對山西某礦承壓水上開采裂隙演化特征進行了研究。以33410工作面為試驗工作面，該工作面主采9號煤層，煤層平均厚度為3.0 m。試驗采用平面力學模型進行分析，其尺寸為1.6 m×0.3 m×1.6 m。根據覆巖變化特征得出16個巖層。按照幾何相似比1∶100，密度相似比、應力常數均為1.56，時間相似比為10。以河沙、碳酸鈣作為骨料，石膏為膠結材料，云母作為巖層的分界面進行模型的搭建。試驗模型如圖5所示。

圖5 模型開挖前全景圖

在距離模型邊界30 cm處開挖，10 cm作為開切眼。開挖過程中覆巖應力演化規律如圖6所示。

圖6 應力演化特征

由圖可知，隨著工作面的不斷推進，應力基本呈上升趨勢。當回采到4 m出時，應力達到最大值為2.49 MPa。隨著繼續推進，應力降低并趨于穩定。當工作面推進到30 m處，覆巖產生了微小裂隙，隨著工作面不斷推進，裂隙寬度不斷加大并且向深部發育，工作面繼續推進，底板破壞產生了橫向裂隙，當工作面推進到60 m時，底板裂隙基本上貫通。底板裂隙經歷了生-發育-閉合的過程；當工作面回采結束，底板裂隙深度不一，但無導通裂隙。

3.2 數值模擬

數值模擬也稱為計算機模擬，它是借助計算機結合有限元或離散元的概念進行研究的一種方法[32]。是通過數值計算和圖像顯示的方法，達到對開采工作面的覆巖裂隙演化的研究目的。該技術誕生于1953年，主要用于模擬一維氣相不穩定徑向和線形流[33]。目前對于裂隙演化的軟件主要包含FLAC、UDEC、3DEC三種。

FLAC軟件的基本原理就是拉格朗日差分法，是一種利用拖帶坐標系分析大變形問題的數值計算方法[34]；UDEC是基于離散單元法的數值模擬軟件，通常情況下，物理介質呈不連續特征，主要表現為材料屬性的不連續或空間結構(構造)上的不連續。其基本公式假設為二維平面應變模型[35]。3DEC軟件是一種基于離散單元法作為基本理論的以描述離散介質力學行為的計算分析程序[36]。該軟件本質上是對二維空間離散介質力學描述向三維空間延伸。該軟件采用凸多面體來描述介質中連續性對象元素的空間形態，并通過若干凸多面體組合表達現實存在的凹形連續性對象。

雷利劍[37]采用數值模擬軟件對招賢煤礦覆巖裂隙演化特征進行了研究。該煤礦首采面為一采區1 307工作面，工作面走向、傾向長度分別是1 382 m、155 m。主采3號煤層，煤層平均厚度為10.6 m，煤層平均傾角為近水平煤層。以該工作面為原型進行建模，取模型長度、寬度分別是1 200 m、300 m，得出的計算模型如圖7所示。

圖7 離散元數值模型

開挖考慮邊界效應。采空區設置到模型中部。在距右邊界400 m設置開切眼。從右向左依次進行開挖，每步開挖50 m，同時設置好保護煤柱，開挖結果如圖8所示。

圖8 覆巖裂隙演化

由圖可知，隨著工作面的開挖，當開挖到100 m時，直接頂發生了垮落，同時在頂板泥巖處出現了橫向裂隙；隨著工作面的繼續推進，當開挖到200 m時，覆巖整體在中部發生了破斷，同時出現了橫向離層空間，由于其本身巖性較堅硬，所以存在一定支撐作用，其內部產生明顯裂隙；當工作面回采到400 m時，直羅組和安定組巖層之間的離層發生閉合，同時在其上部產生了明顯離層，離層長度約為236 m，其裂隙以交叉分布的裂隙網格為主。

覆巖破壞呈對稱分布，最大破壞位于頂部，其裂隙發育區主要位于離層區內，為裂隙網格區，以橫縱裂隙網格為主，呈八字形對稱分布，隨著覆巖層位的不斷升高，縱向主導水裂隙變陡，縱向和橫向離層裂隙構成頂板主控裂隙。

