承壓水帶壓開采影響下底板破壞深度勘測

韓 鎏，劉 巖

（1.山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊，山東 濟南 250014；2.山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014）

引言

煤炭資源在我國能源結構中占有較大的比例，但是在煤炭的開采過程中會面臨著礦井水害的影響，尤其是底板承壓突水危害較為嚴重[1]。從有關資料統計來看，從2010年開始直到現在，我國累計出現礦井突水的煤礦有300多個，造成直接財產損失高達數十億元[2-4]。對于底板突水的研究，學者們多從是理論推導、現場實測和數值模擬的角度研究工作面開采之后煤層底板的裂隙發育、破壞范圍等，都取得了較為顯著的成果[5-7]。其中，由于地球物理探測方法有操作方便、費用較少、結果顯示較快、攜帶便捷和可選擇面廣的特點，所以在實踐過程中運用較為廣泛，探測方法包括電阻率法、巖體聲波探測法、微震監測法和CT法等。綜合背景煤礦和工作面的情況，筆者選擇采用巖體聲波探測法進行研究，這對于掌握承壓水帶壓開采影響下底板破壞規律，及時采取預防措施，豐富礦井防治水理論與技術，對于煤礦的安全生產具有極為重要的意義。

1 工作面概況及探測方案

1.1 工作面該概況

某礦61205工作面長度為1 480 m，煤層層位穩定，結構簡單，煤層傾角8°~18°，平均煤厚為5.5 m，可采地質儲量是33萬t。煤層底板的隔水層巖性由泥巖和砂巖構成，部分位置的砂巖直接位于奧灰含水層之上。隔水層厚度為30~75.6 m，平均厚度為48 m，工作面突水的主要危害是砂巖裂隙含水層和奧灰水。

1.2 探測內容

此次勘測的對象是該礦61205工作面底板的破壞深度，分析在帶壓開采擾動下底板巖層的破壞特征，此次勘測需要考慮到連續性和針對性，所以采用巖體鉆孔聲波探測的方法進行，根據不同巖性的巖體中能量波速度的差異，來判斷空間上巖體的分布特征，來分析巖體裂隙狀態。

1.3 聲波測速鉆孔布置方案

為了能夠達到對61205面底板破壞深度準確預測的目的，進行采前、采中和采后三個階段的鉆孔聲波測速觀測。觀測點的選擇要尊重兩個原則，其一是要選擇圍巖完整的區域進行鉆孔施工，其二是考慮到觀測時間上的連續性，能夠順利觀測到采前、采中和采后巖層的損傷特征，打鉆位置與切眼之間要有一定的距離。所以在如圖1所示的位置處進行觀測鉆孔施工，在運輸巷外側的1位置處打3個不同角度的鉆孔。

1號、2號、3號鉆孔分別構成了兩個觀測鉆面，孔深35~42 m之間，俯角度分別為1°、6°、11°。

2 采場底板破壞深度觀測結果分析

在開采擾動影響下，煤層底板原有的應力狀態會發生變化，但是由于與工作面的距離不同，影響程度也不同。聲波探頭放置于鉆孔內，聲速指的是收發器之間20 cm的聲速，只有當這段距離四周的巖體較為發育的時候，聲波才會出現大的波動。以1號孔為例進行分析，研究不同開采階段的波速數據變化，得到煤層底板破壞深度，其他孔同理可得。

表1 采前鉆孔測試結果

2.1 工作面開采與聲波速度間關系

從表中可以看出，可以看出，在工作面開采之前，巖層聲波速度較為穩定，沒有大的起伏。工作面采過之后，因為開采擾動使得了底板巖層應力重新分布，孔隙率發生改變，同時產生了裂隙，巖層成分不均勻，所以聲波速度起伏較大。不同開采時期，同位置處聲波速度出現波動的主要原因是孔隙度的改變，孔隙度能夠反映出巖體破壞程度，孔隙度k的計算公式如下：

式中：Vr代表了巖石骨架的聲速；Vm代表了鉆孔中液體的聲速。

從現場的勘探結果來看，底板巖層的分布順序依次為細砂巖、泥巖和中砂巖。通過對鉆芯樣品進行聲波實驗得出其聲速分別為V細砂巖=5 330 m/s，泥巖V泥巖=2 680 m/s，V中砂巖=5 020 m/s，水的波速是1 500 m/s，代入公式（1）可以得到如圖2所示的1號鉆孔的孔隙度曲線圖。

2.2 埋深與聲波速度間關系

1號孔淺部（不大于9 m)的巖體，對比未開采和采掘中測試結果能夠看出，聲波波速出現了顯著的降低，出現這個現象的原因是這個位置的巖體在受到支撐應力的影響下，開始產生塑性變形，內部的裂隙擴展，所以聲波的波速降低，波形出現起伏。此外，發現在開采完成之后，接收不到波形，說明這一區域的巖體裂隙得到了充分發育，進一步擴展，甚至出現垮落，波速急劇降低。

在1號孔的中部區域（9~21 m）整體上波速呈現出小幅度降低的趨勢，未出現較大的起伏，分析認為此區域的巖體整體上處于彈性階段，其內部的裂隙變化較下；但在局部位置處聲波出現了升高的趨勢，說明該區域可能出現了塑性變形。整體上此段區域巖體較為完整，但裂隙發育程度不均勻。

1號孔的深部區域（大于21 m），巖體聲波測速結果基本上保持不變，說明在此區域段，巖體依然處于彈性階段，受到的開采擾動較小，底板巖層的裂隙發育未達到此處。鑒于此，對于1號孔而言21 m是底板巖層損傷的最大深度，同理可得，2號孔、3號孔的破壞下限分別為21 m和24 m。

3 結論

為了研究帶壓開采擾動下煤層底板破壞規律，本文結合背景煤礦和61205工作面的實際概況制定巖體聲波探測方案，監測開采前、中、后三個時期聲波變化，進而分析底板破壞深度，得到以下結論：

1）開采之前，巖層較為穩定，聲波速度出現沒有大的起伏。開采之后，因為開采擾動使得了底板巖層應力重新分布，孔隙率發生改變，同時產生了裂隙，巖層成分不均勻，所以聲波速度起伏較大。

2）1號孔淺部（不大于9 m)采中至采中時期，波速出現了顯著的降低，且起伏較大。開采之后，波速大幅下降；中部區域（9 m~21 m）波速呈現出小幅度降低，未出現較大的起伏，但局部出現了升高的趨勢；深部區域（大于21 m），巖體聲波測速結果基本上保持不變，即得到1號孔破壞下限為21 m，同理能夠得到2號、3號孔的破壞下限為21 m、24 m。