覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的研究方法

趙 濤，梁世偉，華 樂

(安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院， 安徽 淮南市 232001)

覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的研究方法

趙 濤，梁世偉，華 樂

(安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院， 安徽 淮南市 232001)

導(dǎo)水裂隙帶高度的確定對(duì)水體下采煤十分重要。而對(duì)相似材料物理模擬、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、經(jīng)驗(yàn)公式法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、微地震技術(shù)等方法進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比，認(rèn)為就目前的技術(shù)而言，單一手段難以準(zhǔn)確的確定裂隙帶高度，多個(gè)方法的聯(lián)合應(yīng)用才能較準(zhǔn)確得到裂隙帶高度范圍。

導(dǎo)水裂隙帶高度； 物理模擬； 數(shù)值模擬； 經(jīng)驗(yàn)公式； 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

0 引 言

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展的今天，中國(guó)消耗主要能源資源依然是煤炭，煤炭資源的開發(fā)為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。在我國(guó)已探明的積壓在水體下儲(chǔ)存有數(shù)量巨大的煤炭資源，且分布具有廣泛性，所以解決水體下的煤炭開采問題也至關(guān)重要，然而導(dǎo)水裂隙帶溝通了含水層導(dǎo)致上覆巖層破壞與頂板突水問題日漸突出，所以導(dǎo)水裂隙帶高度的確定就顯得尤為重要。目前可以確定導(dǎo)水裂隙帶高度的方法有：相似材料物理模擬實(shí)驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

1 相似材料物理模擬實(shí)驗(yàn)法

相似材料物理實(shí)驗(yàn)是以相似理論作為依據(jù)的實(shí)驗(yàn)室研究方法。根據(jù)研究問題的需要，依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室按一定的比例縮小制作相似模型，開采模型時(shí)，為了找出相關(guān)變化規(guī)律要觀測(cè)有關(guān)量的變化，最后把觀測(cè)的結(jié)果再按比例放大返回到現(xiàn)場(chǎng)，從而得出現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)量的規(guī)律。采礦相似模擬實(shí)驗(yàn)是一種行之有效的研究方法，可以較好地研究上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，頂板的冒落情況及工作面前方煤壁和底板中的支承壓力分布變化情況。所以，在確定導(dǎo)水裂隙帶高度的問題上，相似材料模擬具有其獨(dú)特的地方。

已經(jīng)有不少學(xué)者做了研究[4]，如中國(guó)礦業(yè)大學(xué)馬立強(qiáng)等利用相似模擬技術(shù)分別得到了淺埋煤層及近淺埋煤層隨礦體的開采上覆巖層的破壞及導(dǎo)水裂隙帶高度的發(fā)育情況，為西部礦區(qū)淺埋煤層保水開采奠定了基礎(chǔ)。

2 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法

1980年代以來，我國(guó)開展了許多水體下采煤的專題性研究，取得了不少突破性進(jìn)展，我國(guó)于1985年制訂了《筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(簡(jiǎn)稱為《規(guī)程》規(guī)定了導(dǎo)水裂隙帶在各類條件下的計(jì)算公式及導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)的描述，也已獲得了微山湖下、淮河下、渤海灣地區(qū)水域下、華東、華北、東北地區(qū)巨厚流砂層下，以及許多礦區(qū)的含水(砂)層下壓煤開采的成功，為解放上億噸煤炭?jī)?chǔ)量提供了豐富經(jīng)驗(yàn)[6]。

《規(guī)程》中給出的公式簡(jiǎn)單明確，見表1，可根據(jù)不同的礦區(qū)條件、采煤方法及程度采用不同的計(jì)算公式，這為現(xiàn)場(chǎng)工作者提供了方便快捷的計(jì)算方法。