3.3 鉆孔電視

鉆孔電視對于煤層開采覆巖裂隙演化具有非常好的效果，是一種非常重要的研究方法。其原理是鉆頭中的CCD光學耦合器件將鉆孔內的孔壁圖像進行實時采集[38-39]（如圖9所示），并通過處理系統進行轉化，將孔內情況以360°圖像的形式展示出來，同時深度測試系統實時監測成像鉆頭深度[40]，并把深度傳輸到處理系統中，最終，鉆孔中的孔壁裂隙以圖片形式展現出來，并有裂隙產狀及深度[41]，其結構如圖10所示。

圖9 孔壁成像機理

圖10 鉆孔電視結構圖

鉆孔電視利用計算機來控制圖像的采集和處理，實現模—數之間的轉化。圖像處理系統能夠自動采集、記錄并且保存起來，經過處理后將以圖像的形式展示出來，通過圖片能夠清晰看到裂隙變化特征[42-43]。

王晶[13]等采用鉆孔電視窺視裝置對保護層開采被保護層裂隙發育進行了研究。該煤礦生產能力0.3 Mt/a，主采19和25號煤層，19號煤開采存在瓦斯提出問題，因此，采用保護層開采的方法進行保護，對其被保護層裂隙演化進行分析，根據地質實際情況進行探測，其鉆孔布置如圖11所示。

圖11 文獻[13]鉆孔布置示意圖

通過多次水力沖孔，多次探測得出覆巖裂隙演化圖如圖12所示。

圖12 鉆孔探測結果

由圖12可知，煤層回采后，覆巖裂隙發育明顯，有較大裂隙存在，為了更進一步分析裂隙，對其測到裂隙進行分析得出裂隙數量與寬度分布圖，如圖13和圖14所示。

圖13 裂隙數量與裂隙寬度曲線圖

圖14 裂隙寬度與所占比例曲線圖

由圖可知，當下保護層開采后上保護層裂隙寬度明顯較回采前變大。回采前裂隙寬度多集中在10 mm以下，占所有裂隙的80%以上。當工作面回采后，受到采用影響，裂隙數量和寬度均有所增加，裂隙寬度主要集中在10～20 mm之間，占所有裂隙的75%，受采動影響，被保護層裂隙發育度升高。

3.4 分段注水試驗

分段注水試驗多采用雙栓塞設備進行測試。系統主要由操作、封堵、測試系統三部分構成[44]。其工作面原理是當工作面回采后，覆巖受到采動影響必然發生移動、破斷最后覆巖發生垮落。在垮落的同時形成采動裂隙，由于受采動影響不同，不同覆巖部位裂隙發育程度也不同，通過測試設備，測試不同部位的漏失量，通過測試段的漏失量直觀看出裂隙發育程度[45]。其測試裝置結構如圖15所示。

圖15 分段注水裝置結構圖

喬小龍[46]等采用分段注水試驗對山西某礦覆巖裂隙演化特征進行了研究。該煤礦主采3號煤層，煤層平均厚度為5.82 m，試驗在3 302工作面進行布鉆，其鉆孔布置如圖16所示。

圖16 文獻[46]鉆孔布置示意圖

試驗開始后采用鉆機進行沖孔作業，待沖孔水變清后開始測試，每個測試段設置為1 m，每個測試段測試3次，每次5 min，3次取平均值作為該段的鉆孔漏失量。測試壓力設置為0.5 MPa，測試結果如圖17所示。

圖17 鉆孔漏失量曲線圖

由圖可知，工作面回采前鉆孔注水量較少，基本呈直線分布，注水量保持在100 L/min以下，工作面回采前原生裂隙數量較少，裂隙發育度較低。當受采動影響，鉆孔注水量曲線呈“臺階”分布，并且在一定鉆孔深度后，鉆孔漏失量恢復到開采前的水平，采動后鉆孔漏失量是采動前的16～32倍，得出覆巖裂隙發育高度為83.5～85.5 m。

3.5 微震監測技術

微震監測技術是基于地震學和聲發射學兩種技術[47]，它是測試煤層開采過程中裂隙演化規律非常重要的技術，通過監測煤層開采過程中覆巖裂隙破斷產生的微震動或其他震動，來監測其對生產活動的影響、效果及地下狀態的地球物理技術。當地下巖石由于人為因素或自然因素發生破裂、移動時，產生一種微弱的地震波向周圍傳播[48]，通過在破裂區周圍的空間內布置多組檢波器并實時采集微震數據，經過數據處理后，采用震動定位原理，可確定破裂發生的位置，并在三維空間上顯示出來，監測系統結構示意圖如圖18所示。

