高強(qiáng)度開(kāi)采覆巖巖性及其裂隙特征

楊達(dá)明，郭文兵，譚 毅，王玉喜，馬曉川，李 壯

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 2.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000; 3.河南景惠科技有限公司，河南 鄭州 450000; 4.鄂爾多斯昊華精煤有限責(zé)任公司 高家梁煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

我國(guó)西部煤炭開(kāi)采工作面由于開(kāi)采厚度大、煤層埋藏淺、采礦地質(zhì)條件簡(jiǎn)單、工作面推進(jìn)速度快等特點(diǎn)，造成覆巖破壞更劇烈，破壞高度大，導(dǎo)水裂隙帶常與地表裂縫貫通等[1]，同時(shí)由于西部生態(tài)環(huán)境脆弱，開(kāi)采造成的地表及地下水流失會(huì)對(duì)地表植被及井下開(kāi)采安全造成嚴(yán)重威脅[2-3]。針對(duì)上述問(wèn)題，范立民首次提出了“保水采煤”的概念[4];其后，大量學(xué)者根據(jù)保水采煤的科學(xué)內(nèi)涵開(kāi)展了一些列的理論研究和工程實(shí)踐[5-9]。黃慶享針對(duì)保水開(kāi)采巖層控制分析了覆巖“上行裂隙”和“下行裂隙”的發(fā)育規(guī)律，并提出了隔水巖組隔水性判據(jù)[10];馬立強(qiáng)針對(duì)目前充填保水采煤方法存在的充填時(shí)間和充填空間不足，采煤與充填作用協(xié)調(diào)困難等問(wèn)題，提出了“采充并行”式充填保水采煤方法[11];李文平分析了N2紅土層的物理-水理-力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)N2紅土隔水性能受采動(dòng)破壞后，具有良好的自我恢復(fù)功能，豐富了保水采煤技術(shù)體系[12];在工程實(shí)踐方面，王雙明、黃慶享、范立民等提出了基于含水層結(jié)構(gòu)保護(hù)的充填開(kāi)采、窄條帶開(kāi)采、限高(分層)開(kāi)采、短壁開(kāi)采等“因地制宜”的技術(shù)方法[13-15]。

保水采煤技術(shù)主要為通過(guò)抑制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，保護(hù)含水層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定或短暫失穩(wěn)后造成的水位下降在一定時(shí)間后能恢復(fù)不影響其供水能力的范圍[16]。由于西部礦區(qū)多為高強(qiáng)度開(kāi)采工作面，充填開(kāi)采、條帶開(kāi)采、限高開(kāi)采等技術(shù)方法會(huì)嚴(yán)重影響工作面正常生產(chǎn);因此部分學(xué)者對(duì)開(kāi)采覆巖裂隙發(fā)育及擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了大量研究。王新豐提出了覆巖裂隙場(chǎng)存在卸壓失穩(wěn)、張裂破壞、萎縮變小、彌合封閉的時(shí)空演變過(guò)程[17]。賈后省通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了淺埋工作面縱向貫通裂隙的孕育、張開(kāi)、閉合及壓實(shí)規(guī)律[18]。

筆者通過(guò)對(duì)典型高強(qiáng)度開(kāi)采礦區(qū)高家梁煤礦工程地質(zhì)條件分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了工作面頂板覆巖的微觀結(jié)構(gòu)及宏觀力學(xué)性質(zhì);通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)及理論分析，研究了工作面覆巖裂隙及結(jié)構(gòu)特征;采用大地電磁，對(duì)覆巖破壞進(jìn)行了探測(cè)，同時(shí)結(jié)合工作面地表裂縫發(fā)育特征，綜合分析了高家梁煤礦覆巖巖性與裂隙特征。

