上覆采空區(qū)含水性及巖層導(dǎo)水裂隙發(fā)育的分析與研究

李 僑

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)公司正幫煤業(yè) ，山西 孝義 032300）

1 工程概況

某礦所采井田位于晉北黃土高原，該礦主采侏羅系大同組煤層，目前2#、3#、7#煤層均已回采完畢，現(xiàn)正在開采8#煤層。地貌為侵蝕的黃土丘陵，地表以第四系黃土為主，井田沖溝較為發(fā)育，根據(jù)所收集到的資料，可將井田內(nèi)的地層由老至新依次劃分為寒武系、侏羅系大同組、侏羅系中統(tǒng)云岡組、白堊系下統(tǒng)左云組以及第四系。本次物探的面積為1.0km，探測(cè)范圍運(yùn)用10坐標(biāo)進(jìn)行圈定，具體位置見圖1，本次勘探區(qū)域的地層為南北走向，主要由兩條向斜和一條背斜組成。

圖1 物探范圍示意圖

2 上覆采空區(qū)導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況

根據(jù)該礦的地層賦存情況，擬采用UEDC2D數(shù)值模擬軟件對(duì)上覆采空區(qū)裂隙的導(dǎo)水情況進(jìn)行分析，建立模型的高度為343m，走向長度為530m，通過建立初始模型后依次對(duì)2#煤層、3#煤層、7#煤層、8#煤層實(shí)行開采，通過開挖后巖層的垮落狀況進(jìn)行具體分析。模擬中需用到的本構(gòu)關(guān)系模型為摩爾—庫倫模型[1]，該模型涉及到的主要力學(xué)參數(shù)為內(nèi)聚力、剪切模量、體積模量、密度及內(nèi)摩擦角，其中體積模量與剪切模量的表達(dá)式如下所示：

式中：E為巖體的彈性模量；K為巖體的剪切模量；μ為巖體的泊松比；

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料以及相似礦井地質(zhì)概況，得出具體各巖層參數(shù)如表1所示，模型邊界條件取為左右兩側(cè)為水平位移約束，上邊界為自由狀態(tài)，下邊界為垂直位移約束。

表1 各巖層的物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)上述信息建立初始模型后進(jìn)行開挖操作，開挖由上而下進(jìn)行，依次開挖 2#、3#、7#、8# 煤層，并對(duì)3#煤層、8#煤層進(jìn)行出圖分析巖層垮落特性，3#煤層及8#煤層開挖后巖層垮落如圖2、圖3所示。

圖2 3#煤層開挖完畢后巖層垮落示意圖

圖3 8#煤層開挖完畢后巖層垮落示意圖

由生產(chǎn)實(shí)踐中導(dǎo)水裂隙帶高度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下：

式中：m為礦層開采厚度，m；α為礦層傾角，°；k為巖層松散系數(shù)；h1、h2分別為冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶高度。運(yùn)用此公式結(jié)合我國“礦井水文地質(zhì)規(guī)程”[2]能夠得出：2#煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，其導(dǎo)水裂隙高度為48～65m；3#煤層頂板為粉細(xì)砂巖，其導(dǎo)水裂隙帶高度為13～43m；7#煤層頂板巖性為粉砂巖，其導(dǎo)水裂隙高度為11～30m；8#煤層頂板巖性為粉砂巖，其導(dǎo)水裂隙帶高度為9～23m。

通過數(shù)值模擬以及理論分析結(jié)果能夠得出以下主要結(jié)論：①煤層在開采過程中，除了會(huì)致使上方巖層垮落，同時(shí)采動(dòng)影響會(huì)在一定程度上對(duì)底板造成破壞，若上覆巖層存在采空區(qū)，在下層煤開采時(shí)，在采動(dòng)影響作用下頂板導(dǎo)水裂隙會(huì)進(jìn)一步發(fā)育，當(dāng)該裂隙與上覆巖層已經(jīng)發(fā)育擴(kuò)展的裂隙貫通時(shí)，在這種情況下若上覆采空區(qū)有存水，則會(huì)對(duì)安全生產(chǎn)造成極大威脅[3]；②上層煤的開采會(huì)對(duì)下層煤形成卸壓作用，從而造成實(shí)際導(dǎo)水裂隙帶高度與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出高度有所偏差，同時(shí)導(dǎo)水裂隙帶的高度也會(huì)受到煤層間巖層厚度與巖性的影響；③當(dāng)所采煤層上覆存在多層采空區(qū)時(shí)，由各個(gè)采空區(qū)都存在其自身特點(diǎn)，不是簡單的一種或者幾種形式，故實(shí)際工程中對(duì)上覆存在多層采空區(qū)的具體情況采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

3 瞬變電磁法分析導(dǎo)水裂隙及含水性

3.1 瞬變電磁法的測(cè)點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)該礦具體的地質(zhì)條件，采用瞬變電磁法進(jìn)行本次勘探作業(yè)，瞬變電磁法能夠?qū)γ合档貙拥膶?dǎo)水裂隙發(fā)育以及含水性進(jìn)行分析解釋，并能夠大致確定含水異常區(qū)域所在的層位。本次勘探線沿著東西方向布置，在疑似含水區(qū)上東西向布置4條直流電測(cè)深勘探線，間距100m，具體實(shí)際工程布置如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置位置示意圖

式中：q為接收線圈的有效面積；t為時(shí)窗時(shí)間；V（t）為感應(yīng)電壓；m為發(fā)射磁距。視縱向電導(dǎo)Sτ和深度hτ的計(jì)算表達(dá)式為：

