采煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度實(shí)測(cè)方法

李聰然

(華北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家莊 050021)

0 引 言

煤炭資源是我國(guó)主要的能源，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著十分重要的地位。煤炭開采會(huì)導(dǎo)致上覆巖層的破裂、垮塌，最終形成“三帶”，即冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲帶。采煤期導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度嚴(yán)重影響著礦井水害的防治，采煤結(jié)束后影響覆巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、采空區(qū)治理和地表土地利用。因此需要對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行測(cè)量與預(yù)測(cè)。

目前導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度常用的研究方法有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、相似模擬、數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)公式等[1-2]。實(shí)際應(yīng)用中往往多種方法結(jié)合得出導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測(cè)值，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證選用預(yù)測(cè)模型的可行性和準(zhǔn)確性，達(dá)到安全采煤的目的?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采煤導(dǎo)水裂隙帶高度的方法有鉆井探測(cè)和物理探測(cè)兩種方式，為了獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果，常常將兩種及兩種以上方式進(jìn)行組合。

1 鉆孔探測(cè)

鉆孔探測(cè)為點(diǎn)式探測(cè)方法，具有工作量大，時(shí)間長(zhǎng)，成本高，效率低等特點(diǎn)，通常需要結(jié)合前期物探提高探測(cè)效果。目前常用的鉆孔探測(cè)包括鉆孔沖洗液漏失法、鉆孔彩色電視、井下仰孔注水測(cè)漏法、孔間震波CT、分布式光纖傳感技術(shù)等。

1.1 鉆孔沖洗液漏失法

鉆孔沖洗液漏失法是通過測(cè)定鉆進(jìn)過程中鉆孔沖洗液消耗量、鉆孔水位、鉆進(jìn)速度、卡鉆、掉鉆、鉆孔吸風(fēng)、巖芯觀察和地質(zhì)資料判斷導(dǎo)水裂隙帶高度及其破壞特征的一種方法。如康永華等[3]將鉆孔沖洗液法和鉆孔聲速、鉆孔超聲成像法對(duì)采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行了測(cè)定，指出鉆孔沖洗液法在原生裂隙發(fā)育的地區(qū)通常不能得出準(zhǔn)確的結(jié)果。

1.2 鉆孔彩色電視

鉆孔電視法是將專用攝像機(jī)送入預(yù)先打好的孔中，通過上下移動(dòng)把鉆孔周圍巖層中的裂隙發(fā)育情況顯示在地表的監(jiān)控設(shè)備中?；阢@孔內(nèi)裂隙發(fā)育狀況實(shí)現(xiàn)覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的確定。劉英鋒等[4]在大佛寺煤礦采用鉆孔彩色電視系統(tǒng)結(jié)合簡(jiǎn)易水文觀測(cè)孔對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了觀測(cè)，得出發(fā)育高度為170.80～192.12 m，并分析了深埋特厚煤層綜放開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征。

鉆孔電視法可以直觀的獲取鉆孔內(nèi)巖石性質(zhì)、裂隙發(fā)育情況。但容易受到鉆孔質(zhì)量的影響，如塌孔容易造成無法觀測(cè)及設(shè)備的損壞。

1.3 井下仰孔注水測(cè)漏法

井下仰孔注水測(cè)漏法是通過在巷道或工作面向上打小口仰孔，將鉆孔兩端堵水器布設(shè)于鉆孔內(nèi)，分段注水，測(cè)定漏失量以獲得覆巖中裂隙發(fā)育情況，得出導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。如D.P.Adhikary[5]通過兩端堵水器的液體滲透，對(duì)覆巖的破碎情況進(jìn)行了研究。

該技術(shù)較為直觀，但成本高、施工難度較大，受原生裂隙影響較大，數(shù)據(jù)的獲取受到操作人員能力的限制。

1.4 孔間震波CT

孔間震波CT利用不同巖層具有各不相同的波阻抗和聲波在不同巖層界面反射能力也不同的特征，通過向圍巖發(fā)射超聲波的反射特征分析、解釋圍巖裂隙的發(fā)育情況。依據(jù)圍巖裂隙發(fā)育情況判定導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。程學(xué)豐等[6]在淮南孔集礦的采煤工作面和地表之間采用井、地聲波CT探測(cè)對(duì)采動(dòng)引起的覆巖破壞進(jìn)行了探測(cè)，根據(jù)CT切面圖像解析確定了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最大值，與鉆孔探測(cè)得出的結(jié)果相一致，驗(yàn)證了聲波CT探測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的可行性。