1 采礦及水文地質(zhì)條件

高家梁煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗，礦區(qū)地表植被稀疏，為半荒漠地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，地表海拔標(biāo)高為+1 435～+1 503 m。井田內(nèi)賦存多層侏羅系煤層，共見(jiàn)可采煤層6層，目前主采2-2上和2-2中煤層。所選研究工作面為20313工作面，該工作面主采2-2中煤層，其上2-2上煤層未回采，平均煤層厚度4.0 m，煤層傾角1.5°，為近水平煤層，埋深149～205 m，平均177 m。根據(jù)地面鉆孔勘探資料，高家梁煤礦2-2中上方地層由老至新發(fā)育有:侏羅系中下統(tǒng)延安組、侏羅系中統(tǒng)直羅組和安定組、白堊系下統(tǒng)涇川組和東勝組、第三系上新統(tǒng)和第四系全新統(tǒng);其中，2-2中煤層位于侏羅系中下統(tǒng)延安組，工作面頂板以砂質(zhì)泥巖與砂巖互層為主。

高家梁煤礦井田內(nèi)無(wú)水庫(kù)、湖泊等地表水體，但地表水系較發(fā)育，溝谷縱橫，無(wú)常年地表徑流，只有在雨季大雨過(guò)后形成短暫洪流。覆巖含(隔)水層情況如圖1所示;根據(jù)地下水的水力性質(zhì)及賦存條件，地下水可劃分為松散巖類孔隙潛水含水巖組和碎屑巖類孔隙、裂隙承壓水含水巖組。潛水主要賦存于黃土、砂土、沖洪積砂礫石、風(fēng)積沙等，主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，因大氣降水補(bǔ)給量較小，補(bǔ)給條件較差，與下部承壓水含水層水力聯(lián)系較小。承壓水含水層從白堊系志丹群頂部至侏羅系中下統(tǒng)延安組2煤組頂板泥巖，含水層巖性以砂巖為主，富水性弱，徑流條件不良，在溝谷邊緣地段轉(zhuǎn)為潛水。2-2中煤層頂板隔水層主要以灰色砂質(zhì)泥巖為主，隔水性較好。工作面開(kāi)采對(duì)松散層內(nèi)寶貴的水資源及覆巖內(nèi)承壓水含水層產(chǎn)生嚴(yán)重影響，破壞生態(tài)環(huán)境、威脅生產(chǎn)安全。

2 覆巖微觀結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)

由于鄂爾多斯南部淺埋煤系巖層形成時(shí)期較晚，造成其微觀結(jié)構(gòu)、組分及宏觀力學(xué)性質(zhì)與東部礦井煤系巖層不同;通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取砂質(zhì)泥巖頂板微觀結(jié)構(gòu)和礦物組分及物理力學(xué)性質(zhì)，分析砂質(zhì)泥巖頂板采動(dòng)裂隙特征。

2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

試驗(yàn)樣品分別取自2-2上煤層與2-2中煤層間隔巖層砂質(zhì)泥巖(稱為試樣1)、2-2上煤層頂板上方10 m(侏羅系延安組)、50 m(侏羅系直羅組)、70 m(侏羅系安定組)、90 m(白堊系涇川組)、110 m(白堊系東勝組)和130 m(第三系上新統(tǒng))處砂質(zhì)泥巖(分別稱為試樣2～7)，各巖樣取樣位置、特征及埋深如圖1所示;采用JSM-6510LV高低真空掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)各試樣分別放大1 000,2 000,5 000倍進(jìn)行分析;部分放大1 000倍的電鏡掃描照片如圖2所示。

試樣1,2微觀結(jié)構(gòu)及礦物組分相似。微觀結(jié)構(gòu)中高嶺石呈管狀、疊層狀，疊加定向排列，常分布于長(zhǎng)石顆粒表面，其形成與長(zhǎng)石分解溶蝕具有密切關(guān)系，并發(fā)育完美晶形;綠泥石板片狀集合體交織常附著于顆粒表面構(gòu)成櫛殼式薄膜，絨球狀集合體常充填于粒間孔隙中。

