回采面導水裂隙帶發(fā)育高度與富水性探測分析

張小健

（山西陽城陽泰集團伏巖煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048105）

1 工程概況

山西陽城陽泰集團伏巖煤業(yè)有限責任公司3203工作面位于3#煤層二采區(qū)，工作面走向長度為886 m，傾斜長度為209 m，位于二采區(qū)大巷西側(cè)，南鄰3202采空區(qū)，北面為實體煤，東鄰二采區(qū)大巷。3#煤層厚度均厚為4.8 m，平均傾角為4°，煤層頂板為粉砂質(zhì)泥巖和細粒砂巖，底板為炭質(zhì)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖，具體煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。

3203工作面含水層自下而上為：奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r砂巖裂隙巖溶含水層，二疊系上、下統(tǒng)石盒子組及山西組砂巖裂隙含水層。根據(jù)工作面地質(zhì)資料可知，其中對3#煤層開采產(chǎn)生主要影響的為奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，該含水層與3#煤層間的距離在35～46 m的范圍內(nèi)。工作面回采至750 m的位置處會受到F1斷層的影響，斷層為正斷層，走向NE-SW，傾向NW，傾角為75°，落差為6 m，延長長度為260 m，為防止斷層區(qū)域回采作業(yè)使得工作面與頂板砂巖水貫通，需對回采時導水裂隙帶的高度進行分析，同時對工作面頂板的砂巖裂隙水的富水性進行有效評價分析。

表1 3#煤層頂?shù)装鍘r層特征

2 導水裂隙帶高度分析

2.1 理論計算分析

在工作面進行回采作業(yè)時，隨著開采作業(yè)的進行，頂板巖層會出現(xiàn)逐漸垮落的現(xiàn)象，進而在頂板形成“三帶”，即為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。導水裂隙帶即為裂隙帶的一部分，導水裂隙帶的發(fā)育高度主要受到頂板巖性組合、煤層厚度、工作面走向和傾斜長度、頂板硬巖比例和推進速度等因素的影響。由于導水裂隙帶的影響因素眾多，故選取相對重要因素進行分析，現(xiàn)在考慮工作面長度、硬巖巖性比例、煤層厚度和工作面推進速度等影響因素下進行導水裂隙帶的分析［1-2］，具體計算公式如下：

式中：Hf為導水裂隙帶的高度；b為工作面區(qū)域頂板硬巖的比例系數(shù)；s為工作面的采深；l為工作面的斜長；v為工作面的推進速度；M為煤層的厚度；根據(jù)3203工作面的具體地質(zhì)條件，各項參數(shù)分別取l=209 m，v=5.4 m/d，M=4.8 m，b=0.34，s=450 m，基于上述數(shù)據(jù)能夠計算得出Hf=52.6 m，即得出工作面導水裂隙帶的高度約為52.6 m。

2.2 數(shù)值模擬分析

為進一步準確分析3203工作面導水裂隙帶的發(fā)育高度，現(xiàn)采用UDEC數(shù)值模擬軟件，結(jié)合3203工作面的地質(zhì)資料，結(jié)合F1斷層的特征，建立斷層破碎帶的區(qū)域的模擬模型，模型長度×高度=350 m×200 m，設(shè)置斷層的落差為6 m，在模型左側(cè)預(yù)留75 m的煤柱，固定模型兩側(cè)邊和底邊的位移，在模型上方施加上覆巖層的載荷，模型初始地應(yīng)力平衡后，進行工作面推進通過斷層破碎帶區(qū)域的模擬分析［3-4］。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出，工作面距離斷層不同距離時頂?shù)装鍘r層的應(yīng)力等值線圖，具體以工作面距斷層30 m和0 m，以及推過斷層40 m和80 m時的應(yīng)力等值線圖進行具體分析。

圖1 3203工作面距斷層不同距離時應(yīng)力等值線分布

通過具體分析圖1可知，當工作面回采至距離斷層30 m位置時，此時在工作面采空區(qū)中心位置的正上方位置處的頂板巖層局部出現(xiàn)拉應(yīng)力現(xiàn)象，進而使得頂板巖層內(nèi)的軟弱結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)拉伸破壞現(xiàn)象，從而出現(xiàn)導水裂隙；當工作面推進至斷層的位置處時，此時在斷層帶的內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力現(xiàn)象，其內(nèi)部拉應(yīng)力的分布高度約為80 m，同時在工作面前方煤體的斷層上盤處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，即表明在工作面回采推進通過斷層時，斷層下盤的開采會對前方斷層上盤未開采的煤巖體產(chǎn)生一定的影響；隨著工作面回采作業(yè)的進行，工作面推進通過斷層區(qū)域，在推進通過斷層40 m時，斷層軟弱巖體出現(xiàn)拉伸破壞，此時的導水裂隙帶的發(fā)育高度為95 m，達到最大值；當工作面推進通過斷層80 m時，此時斷層破碎帶區(qū)域?qū)严稁У陌l(fā)育高度相對減小，降為70 m；另外根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，隨著工作面的進一步推進，當工作面推進通過斷層130 m時，此時斷層裂隙帶內(nèi)拉應(yīng)力已經(jīng)完全回落，裂隙帶的發(fā)育高度基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，為62 m。