1.5 分布式光纖傳感技術(shù)

光纖傳感技術(shù)是以光為傳感信號(hào)，光纖作為傳感器和信號(hào)傳輸介質(zhì)，達(dá)到感知和探測(cè)周圍環(huán)境變化。光纖傳感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全分布、長(zhǎng)距離、實(shí)時(shí)性的覆巖變形監(jiān)測(cè)的目的，具有質(zhì)量輕、抗輻射、抗腐蝕、抗電磁干擾等特點(diǎn)，為導(dǎo)水裂隙帶的確定提供了一種新的方式。工程應(yīng)用中通常采取鉆孔布設(shè)分布式光纖測(cè)量導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，工程中常用的光纖傳感技術(shù)包括光纖光柵傳感(FBG)技術(shù)、基于布里淵散射光時(shí)域反射(BOTDR)技術(shù)和基于布里淵散射光時(shí)域分析(BOTDA)技術(shù)，表1為光纖傳感技術(shù)測(cè)量的特點(diǎn)。

目前分布式光纖傳感技術(shù)具有成本高、與周圍巖土體耦合性不好等不足。

表1 分布式光纖傳感技術(shù)測(cè)量特點(diǎn)

張丹等[7]利用BOTDR分布式傳感技術(shù)對(duì)淮南礦區(qū)某工作面的覆巖變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析，提出了工作面仰孔光纖布設(shè)方案，確定了導(dǎo)水裂隙帶和冒落帶的高度。方星等[8]將BOTDR分布式傳感技術(shù)應(yīng)用于煤礦塌陷區(qū)殘余變形監(jiān)測(cè)中，通過鉆孔內(nèi)光纖的應(yīng)變變化確定了覆巖的“三帶”高度，與其他方法得到的結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了該方法的有效性。

2 物理探測(cè)

物理探測(cè)通常需要在正、反演研究基礎(chǔ)上對(duì)目的對(duì)象進(jìn)行探查，故解釋結(jié)果由于解釋經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)的不同存在較大的差異，往往需要通過鉆探的方法對(duì)物理探測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。目前常用的物理探測(cè)方法包括電阻率法、瞬變電磁法、大地電磁法、淺層地震法、微地震法、氡氣放射性測(cè)量等。

2.1 電阻率法

電阻率法是基于采煤前后覆巖中電性變化實(shí)現(xiàn)采動(dòng)覆巖變形和破裂范圍的識(shí)別。覆巖發(fā)生變形、破壞區(qū)域的電阻率會(huì)有不同程度的升高，基于覆巖電阻率的變化即可算得導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。如李建樓等[9]通過并行網(wǎng)絡(luò)電法對(duì)新安煤礦14141工作面導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了測(cè)定，指出在覆巖視電阻率值比背景電阻率值增大 1～2 倍時(shí)為導(dǎo)水裂隙帶。

電阻率法具有成本低、效率高的特點(diǎn)，但該方法無法應(yīng)用于大面積、大深度的測(cè)量，反演方法需要進(jìn)一步的研究。表2為普通直流電阻率法和高密度電阻率法的優(yōu)缺點(diǎn)[10-11]。

表2 不同電阻率法特點(diǎn)

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是基于不接地回線或接地線源往覆巖中發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，利用接地電極或線圈在一次脈沖場(chǎng)間歇期觀測(cè)介質(zhì)中的二次感應(yīng)渦流場(chǎng)，獲得巖層電阻率的方法。張彬等[12]使用瞬變電磁儀在寧夏紅柳煤礦1121工作面開展了采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度超前探測(cè)的試驗(yàn)，指出該方法進(jìn)行定量探測(cè)的效果明顯，得出的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最大約 88 m，與沖洗液漏失量觀測(cè)方法和鉆孔彩色電視得出的結(jié)果相吻合。

瞬變電磁法具有輕便、效率高、對(duì)低阻靈敏性好和指向性好的特點(diǎn)。但瞬變電磁法基礎(chǔ)理論研究仍然薄弱，存在縱向分辨率低，正、反演研究滯后的問題。