3 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)近些年突飛猛進(jìn)，通過礦區(qū)的地質(zhì)資料，覆巖的巖性特征，如巖石密度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、粘聚力等材料參數(shù)，建立相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型，按照相應(yīng)的采礦方法，推進(jìn)速度，進(jìn)行開挖，從而得到與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況相類似的覆巖破壞特征，實(shí)現(xiàn)了工程技術(shù)人員在室內(nèi)分析大型礦山的生產(chǎn)能力，這樣節(jié)約了時(shí)間和成本，為災(zāi)害預(yù)防預(yù)測(cè)提供了手段。

目前，作為數(shù)值模擬分析的軟件很多，其中具有代表性的有快速拉格朗日分析。(簡(jiǎn)稱FLAC)，離散元分析UDEC，及有限元方法等，都能對(duì)上覆巖層破壞進(jìn)行很好的模擬。

張明等對(duì)兗礦集團(tuán)的田莊煤礦煤層開采上限進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了導(dǎo)水裂隙帶高度，從而提高了煤礦的開采上限[1]，應(yīng)用到實(shí)際，提高了該礦的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還運(yùn)用有限元方法根據(jù)從三個(gè)鉆孔得到的物理學(xué)資料建立了力學(xué)模型，并逐步開挖，得到同樣的結(jié)果。

表1 導(dǎo)水裂帶高度計(jì)算公式

注：M為累計(jì)采高。

涂敏應(yīng)用數(shù)值模擬軟件FLAC對(duì)安徽淮南潘謝礦區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了模擬[3]，根據(jù)覆巖的工程巖組特征，建立了相應(yīng)的采動(dòng)力學(xué)模型，模擬得到上覆巖層塑性區(qū)破壞及導(dǎo)水裂隙帶高度，最大值為74 m，并通過最小二乘法繪出擬合曲線，歸納出潘謝礦區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶高度的計(jì)算通式，對(duì)該礦區(qū)的頂板突水事故的預(yù)防起到了關(guān)鍵作用。

近些年里，逐步發(fā)展起來的巖石破裂過程分析軟件RFPA，是基于有限元方法開發(fā)的[9]，對(duì)上覆巖層的采動(dòng)破壞、離層模擬非常有效，神東礦區(qū)等運(yùn)用此軟件進(jìn)行模擬得到了頂板初次來壓、周期來壓步距，并得到不同基巖厚度的上覆巖層的破壞形態(tài)，為含水層下安全采煤提供了指導(dǎo)。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是目前確定導(dǎo)水裂隙帶高度的主要方法，上述方法只是輔助現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)實(shí)測(cè)得到的結(jié)果加以修正，使得結(jié)果更加貼近實(shí)際。目前應(yīng)用較多的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法有超聲成像法、注水試驗(yàn)法、聲波CT層析成像法、高密度電阻率法、微地震技術(shù)等。

(1) 超聲成像法。它是應(yīng)用超聲成像數(shù)控測(cè)井儀對(duì)鉆孔進(jìn)行掃描，繪制出聲幅曲線，從而分析反應(yīng)巖層破裂狀況及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度[7]?；茨系V區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶高度的確定是通過地面鉆孔，獲取破壞資料，同時(shí)應(yīng)用超聲成像法對(duì)其得到的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，使得對(duì)裂高的判別更加準(zhǔn)確。

(2) 注水試驗(yàn)法。該方法首先是由山東科技大學(xué)研制并應(yīng)用于井下，其原理是在工作面附近或巷道內(nèi)打出一條專門用來觀測(cè)的巷道，并在此巷道內(nèi)傾斜向上或向下打若干個(gè)鉆孔，鉆孔的長(zhǎng)度大約為10～14倍的采高，在鉆孔內(nèi)注水，并封堵測(cè)試水的漏失量，從而得到該范圍的巖層破裂情況，并估計(jì)導(dǎo)水裂隙帶高度。該方法對(duì)巖層實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)觀測(cè)，而且并不受采動(dòng)的影響，結(jié)果可靠，但是需要提前打出一條觀測(cè)巷道，成本較高。此方法在1990年代中期，在肥城礦業(yè)集團(tuán)的楊莊煤礦8608工作面取得了顯著的效果，之后應(yīng)用于鮑店煤礦、興隆莊煤礦，也得到了成功[8]。