綜合上述理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果可知，3203工作面在推進正常區(qū)域時，頂板導水裂隙帶的發(fā)育高度約在52.6～60 m的范圍內(nèi)，當工作面推進通過F1斷層區(qū)域時，導水裂隙帶的發(fā)育高度在推進通過斷層40 m的位置處，導水裂隙帶達到最大值為95 m，通過斷層130 m后，導水裂隙帶的發(fā)育高度達到穩(wěn)定，約為62 m。

3 富水性探測分析

3.1 探測方案

為有效分析3203工作面頂板裂隙帶的富水性，現(xiàn)采用瞬變電磁技術(shù)進行富水性的探測與圈定［5-6］，瞬變電磁的測線布置在3203工作面進風巷和回風巷內(nèi)，設(shè)置瞬變電磁探測點的間距為10 m，在兩條回采巷道內(nèi)各設(shè)置頂板15°、30°和45°3個不同的探測方向，每條巷道內(nèi)布置84個測點，具體探測方案見圖2。

在進行探測作業(yè)時，采用由點到線，由線到面的方式的作業(yè)方式，瞬變電磁的解釋原則采用由簡單到復雜的方式，探測作業(yè)現(xiàn)場實測結(jié)束后，先進行電感校正和曲線偏移作業(yè)，隨后對一次電磁場和干擾信號進行剔除作業(yè)，最終形成探測成果見圖2。

圖2 3203工作面瞬變電磁探測作業(yè)

3.2 結(jié)果分析

3203工作面進風巷的瞬變電磁探測作業(yè)從工作面開切眼進行，至停采線終止，測點之間的間距為10 m，根據(jù)瞬變電磁的探測結(jié)果，能夠得出進風巷頂板富水性的視電阻率等值線見圖3。

圖3 3203工作面進風巷視電阻率等值線圖

通過具體圖3可知，3203工作面進風巷區(qū)域頂板在不同的探測角度下，其淺部巖體的電阻率均表現(xiàn)為較低的水平，并且在巖層水平方向上其視電阻的電性表現(xiàn)為較好的連續(xù)性，淺部巖層表現(xiàn)為相對低阻的反應(yīng)，這即可解釋為在進風巷頂板區(qū)域的淺部巖層內(nèi)裂隙較為發(fā)育，具有一定的富水性，隨著探測深度的不斷增大，其視電阻率逐漸表現(xiàn)為高阻反應(yīng)，其電阻率逐漸增加，即可解釋為該部分巖體內(nèi)部的導水裂隙較少，該區(qū)域巖體的富水性較弱。

3203工作面回風巷內(nèi)的瞬變電磁探測作業(yè)同樣在開切眼和停采線區(qū)域內(nèi)進行，根據(jù)探測結(jié)果能夠得出回風巷視電阻率等值線見圖4。

圖4 3203工作面回風巷視電阻率等值線圖

通過具體分析圖4可知，在探測角度為15°時，此時頂板巖層在整體上表現(xiàn)為電阻率較高的現(xiàn)象，在局部區(qū)域表現(xiàn)為線性圈閉，即表明該區(qū)域頂板裂隙可能發(fā)育但是富水性相對較弱；在探測角度為30°時，此時探測區(qū)域內(nèi)的低阻范圍明顯增大，圖中的視電阻率表現(xiàn)為明顯的減小現(xiàn)象，該部分探測區(qū)域接近山西組砂巖裂隙含水層，該區(qū)域?qū)严断鄬^為發(fā)育，且與含水層存在著一定的水力聯(lián)系；在探測角度為45°時，隨著頂板探測高度的進一步增大，視電阻率表現(xiàn)為逐漸增大的現(xiàn)象，即代表著頂板導水裂隙的逐漸減少，該區(qū)域與上部的水力聯(lián)系逐漸減弱。

另外綜合瞬變電磁視電阻率的等值線的平面圖能夠得出，在工作面頂板30 m范圍內(nèi)的視電阻率較低，存在一定的富水性，且?guī)r層橫向間具有一定的連通性，但該區(qū)域的富水性較弱，在工作面區(qū)域頂板40～70 m的范圍內(nèi)，裂隙較為發(fā)育，頂板由于接近山西組砂巖含水層，該區(qū)域富水性較強，導水裂隙與含水層間存在著一定的水力聯(lián)系；另外根據(jù)探測結(jié)果可知，3203工作面的富水區(qū)域主要集中在回風巷附近。

4 結(jié)語

根據(jù)3203工作面地質(zhì)條件，通過理論和模擬分析確定出工作面正常區(qū)域頂板導水裂隙帶的發(fā)育高度約在52.6～60 m的范圍內(nèi)，通過F1斷層區(qū)域時，導水裂隙帶的最大發(fā)育高度約為95 m，通過對頂板采用瞬變電磁探測得出，工作面區(qū)域頂板0～30 m范圍，富水性較弱，頂板40～70 m的范圍內(nèi)，裂隙較為發(fā)育，該區(qū)域富水性較強，分析結(jié)果對3203工作面的開采作業(yè)具有一定的指導意義。