試樣3,4均為含有黏土礦物的巖石，微觀結(jié)構(gòu)相似;其伊/蒙混層礦物在巖石中顆粒表面呈片狀、定向分布;高嶺石多晶形較好，呈蠕蟲(chóng)狀、書(shū)頁(yè)狀，薄膜式膠結(jié)的綠泥石較發(fā)育，多包繞在碎屑顆粒周圍形成孔隙襯邊。礦物組分中試樣3綠泥石較多、伊利石較少。

試樣5微結(jié)構(gòu)中伊利石多呈碎晶形不完整，輪廓圓滑清晰，略具定向性;綠泥石主要呈片狀或薄板狀，厚度較大，晶體邊緣不平直;伊/蒙混層表現(xiàn)為邊緣模糊的半透明葉片或鱗片狀。試樣中伊利石、綠泥石和伊/蒙混層礦物含量較高，缺少高嶺石，極少見(jiàn)蒙脫石。

試樣6微觀結(jié)構(gòu)中伊利石有的呈彎曲片狀和條狀、晶形不完整、輪廓圓滑、略具定向性，以薄膜、襯邊形式分布于顆粒表面;有的呈毛發(fā)狀、細(xì)絲狀、蜂窩狀，以孔隙充填形式存在，偶見(jiàn)與蒙脫石相伴。砂巖中綠泥石有的呈片狀或薄板狀，晶體邊緣不平直，呈花朵狀。試樣中伊利石、綠泥石含量較高，含少量蒙脫石和高嶺石。

圖2 砂質(zhì)泥巖的電鏡掃描圖Fig.2 Electron microscopic scanning of sandy mudstone

試樣7巖石中含有大量的黏土礦物，伊/蒙混層礦物在巖石顆粒表面呈片狀、定向分布，局部有溶蝕空洞發(fā)育，高嶺石和伊利石充填于巖石顆粒的微裂隙中。含有大量遇水膨脹黏土礦物，次要礦物有伊利石、高嶺石和綠泥石等礦物。

2.2 物理力學(xué)性質(zhì)

巖石試件取樣位置與電鏡掃描取樣位置相同，試件為整齊的圓柱體，直徑為54 mm，采用MTS815.03電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)上述試樣分別進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，所測(cè)得試件的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 砂質(zhì)泥巖頂板物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of sandy mudstone

圖3 砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度與埋深的關(guān)系曲線Fig.3 Curve of relationship between compressive strength of sandy mudstone and depth

由圖3可知，不同地層組處砂質(zhì)泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度相差不大，基本位于10～14 MPa，但隨著深度的增加，砂質(zhì)泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度有增大的趨勢(shì)。

如圖4所示。由圖可知，在地表110 m以上，砂質(zhì)泥巖的單軸抗拉強(qiáng)度相差不大，基本位于0.6～0.8 MPa，在地表110 m以下時(shí)，隨著距地表深度的增加，砂質(zhì)泥巖的單軸抗拉強(qiáng)度有增大的趨勢(shì)。

圖4 砂質(zhì)泥巖抗拉強(qiáng)度與埋深的關(guān)系曲線Fig.4 Curve of relationship between tensile strength of sandy mudstone and depth

2.3 微觀結(jié)構(gòu)及礦物成分對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響

通過(guò)將上述測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)巖體微觀結(jié)構(gòu)、礦物成分對(duì)其宏觀物理力學(xué)性能具有較大的影響。一般來(lái)說(shuō)，巖體微觀結(jié)構(gòu)中點(diǎn)接觸為不穩(wěn)定接觸，在外力作用下容易發(fā)生變形;而線接觸、凹凸接觸和縫合接觸均為穩(wěn)定接觸，很難發(fā)生變形。膠結(jié)物的成分是影響單元體連接強(qiáng)度的重要因素，一般認(rèn)為硅質(zhì)膠結(jié)物的連接強(qiáng)度最高，鈣質(zhì)膠結(jié)物次之，泥質(zhì)膠結(jié)物最差;從膠結(jié)類型看，基底膠結(jié)的膠結(jié)程度最高，孔隙膠結(jié)次之，鑲嵌膠結(jié)和接觸膠結(jié)最差。通過(guò)對(duì)比不同層位的砂質(zhì)泥巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)、礦物組分及物理力學(xué)性質(zhì)，得到以下認(rèn)識(shí):

