承壓水帶壓開采影響下底板破壞深度勘測

韓 鎏，劉 巖

（1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014）

引言

煤炭資源在我國能源結(jié)構(gòu)中占有較大的比例，但是在煤炭的開采過程中會(huì)面臨著礦井水害的影響，尤其是底板承壓突水危害較為嚴(yán)重[1]。從有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)來看，從2010年開始直到現(xiàn)在，我國累計(jì)出現(xiàn)礦井突水的煤礦有300多個(gè)，造成直接財(cái)產(chǎn)損失高達(dá)數(shù)十億元[2-4]。對(duì)于底板突水的研究，學(xué)者們多從是理論推導(dǎo)、現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬的角度研究工作面開采之后煤層底板的裂隙發(fā)育、破壞范圍等，都取得了較為顯著的成果[5-7]。其中，由于地球物理探測方法有操作方便、費(fèi)用較少、結(jié)果顯示較快、攜帶便捷和可選擇面廣的特點(diǎn)，所以在實(shí)踐過程中運(yùn)用較為廣泛，探測方法包括電阻率法、巖體聲波探測法、微震監(jiān)測法和CT法等。綜合背景煤礦和工作面的情況，筆者選擇采用巖體聲波探測法進(jìn)行研究，這對(duì)于掌握承壓水帶壓開采影響下底板破壞規(guī)律，及時(shí)采取預(yù)防措施，豐富礦井防治水理論與技術(shù)，對(duì)于煤礦的安全生產(chǎn)具有極為重要的意義。

1 工作面概況及探測方案

1.1 工作面該概況

某礦61205工作面長度為1 480 m，煤層層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤層傾角8°~18°，平均煤厚為5.5 m，可采地質(zhì)儲(chǔ)量是33萬t。煤層底板的隔水層巖性由泥巖和砂巖構(gòu)成，部分位置的砂巖直接位于奧灰含水層之上。隔水層厚度為30~75.6 m，平均厚度為48 m，工作面突水的主要危害是砂巖裂隙含水層和奧灰水。

1.2 探測內(nèi)容

此次勘測的對(duì)象是該礦61205工作面底板的破壞深度，分析在帶壓開采擾動(dòng)下底板巖層的破壞特征，此次勘測需要考慮到連續(xù)性和針對(duì)性，所以采用巖體鉆孔聲波探測的方法進(jìn)行，根據(jù)不同巖性的巖體中能量波速度的差異，來判斷空間上巖體的分布特征，來分析巖體裂隙狀態(tài)。

1.3 聲波測速鉆孔布置方案

為了能夠達(dá)到對(duì)61205面底板破壞深度準(zhǔn)確預(yù)測的目的，進(jìn)行采前、采中和采后三個(gè)階段的鉆孔聲波測速觀測。觀測點(diǎn)的選擇要尊重兩個(gè)原則，其一是要選擇圍巖完整的區(qū)域進(jìn)行鉆孔施工，其二是考慮到觀測時(shí)間上的連續(xù)性，能夠順利觀測到采前、采中和采后巖層的損傷特征，打鉆位置與切眼之間要有一定的距離。所以在如圖1所示的位置處進(jìn)行觀測鉆孔施工，在運(yùn)輸巷外側(cè)的1位置處打3個(gè)不同角度的鉆孔。

1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)鉆孔分別構(gòu)成了兩個(gè)觀測鉆面，孔深35~42 m之間，俯角度分別為1°、6°、11°。

2 采場底板破壞深度觀測結(jié)果分析

在開采擾動(dòng)影響下，煤層底板原有的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，但是由于與工作面的距離不同，影響程度也不同。聲波探頭放置于鉆孔內(nèi)，聲速指的是收發(fā)器之間20 cm的聲速，只有當(dāng)這段距離四周的巖體較為發(fā)育的時(shí)候，聲波才會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)。以1號(hào)孔為例進(jìn)行分析，研究不同開采階段的波速數(shù)據(jù)變化，得到煤層底板破壞深度，其他孔同理可得。