瞬變電磁數(shù)據(jù)處理依據(jù)可以用以下三個(gè)公式進(jìn)行解釋：（1）視電阻率計(jì)算公式[3]：

式中：V（t）/I為歸一化感應(yīng)電壓；d（V（t）/I）/dt為時(shí)間軸上歸一化感應(yīng)電壓變化率；A為發(fā)射線圈面積?；谝陨先齻€(gè)公式對(duì)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，主要對(duì)2#到8#煤層的巖層構(gòu)造、裂隙發(fā)育情況以及含水性進(jìn)行探測(cè)研究，通過數(shù)據(jù)分析處理后得出4種主要圖形，分別為二次感應(yīng)電壓的變化情況圖、視電阻率的斷面圖、感應(yīng)電壓平面等值線圖以及順層電阻率富水性分析圖綜合分析地質(zhì)體中的含水情況，下面對(duì)本次物探的視電阻擬斷面圖和順層電阻率富水性分析圖進(jìn)行具體分析。

視電阻率擬斷面圖是解釋瞬變電磁的一個(gè)重要形式，在視電阻率擬斷面圖上電阻率突變或者電阻率高意味著存在含水的地質(zhì)異常體。根據(jù)本次物探得出的電阻率擬斷面圖如圖5所示，圖中電阻率隨著“藍(lán)—黃—紅”顏色的變化逐漸增大，在樁號(hào)500-600之間的點(diǎn)在2#、3#、7#煤層位置視電阻在圖中顯示為紅色，其周圍為黃色，這意味著該段視電阻率出現(xiàn)突然升高的現(xiàn)象，根據(jù)視電阻率擬斷面圖結(jié)合其他圖形分析認(rèn)為采空區(qū)含水是導(dǎo)致該段瞬變電磁突變現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，另外從地質(zhì)資料上能夠看出該段位于采空區(qū)上方，可能為裂隙含水區(qū)域。

圖528 線含水異常解釋用視電阻率擬斷面圖

圖6 8#煤頂板順層電阻率富水性分析圖

順層電阻率富水性分析圖能夠從整體上顯示出含水異常的分布情況，同時(shí)能夠與視電阻率擬斷面圖以及多測(cè)道曲線進(jìn)行結(jié)合更加全面的對(duì)含水異常進(jìn)行解釋，本次物探得出的8#煤層視電阻率富水性分析圖如圖6所示，富水性圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)榈椭祬^(qū)域，黃色及藍(lán)灰色區(qū)域可能為非含水裂隙導(dǎo)通區(qū)域。

綜合以上物探結(jié)果對(duì)采空區(qū)導(dǎo)水裂隙的分析，能夠得出如下結(jié)論：

1）采空區(qū)冒落帶與完整的巖層相比比較松散、電性發(fā)生顯著變化、密實(shí)度變低。由于采空區(qū)內(nèi)垮落的巖石內(nèi)一般混有高電阻介質(zhì)[5]，這會(huì)使垮落帶表現(xiàn)為高阻態(tài)勢(shì)，根據(jù)采空區(qū)內(nèi)的高阻特征可有效的對(duì)采空區(qū)進(jìn)行辨別。

2）對(duì)地層中富水性區(qū)域的判斷可以根據(jù)電阻率的值確定，在含水層與導(dǎo)水裂隙帶貫通時(shí)會(huì)使得裂隙帶內(nèi)充水，從而致使導(dǎo)致測(cè)得的該區(qū)域的電阻率較低，故可根據(jù)電阻率的值大致判斷區(qū)域的含水性。

3）位于采空區(qū)上方的巖體由于受到采空影響裂隙進(jìn)一步發(fā)育、擴(kuò)展，在裂隙內(nèi)充滿氣體物質(zhì)時(shí)會(huì)使得該段巖層得出的電阻值較大，故通過分析瞬變電磁法得出的數(shù)據(jù)能夠區(qū)分采空區(qū)上覆巖層的裂隙帶區(qū)域。

3.2 8#煤層頂板砂巖含水性評(píng)價(jià)

由于8#煤層為正在開采的煤層，故對(duì)頂板的含水性進(jìn)行評(píng)價(jià)顯得尤為必要，8#煤層位于大同組中部，距7#煤層平均距離為9.25m。底板為細(xì)砂巖，頂板為粉砂巖，煤層均厚1.53m，如圖8所示為8#煤層頂板順層電阻率富水性分析圖，根據(jù)8#煤層頂板富水性分析圖并結(jié)合多測(cè)道曲線以及視電阻率擬斷面圖能夠得出8#煤層頂板含水異常區(qū)域有10個(gè)，其中較強(qiáng)的為 D6、D5-2、D5-1、D4-2 以及 D4-1，具體異常區(qū)域的分布狀況如圖7所示。

圖7 8#煤層頂板含水異常區(qū)域分布

4 結(jié) 論

1）通過運(yùn)用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合方法對(duì)上覆采空區(qū)導(dǎo)水裂隙進(jìn)行分析，得出2#煤層、3#煤層、7#煤層、8#煤層頂板各巖層導(dǎo)水裂隙帶的高度。

2）運(yùn)用瞬變電磁法能夠?qū)Σ煽諈^(qū)、地層富水區(qū)域以及裂隙帶區(qū)域進(jìn)行較為科學(xué)有效的判斷。

3）通過瞬變電磁法探明了8#煤層頂板不同位置、大小不等的含水異常區(qū)域有10個(gè)，其中富水性強(qiáng)的有5個(gè)，富水性中等的有3個(gè)，富水性較弱的2個(gè)。