(1)隨著與煤層距離的增大，巖石顆粒表面逐漸由片狀、定向分布，轉(zhuǎn)變?yōu)楸“鍫?、條帶狀或毛發(fā)狀，非定向分布;顆粒間接觸逐漸由點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€-面、面-面接觸，且顆粒體積有增大趨勢(shì);顆粒間空隙逐漸由絨球狀集合體充填轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)充填，再轉(zhuǎn)變?yōu)榫植坑腥芪g空洞發(fā)育;伊/蒙混層的含量減小，伊利石和蒙脫石含量增大。

(2)砂質(zhì)泥巖的物理力學(xué)參數(shù)普遍較小，并隨著與煤層距離的增大而減小，由煤層至地表，砂質(zhì)泥巖更易破斷，斷裂塊度變小，斷裂后接觸面積更大，且遇水后顆粒體積膨脹，擠壓顆粒間的孔隙，孔隙通道減小，使宏觀通水性降低，有利于工作面安全保水開(kāi)采。

3 保水開(kāi)采的含(隔)水層結(jié)構(gòu)破壞特征

3.1 相似模擬實(shí)驗(yàn)

為掌握20313工作面開(kāi)采含(隔)水層結(jié)構(gòu)破壞規(guī)律，以實(shí)際采礦地質(zhì)條件為基礎(chǔ)進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用二維相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，模型長(zhǎng)、高分別為4.0和194.2 m，根據(jù)相似模擬定律、實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸與現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采條件，設(shè)計(jì)幾何相似比為0.01，容重相似比為0.6;模擬材料以砂子云母為骨料，以石膏、碳酸鈣為膠結(jié)物，根據(jù)巖層試件的抗壓強(qiáng)度，選取合理配比。模型左右邊界各留50 cm煤柱(實(shí)際50 m，為便于分析，文中以下描述均采用幾何相似比換算后的實(shí)際尺寸)，20313工作面實(shí)際開(kāi)采速度約為15 m/d，模型開(kāi)挖速度為15 cm/2.4 h，盡量呈現(xiàn)工作面實(shí)際開(kāi)采過(guò)程。

當(dāng)工作面推進(jìn)至45 m時(shí)，頂板發(fā)生初次垮落，同時(shí)上覆巖層開(kāi)始出現(xiàn)明顯離層;隨著工作面的推進(jìn)，覆巖破壞繼續(xù)向上發(fā)展。當(dāng)工作面推進(jìn)至150 m時(shí)(圖5(a))，此時(shí)覆巖內(nèi)的裂隙包括采空區(qū)邊界裂

圖5 工作面覆巖及地表裂隙發(fā)育特征Fig.5 Development characteristics of overburden and surface cracks in working face

隙和采空區(qū)內(nèi)的裂隙，采空區(qū)邊界裂隙寬度約為0.3 m;采空區(qū)內(nèi)裂隙和離層裂隙貫通，寬度約為0.2 m，地表存在的明顯的拉伸裂縫，寬度約為0.1 m，覆巖破斷角約為70 °;當(dāng)工作面推進(jìn)至165 m時(shí)(圖5(b))，工作面前段的地表裂縫開(kāi)始閉合，寬度小于0.1 m，覆巖裂隙向工作面前方發(fā)展傳遞，原覆巖裂隙閉合。當(dāng)工作面推進(jìn)至180 m(圖5(c))，原地表裂縫開(kāi)始閉合，且在前方出現(xiàn)新的裂縫，寬度約為0.1 mm;當(dāng)推進(jìn)至195 m時(shí)(圖5(d))，原地表裂縫完全閉合，新發(fā)育地表裂縫擴(kuò)展增大，采空區(qū)后方的覆巖裂隙進(jìn)一步彌合。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵还查_(kāi)挖了300 m，覆巖及地表裂縫以張開(kāi)、閉合、壓實(shí)的過(guò)程重復(fù)向前發(fā)展，總體上覆巖含水層及頂板隔水層產(chǎn)生了一定程度破壞，但導(dǎo)通裂隙寬度較小，地表沒(méi)有出現(xiàn)明顯的塌陷裂隙。由于覆巖主要以砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖交互層存在，巖層總體強(qiáng)度較低;砂質(zhì)泥巖以載荷層形式作用于下部硬巖層，硬巖層破斷后，由于軟弱巖層壓實(shí)作用，裂隙最終閉合，有效降低了裂隙巖體的通水性。