2.3 大地電磁法

大地電磁法是根據(jù)電磁傳播理論和麥克斯韋方程組得出的水平電偶極源在地表的磁場(chǎng)和電場(chǎng)，基于兩個(gè)正交的水平磁場(chǎng)得到地表以下的視電阻率，依據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論推導(dǎo)出探測(cè)深度，獲得導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。張宏偉等[13]在撫順礦區(qū)的老虎臺(tái)礦63005工作面，基于EH-4大地電磁法，確定了水砂充填開采與綜采放頂煤開采的覆巖破壞高度，并將其與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究。表3為幾種不同大地電磁法技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)[14-15]。

2.4 淺層地震法

淺層地震法可分為淺層地震折射法和淺層地震反射法，在實(shí)際工程淺層地震反射法應(yīng)用較多。采動(dòng)覆巖在不同深度具有不同破壞特征，巖層間存在不同特征的裂縫、裂隙和碎石，使得地震波的傳播速度與在完整層中的傳播速度具有較大差異，可能造成反射波的中斷、頻率和波形的改變，基于上述的差異實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的判別。申濤等[16]在陜北某礦應(yīng)用P 波方位各向異性裂隙檢測(cè)方法對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度和裂隙分布特征進(jìn)行了探測(cè)與研究，指出裂隙的發(fā)育強(qiáng)度和與煤層頂板距離成反比。王俊茹等[17]通過對(duì)某個(gè)采空區(qū)覆巖變形的淺層地震探測(cè)，對(duì)野外工作、資料處理及解釋方法進(jìn)行了討論，指出野外工作參數(shù)會(huì)影響結(jié)果的分辨率，地震數(shù)據(jù)處理方法的選擇能夠提高解釋的準(zhǔn)確性。

表3 不同大地電磁法技術(shù)特點(diǎn)

2.5 微震法

微震法是基于煤巖破裂、移動(dòng)過程中形成的微弱震動(dòng)波被不同位置的微震傳感器記錄,最后通過相關(guān)計(jì)算確定巖層破裂、移動(dòng)的空間位置。通過反演計(jì)算，確定采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度。李楠等[18]總結(jié)了微震監(jiān)測(cè)在煤礦中的應(yīng)用，指出了震源的確定方法，以及微震技術(shù)在煤礦突水、動(dòng)力災(zāi)害等眾方面的預(yù)警方法。汪華君等[19]以魯西煤礦為例，介紹了微震傳感器布設(shè)方式，驗(yàn)證了微震法檢測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度的可靠性。

目前在微震傳感器的布設(shè)、微震信號(hào)的識(shí)別和拾取、震源定位、波速模型等方面的研究不足，影響著震源的高精度定位和可靠性的提高。

2.6 氡氣放射性測(cè)量

氡氣存在于煤、巖體和土體中，不但可以以氣態(tài)形式運(yùn)移，還可以以溶解態(tài)隨地下水運(yùn)移，在孔隙和裂隙中擴(kuò)散，通過測(cè)量覆巖中氡氣的異?？蓪?shí)現(xiàn)采動(dòng)裂隙帶分布的探測(cè)。張煒等[20-21]研制了采動(dòng)覆巖裂隙測(cè)試的氡氣地表探測(cè)系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于大柳塔礦11203工作面二維物理模擬試驗(yàn)中，驗(yàn)證了氡氣地表探測(cè)采動(dòng)覆巖裂隙的可行性。

目前氡氣放射性測(cè)量更多的集中于理論和室內(nèi)試驗(yàn)研究，需要更多的現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用的實(shí)踐，為該技術(shù)的應(yīng)用提供更多的理論和案例。

3 結(jié) 語

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是一個(gè)影響煤炭安全生產(chǎn)的重要因素，其探測(cè)技術(shù)是非常重要的研究。通過廣泛的查閱文獻(xiàn)資料，對(duì)目前常用的及新發(fā)展的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和分析，明確了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)研究方法的選擇提供了支持，并對(duì)提高導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的探測(cè)精度提出了以下建議：

(1) 多種探測(cè)方式的組合。單一的探測(cè)方式往往無法達(dá)到準(zhǔn)確獲得導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的目的，需要將兩種及兩種以上探測(cè)方法結(jié)合進(jìn)行，可以達(dá)到事半功倍的效果。

(2) 研究和發(fā)展新的探測(cè)技術(shù)。新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用可以有效提高導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度探測(cè)精度，降低生產(chǎn)成本。新技術(shù)在具有較大應(yīng)用前景的同時(shí)也存在一定不足，如基于分布式光纖傳感技術(shù)的裂縫判別、微地震法的高精準(zhǔn)定位、氡氣測(cè)量技術(shù)的工程應(yīng)用。

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