圖18 微震監測結構圖

原富珍[49]等采用微震技術對董家河煤礦工作面裂隙演化進行了研究，監測22517工作面，主采5號煤層，層厚3.3 m。

微震監測共經歷了將近兩年，為了有效研究覆巖裂隙演化特征，選取一部分進行分析，如圖19所示，圖中圓點為微震事件，顏色代表事件等級。

圖19 微震能量分布密度圖

由圖可知，在工作面過斷層前，微震能量主要集中在斷層30 m范圍內，紅色區域為高能量聚集區，走向長度可達到15 m。隨著工作面的不斷向前推進，裂隙向上盤采空區及深部擴展，裂隙發育貫通，有可能形成突水通道。該技術為礦井水災害防治提供了幫助。

4 存在問題及發展趨勢

4.1 存在問題

覆巖裂隙演化特征研究方法存在的不足及適用條件如表1所示。

表1 覆巖裂隙演化特征研究方法分析表

相似模擬：該方法是將原型縮小通過模型研究原型的技術，原型與模型之間相差較大，模型不能夠完全代替原型，同時，相似材料不能夠很好地反映實際煤巖體，導致模擬結果往往存在較大誤差。

數值模擬：數值模擬具有工作量小，成本低的優點。但該方法不能夠很好地代替實際情況，參數取值對于模擬結果影響較大，對于裂隙變化特征只能作為輔助手段。

鉆孔電視：該方法需要打孔作業，特別是在井上測試時，工程量非常大，且該技術探測的是某一階段的裂隙演化，而裂隙演化是一個動態發育過程，不能夠很好地反映實際情況。

分段注水：該技術也需要打孔作業，工作量大，特別對于超百米的鉆孔，不能夠進行很好的測試。同時不具有定量化的特點，僅能通過鉆孔內的漏失量進行發育程度的對比分析。

微震技術：微震技術是監測的煤巖體破斷信號，而煤礦存在放炮以及煤炮的影響因素，造成非破斷信號的監測不準確，不能夠很好地對裂隙演化特征進行研究。

4.2 發展趨勢

1）相似模擬研究存在一定的局限性，煤巖體的力學特征和覆巖變化特征是一個復雜的過程，完全、準確進行模擬很難做到，畢竟模型與原型相差較遠，為了提高相似模擬的準確度，未來相似模擬應通過數字巖心技術仿真煤巖體利用3D打印技術進行高保真還原，提高模擬準確度。

2）數值模擬相對于相似模擬模型更小，模擬準確度更不能代表實際情況，同時，覆巖裂隙演化規律受多種因素影響，而數值模擬僅僅考慮了開采深度和采厚等因素，相對于其他地質因素幾乎沒有涉及，造成模擬準確度不高。未來數值模擬應綜合裂隙演化多影響因素，優化煤巖體力學參數測試技術，引入新的思維方法和數學工具，提高模擬結果的準確度。

3)現場測試能夠很好地測試裂隙演化特征，但測試的往往是某一時段的裂隙演化規律，而覆巖裂隙演化是一個動態發育過程，貫穿整個回采工作面。未來現場測試應結合礦井智能化開采技術實現裂隙監測的動態化實時化，通過顯示裝置實時展現出來，為工作面的開采提供技術保證。

5 結束語

我國眾多礦井面臨水害和瓦斯災害的威脅，工作面回采后裂隙演化特征是礦山防治水及瓦斯治理的技術基礎，對于煤礦安全生產具有重要意義。本文在敘述煤層開采覆巖破壞和開采覆巖裂隙演化理論的基礎上，較系統地梳理了相似模擬、數值模擬、鉆孔電視、分段注水試驗、微震監測技術五種測試方法的工藝技術及裝備、測試結果、存在問題及適用條件，并對工作面覆巖裂隙演化測試技術發展趨勢進行了展望，未來測試技術會向新材料化、智能化、實時化、動態化方向發展。