3.2 理論分析

采用壓力拱理論分析工作面開(kāi)采后的覆巖破壞情況。近水平煤層開(kāi)采下，工作面長(zhǎng)度方向上壓力拱基本呈對(duì)稱形態(tài)，覆巖內(nèi)應(yīng)力拱軸線位于工作面覆巖彎曲帶和采場(chǎng)周圍未失穩(wěn)煤巖體中，拱殼存在于尚未斷裂的覆巖中，拱高一般大于采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育的最大高度。為便于分析，取工作面長(zhǎng)度方向平面壓力拱結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，如圖6所示，其中壓力拱的拱高為h，跨度為b，工作面長(zhǎng)度為l，煤層厚為m。

圖6 工作面長(zhǎng)度方向壓力拱結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Pressure arch structure model along width of panel

將壓力拱簡(jiǎn)化為三鉸拱結(jié)構(gòu)，取左半側(cè)進(jìn)行分析，如圖7所示;拱上作用有垂直的均布載荷q，拱頂作用有右半拱OB段對(duì)左半拱OA段水平切向支撐力T，A點(diǎn)作用有支點(diǎn)水平反力P及垂直反力N，假設(shè)三鉸拱為穩(wěn)定的無(wú)彎矩狀態(tài)。

圖7 壓力拱受力分析簡(jiǎn)化圖Fig.7 Simplified force diagram of pressure arch

左半側(cè)OA段拱在各種力的作用下處于平衡狀態(tài)，根據(jù)體系平衡可得:

(1)

N=qb/2

(2)

P=T

(3)

(4)

壓力拱處于極限平衡狀態(tài)時(shí)在拱腳處的水平反力P由垂直反力N產(chǎn)生的摩擦力平衡，即

P=Nf

(5)

式中，f為巖體的堅(jiān)固性系數(shù)，或稱為似摩擦因數(shù)。

由式(3)，(5)得到

T=Nf

(6)

為保證拱在水平方向有足夠的穩(wěn)定性，須使T

2T=Nf

(7)

取拱軸線上任意一點(diǎn)(x，y)，由幾何關(guān)系，得到壓力拱的軸線方程:

(8)

工作面煤壁裂隙滑移面與采空區(qū)下部煤壁側(cè)間的夾角為θ，由主動(dòng)巖體壓力理論得:

(9)

式中，φ為上覆巖層體的內(nèi)摩擦角。

壓力拱跨度b和高度h分別可表示為

b=l+2a=l+2mtan (45°-φ/2)

(10)

(11)

式中，H為煤層埋深。

大量研究表明工作面開(kāi)采后基巖的破斷移動(dòng)區(qū)呈倒漏斗型[19]，而壓力拱形態(tài)通常呈拋物線形或橢圓形，與實(shí)際呈現(xiàn)的倒漏斗型不完全相符。高家梁煤礦20313工作面頂板主要以軟弱砂質(zhì)泥巖和相對(duì)較硬的砂巖互層為主，而砂巖層對(duì)上覆泥巖層的變形和破壞起控制作用。當(dāng)壓力拱發(fā)育至硬巖層時(shí)，硬巖層會(huì)對(duì)壓力拱形態(tài)產(chǎn)生影響，若硬巖層不破斷，則壓力拱拱頂位于關(guān)鍵層下部附近或位于關(guān)鍵層內(nèi)的平頂狀拱;若硬巖層破斷失穩(wěn)，基于該巖層斷裂失穩(wěn)位置會(huì)重新向上起拱，至形成穩(wěn)定的壓力拱結(jié)構(gòu)或覆巖破壞發(fā)育到地表時(shí)為止，如圖8所示。