表1 采前鉆孔測試結(jié)果

2.1 工作面開采與聲波速度間關(guān)系

從表中可以看出，可以看出，在工作面開采之前，巖層聲波速度較為穩(wěn)定，沒有大的起伏。工作面采過之后，因?yàn)殚_采擾動(dòng)使得了底板巖層應(yīng)力重新分布，孔隙率發(fā)生改變，同時(shí)產(chǎn)生了裂隙，巖層成分不均勻，所以聲波速度起伏較大。不同開采時(shí)期，同位置處聲波速度出現(xiàn)波動(dòng)的主要原因是孔隙度的改變，孔隙度能夠反映出巖體破壞程度，孔隙度k的計(jì)算公式如下：

式中：Vr代表了巖石骨架的聲速；Vm代表了鉆孔中液體的聲速。

從現(xiàn)場的勘探結(jié)果來看，底板巖層的分布順序依次為細(xì)砂巖、泥巖和中砂巖。通過對(duì)鉆芯樣品進(jìn)行聲波實(shí)驗(yàn)得出其聲速分別為V細(xì)砂巖=5 330 m/s，泥巖V泥巖=2 680 m/s，V中砂巖=5 020 m/s，水的波速是1 500 m/s，代入公式（1）可以得到如圖2所示的1號(hào)鉆孔的孔隙度曲線圖。

2.2 埋深與聲波速度間關(guān)系

1號(hào)孔淺部（不大于9 m)的巖體，對(duì)比未開采和采掘中測試結(jié)果能夠看出，聲波波速出現(xiàn)了顯著的降低，出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因是這個(gè)位置的巖體在受到支撐應(yīng)力的影響下，開始產(chǎn)生塑性變形，內(nèi)部的裂隙擴(kuò)展，所以聲波的波速降低，波形出現(xiàn)起伏。此外，發(fā)現(xiàn)在開采完成之后，接收不到波形，說明這一區(qū)域的巖體裂隙得到了充分發(fā)育，進(jìn)一步擴(kuò)展，甚至出現(xiàn)垮落，波速急劇降低。

在1號(hào)孔的中部區(qū)域（9~21 m）整體上波速呈現(xiàn)出小幅度降低的趨勢，未出現(xiàn)較大的起伏，分析認(rèn)為此區(qū)域的巖體整體上處于彈性階段，其內(nèi)部的裂隙變化較下；但在局部位置處聲波出現(xiàn)了升高的趨勢，說明該區(qū)域可能出現(xiàn)了塑性變形。整體上此段區(qū)域巖體較為完整，但裂隙發(fā)育程度不均勻。

1號(hào)孔的深部區(qū)域（大于21 m），巖體聲波測速結(jié)果基本上保持不變，說明在此區(qū)域段，巖體依然處于彈性階段，受到的開采擾動(dòng)較小，底板巖層的裂隙發(fā)育未達(dá)到此處。鑒于此，對(duì)于1號(hào)孔而言21 m是底板巖層損傷的最大深度，同理可得，2號(hào)孔、3號(hào)孔的破壞下限分別為21 m和24 m。

3 結(jié)論

為了研究帶壓開采擾動(dòng)下煤層底板破壞規(guī)律，本文結(jié)合背景煤礦和61205工作面的實(shí)際概況制定巖體聲波探測方案，監(jiān)測開采前、中、后三個(gè)時(shí)期聲波變化，進(jìn)而分析底板破壞深度，得到以下結(jié)論：

1）開采之前，巖層較為穩(wěn)定，聲波速度出現(xiàn)沒有大的起伏。開采之后，因?yàn)殚_采擾動(dòng)使得了底板巖層應(yīng)力重新分布，孔隙率發(fā)生改變，同時(shí)產(chǎn)生了裂隙，巖層成分不均勻，所以聲波速度起伏較大。

2）1號(hào)孔淺部（不大于9 m)采中至采中時(shí)期，波速出現(xiàn)了顯著的降低，且起伏較大。開采之后，波速大幅下降；中部區(qū)域（9 m~21 m）波速呈現(xiàn)出小幅度降低，未出現(xiàn)較大的起伏，但局部出現(xiàn)了升高的趨勢；深部區(qū)域（大于21 m），巖體聲波測速結(jié)果基本上保持不變，即得到1號(hào)孔破壞下限為21 m，同理能夠得到2號(hào)、3號(hào)孔的破壞下限為21 m、24 m。