(3) 聲波CT層析成像法[5]。其原理是利用聲波在巖層中傳播速度的變化來判斷巖層的完整性，因?yàn)閹r層的物理力學(xué)性質(zhì)與聲波波速關(guān)系密切，它是通過測(cè)試運(yùn)用物理數(shù)學(xué)關(guān)系反演內(nèi)部巖層的變化，生成清晰的圖像，進(jìn)而判斷其內(nèi)部破壞情況，如果聲波在其內(nèi)部傳播的快，則說明巖層的完整性好，相反，則說明巖層破裂[10]。此方法簡(jiǎn)單，且成本低。1998年和1999年，淮南礦區(qū)的孔集煤礦應(yīng)用了此方法，對(duì)其采場(chǎng)的上覆巖層破壞高度及底板的采動(dòng)破壞深度進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果應(yīng)用到了實(shí)踐中并取得了滿意的成效[11]。另外，在義馬礦區(qū)的新安煤礦，對(duì)其工作面進(jìn)行測(cè)試，通過分析電子剖面圖，成功的獲得了上覆巖層三帶高度。

(4) 高密度電阻率法[2]。該方法利用煤層采動(dòng)前后巖層的電阻率的變化進(jìn)行判斷。由于礦體在沒有采動(dòng)以前，受原始地應(yīng)力的作用，使得該區(qū)域的電阻率保持一個(gè)恒定的值，但是在采動(dòng)的影響下，巖層完整性遭到破壞，其中的水分也會(huì)充填在內(nèi)，使得巖層的電阻率發(fā)生變化，通過分析可得到導(dǎo)水裂隙帶的破裂范圍。

(5) 微地震技術(shù)。巖層在采動(dòng)的情況下[12]，上覆巖層破壞會(huì)產(chǎn)生地震波，向周圍傳播，利用微地震波接收裝置接到波的傳播信息，從而判斷巖層的破壞位置，及破壞程度。

5 結(jié) 論

不管是相似模擬、數(shù)值模擬、經(jīng)驗(yàn)公式，還是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，各種方法都有優(yōu)缺點(diǎn)，在探測(cè)巖體的裂隙發(fā)育與圍巖的破壞狀態(tài)時(shí)，應(yīng)用注水試驗(yàn)法可很好的確定裂隙破壞狀態(tài)，具有工程施工量少且精度高的特點(diǎn)；應(yīng)用高密度電阻率法可以對(duì)上覆巖層的冒落帶、裂隙帶進(jìn)行觀測(cè)，并可以取得很好效果；聲波CT層析成像法可以對(duì)頂板、底板的巖層的破壞情況進(jìn)行探測(cè)，效果明顯。在實(shí)際工作中，單一的手段是不能很好的確定導(dǎo)高的，幾種方法聯(lián)合使用，可使各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)相互補(bǔ)充，從而可得到較準(zhǔn)確的裂隙帶高度。

[1] 胡 戈,李文平,程 偉,等.淮南煤田綜放開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律研究[J].煤炭工程，2008,(05):74-76.

[2] 戴 露,譚海樵,胡 戈.綜放開采條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律探測(cè)[J].煤礦安全,2009(03)：90-93.

[3] 涂 敏.潘謝礦區(qū)采動(dòng)巖體裂隙發(fā)育高度的研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2004,29(6):641-645.

[4] 施龍青，辛恒奇.采深條件下導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41(1)：37-41.

[5] 許家林,王曉振,劉文濤,等.覆巖主關(guān)鍵層位置對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009(02)：380-385.

[6] 許家林，朱衛(wèi)兵，王曉振.基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(5):762-769.

2013-09-23)

趙 濤(1988-)，男，河南商丘人，碩士，主要研究方向?yàn)楦矌r導(dǎo)水裂隙帶高度的研究，Email：279257981@qq.com。