圖8 硬巖層對(duì)壓力拱結(jié)構(gòu)演化影響Fig.8 Influence of hard rock strata on the evolution of pressure arch structure

根據(jù)20313工作面實(shí)測(cè)地表移動(dòng)數(shù)據(jù)，工作面最大下沉值為w=2.45 m;認(rèn)為煤層開(kāi)采后垮落帶巖層垮落碎脹充填采空區(qū)，地表與裂隙帶及彎曲下沉帶巖層協(xié)同下沉;采厚m=4.0 m，Δm=m-w，垮落帶巖層碎脹系數(shù)k取1.1，計(jì)算得到垮落帶高度約為Hk=(m-w)/(k-1)=15.5 m，發(fā)育至厚12.1 m砂質(zhì)泥巖位置(圖9中序號(hào)5)。

圖9 20313工作面鉆孔柱狀圖Fig.9 Borehole columnar section of 20313 working face

20313工作面長(zhǎng)度為300.5 m，根據(jù)工作面煤層覆巖物理力學(xué)參數(shù)，取覆巖的堅(jiān)固性系數(shù)為1.3，覆巖的內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值為30 °;基于垮落帶頂部位置計(jì)算壓力拱高度，覆巖破斷角為70 °，壓力拱2對(duì)應(yīng)的等效采厚Δm=1.55 m;根據(jù)幾何關(guān)系由覆巖破斷角計(jì)算得到裂隙帶底部巖層在工作面長(zhǎng)度方向上的垮落范圍l1=289.2 m，計(jì)算得到壓力拱2拱高h(yuǎn)2=111.9 m，煤層埋深約177 m;因此，工作面開(kāi)采后覆巖會(huì)形成穩(wěn)定的壓力拱結(jié)構(gòu)，覆巖破壞不會(huì)與地表裂隙貫通，地表潛水不會(huì)直接與井下工作面貫通。

3.3 覆巖破壞大地電磁探測(cè)

3.3.1 探測(cè)原理及方案設(shè)計(jì)

大地電磁法是以天然電磁場(chǎng)為場(chǎng)源來(lái)研究地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)的電磁法勘探技術(shù)。本次采用CAN-II型便攜大地電磁探測(cè)儀(圖10),其上一代CAN-I型儀器已成功用于覆巖破壞探測(cè)[20]。升級(jí)的CAN-II型儀器在硬件設(shè)計(jì)上采用能采集微弱信號(hào)的新型傳感器，將接收到反應(yīng)巖層密度、電阻率、孔隙率、膠結(jié)程度等性質(zhì)的各類信號(hào)和場(chǎng)源信號(hào)變化信息，利用試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)形成的模型，通過(guò)加權(quán)復(fù)合疊加成綜合數(shù)值，并正演成連續(xù)曲線，軟件處理時(shí)，針對(duì)曲線幅值、均勻度、平溫度、疏密程度、幅值變化幅度等要素進(jìn)行對(duì)比識(shí)別，利用大量測(cè)試數(shù)據(jù)和分析處理軟件，反演成巖層剖面[21-22]。

圖10 CAN-II型大地電磁探測(cè)儀Fig.10 CAN-Ⅱ magnetotelluric instrument

結(jié)合20313工作面地形及開(kāi)采計(jì)劃，在地表設(shè)置A,B,C三條大地電磁觀測(cè)線，其中B,C線垂直于工作面走向方向，A線位于采空區(qū)走向的中心且平行工作面的推進(jìn)方向，設(shè)置探測(cè)點(diǎn)的間距為10 m。2018-05-02進(jìn)行了首次觀測(cè)，5月5日工作面開(kāi)始生產(chǎn)調(diào)試，8月5日對(duì)A,B,C三條線進(jìn)行了復(fù)測(cè)，此時(shí)該區(qū)域下方煤炭已采出。20313工作面大地電磁探測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示。

圖11 20313工作面大地電磁探測(cè)點(diǎn)布置Fig.11 Magnetotelluric measuring point layout in panel 20313

3.3.2 探測(cè)結(jié)果分析

從上述3條探測(cè)線中選取B線開(kāi)采前后的CAN型綜合值剖面云圖進(jìn)行分析(圖12)，0～400 m分別對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)B1～B41。

首先將工作面綜合柱狀與開(kāi)采前CAN型綜合值云圖(圖12(a))進(jìn)行對(duì)比分析，由鉆孔柱狀煤層埋深約177 m，對(duì)應(yīng)圖12(a)中相應(yīng)埋深位置有橫向黃色帶狀區(qū)域，且該區(qū)域被上下兩條連續(xù)曲線夾持，說(shuō)明該區(qū)域即為煤層位置，上下連續(xù)曲線區(qū)域即為煤層頂?shù)装逦恢?。通過(guò)對(duì)煤巖層走勢(shì)觀察，在145～165 m區(qū)域煤巖層走勢(shì)突然向上，且越靠近地表，等值線越密集且出現(xiàn)很多團(tuán)狀等值線，在該位置巖層更破碎;判斷此處為一正斷層，通過(guò)對(duì)比工作面回采地質(zhì)圖得到證實(shí)。在高程1 395～1 430 m區(qū)域I,II,III位置，存在3個(gè)較大的團(tuán)狀曲線，該區(qū)域巖層穩(wěn)定性較差，各區(qū)域之間存在破碎帶。水平165～400 m，對(duì)應(yīng)高程1 405～1 455 m區(qū)域內(nèi)巖層完整性顯著優(yōu)于0～165 m巖層。總體上:① 高程1 305～1 375 m巖層完整性較好，靠近地表的巖層約70 m范圍內(nèi)巖層完整性差，對(duì)照工作面綜合柱狀圖，該范圍內(nèi)以新生界巖層為主;② 斷層上盤側(cè)巖層較下盤側(cè)穩(wěn)定性差。

圖12 工作面開(kāi)采前后CAN型綜合值云圖Fig.12 CAN-type comprehensive value cloud map before and after working face mining

圖12(b)為工作面開(kāi)采后CAN型綜合值云圖，對(duì)比采前探測(cè)結(jié)果，等值線密度增大、閉合現(xiàn)象明顯增多，說(shuō)明采后巖層的完整性遭到破壞;總體上斷層上盤側(cè)巖層破壞較下盤側(cè)更為嚴(yán)重，其中區(qū)域I,II,III位置曲線云圖變化最為明顯，說(shuō)明開(kāi)采后該區(qū)域巖層塌陷嚴(yán)重。自煤層頂板至高程1 405 m范圍內(nèi)，由下到上曲線云圖的密度和閉合現(xiàn)象減少，說(shuō)明靠近煤層的巖層破壞更嚴(yán)重，與實(shí)際采動(dòng)覆巖破壞規(guī)律一致。在斷層下盤側(cè)，高程1 405～1 465 m，曲線基本以平滑層狀分布為主，說(shuō)明該區(qū)域巖層破壞程度小;由于表土層的流動(dòng)性及壓實(shí)作用，采動(dòng)裂隙閉合，靠近地表的曲線云圖平滑層狀分布情況較好。

通過(guò)上述分析，采動(dòng)后總體上斷層上盤側(cè)巖層整體上破壞更嚴(yán)重，越靠近地表，采動(dòng)破壞程度越小;在斷層下盤側(cè)，雖然采動(dòng)后云圖內(nèi)出現(xiàn)了較多環(huán)狀閉合曲線，但仍有平滑層狀曲線包裹，說(shuō)明采動(dòng)覆巖的連續(xù)性分布較好，巖層內(nèi)發(fā)育的裂隙數(shù)量較少且寬度較小。

4 工作面開(kāi)采實(shí)踐

通過(guò)上述相似模擬實(shí)驗(yàn)、理論分析、大地電磁探測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)地表踏勘發(fā)現(xiàn)，總體上工作面開(kāi)采后覆巖含(隔)水層整體上均出現(xiàn)了一定程度的破壞，但破壞程度較小;自頂板至地表的巖層由于覆巖內(nèi)存在大量的軟弱砂質(zhì)泥巖，采動(dòng)后覆巖裂隙發(fā)育程度低，且裂隙彌合較好，且由于地表潛水及覆巖承壓水富水性較弱，之間水力聯(lián)系小，承壓水含水層徑流條件差，極大的降低了工作面開(kāi)采的風(fēng)險(xiǎn)性。

20313工作面開(kāi)采過(guò)程中對(duì)工作面地表裂縫進(jìn)行了觀測(cè)。工作面地表多以細(xì)小拉伸或擠壓裂縫為主，裂縫總體數(shù)量不多，選擇了16條較為明顯的地表裂縫進(jìn)行了持續(xù)觀測(cè)。主要包括超前于工作面發(fā)育的拉伸型裂縫、工作面正上方的臺(tái)階裂縫及坡體上發(fā)育的滑動(dòng)型裂縫?；旧纤辛芽p經(jīng)歷了“張開(kāi)-擴(kuò)展-閉合”完整發(fā)育過(guò)程(圖13)，僅采空區(qū)邊界裂縫沒(méi)有完全閉合。裂縫發(fā)育周期最長(zhǎng)的為15 d，最短為7 d;裂縫寬度最大為6.3 cm，臺(tái)階落差最大為8.7 cm。裂縫間隔平均約為13.95 m，實(shí)測(cè)工作面周期來(lái)壓步距約為15.8 m，基本與工作面周期來(lái)壓步距吻合。由于地表裂縫寬度及臺(tái)階落差較小，且裂縫閉合良好，說(shuō)明覆巖沒(méi)有出現(xiàn)全厚切落現(xiàn)象。

圖13 工作面地表裂縫張開(kāi)-閉合過(guò)程Fig.13 “Open-close” law of surface cracks in panel 20313

截至2018-09-10，20313工作面已安全回采超過(guò)700 m，井下正常涌水量為0.5 m3/h，最大涌水量為1.5 m3/h，地表植被生長(zhǎng)及分布情況與開(kāi)采前基本一樣，說(shuō)明工作面開(kāi)采的安全性及地表生態(tài)基本不受影響。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)砂質(zhì)泥巖頂板細(xì)觀結(jié)構(gòu)和礦物組分及物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，越靠近煤層，巖石顆粒越小，顆粒間孔隙隨之減小;砂質(zhì)泥巖頂板強(qiáng)度較低，斷裂塊度小且相互擠壓，孔隙通道減小，使宏觀通水性降低，有利于工作面保水安全開(kāi)采。

(2)采用物理實(shí)驗(yàn)、理論分析、大地電磁探測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)踏勘對(duì)工作面開(kāi)采后覆巖破壞情況分析，開(kāi)采后覆巖裂隙沒(méi)有直接貫通地表，總體上裂隙發(fā)育寬度小，且存在彌合，增加了保水開(kāi)采的安全性。

(3)20313工作面含水層地表潛水及覆巖承壓水富水性較弱，之間水力聯(lián)系小，承壓水含水層徑流條件差，且覆巖采動(dòng)裂隙具有彌合性，工作面井下沒(méi)有出現(xiàn)突水潰砂事故，工作面實(shí)現(xiàn)了安全開(kāi)采。

致謝河南景惠科技有限公司在覆巖破壞大地電磁探測(cè)上提供了幫助，現(xiàn)場(chǎng)工作得到了高家梁煤礦領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，在此一并表示衷心感謝！