楊達明，郭文兵，趙高博，譚 毅,楊偉強

(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)

煤層開采后，覆巖會出現(xiàn)位移、變形和破壞現(xiàn)象，產(chǎn)生裂隙并形成“三帶”或“兩帶”破壞形態(tài)，造成地表或地下水流失，威脅地表生態(tài)及井下開采安全，針對上述問題，范立民提出了“保水采煤”的概念[1];其后，大量學(xué)者根據(jù)保水采煤的科學(xué)內(nèi)涵開展了一系列的理論研究和工程實踐[2-6]。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是保水采煤安全性分析的基本條件[7-8]。

確定導(dǎo)水裂隙帶高度的方法常用的有經(jīng)驗公式法、地面(井下)鉆孔法、物探法、理論分析及模擬實驗等[9-11]。地面鉆孔觀測法主要是通過測定鉆進過程中鉆孔沖洗液漏失量來確定覆巖破壞高度。井下鉆孔法是在采空區(qū)布置一定數(shù)量的仰上孔，通過測定鉆進注水漏失量及分析確定垮落帶、裂隙帶高度[12]。鉆孔電視法將電視探頭放入孔內(nèi)，觀測巖體及離層情況[13]。物探法則是利用垮落、開裂巖體電阻率的變化，判斷“兩帶”高度，但解釋有難度且存在一定誤差[12]。模擬實驗法即采用數(shù)值和物理模擬等對覆巖破壞高度進行研究[14];經(jīng)驗公式計算法主要針對具體的采礦地質(zhì)條件，采用相適應(yīng)的公式進行計算[15]。部分學(xué)者也利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)等非線性科學(xué)方法對“兩帶”高度進行預(yù)測。通過對搜集的47個厚煤層一次采全高(綜放)工作面覆巖破壞高度的實測方法進行統(tǒng)計，其中地面鉆孔法使用最多，其次為井下鉆孔法和鉆孔電視法;物探法觀測成本低，但誤差較大，應(yīng)用較少。

采高一定時(全部垮落法管理頂板)，影響導(dǎo)水裂隙帶高度的因素主要為覆巖巖性及松散層厚度。松散層抗變形能力差，在覆巖破壞過程中起不到控制覆巖破壞的作用，松散層作為上覆巖層的“載荷”存在，可加劇覆巖破壞速度和程度。軟弱覆巖下，煤層開采后頂板立即發(fā)生冒落，并且基本頂也隨之下沉，開采空間和冒落巖層本身的空間縮小，頂板冒落得不到充分發(fā)展，裂隙帶發(fā)育受到限制，導(dǎo)水裂隙帶高度較中(堅)硬覆巖條件下小。由于采礦地質(zhì)條件的復(fù)雜性，影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的因素眾多，如深厚比、推進速度、采煤方法、覆巖巖性與結(jié)構(gòu)、松散層厚度及特性、地質(zhì)構(gòu)造等;其主控因素及敏感度問題尚需進一步研究，因篇幅限制，本文暫不作研究。

河北冀中能源葛泉礦東井綜放工作面為典型的厚松散層軟弱覆巖工作面，上覆基巖及松散層內(nèi)存在多層含水層，嚴重威脅生產(chǎn)安全，因此需要準確測定工作面導(dǎo)水裂隙帶高度，為采取保水開采措施提供準確的理論參數(shù)。筆者結(jié)合工作面實際條件采用井下鉆孔分段注(放)液系統(tǒng)及鉆孔電視綜合確定了工作面導(dǎo)水裂隙帶高度，并采用數(shù)值模擬分析了導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律，對該礦區(qū)相似采礦地質(zhì)條件下保水開采等具有重要的參考價值。

1 工程概況

葛泉礦東井隸屬于冀中能源股份有限公司葛泉礦，核定生產(chǎn)能力90萬t/a。礦井開拓方式為一對立井開拓，采用走向長壁工作面布置，綜合機械化開采，全部垮落法管理頂板，開采7,8,9號煤層，7號煤層平均厚度1.02 m，穩(wěn)定性好，距9號煤層20～26 m。9號煤層為目前礦井開采煤層，全礦井穩(wěn)定可采，在井田大部分區(qū)域與8號煤層合并，總厚度約為6.65 m，傾角約為16°，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含3～6層夾矸。9號煤層上部存在7個含水層，其中含水層I～III為松散含水層，其中含水層I為第四系頂?shù)[孔隙含水層，富水性強;其余含水層富水性較弱，各含水層內(nèi)徑流條件差。各含水層之間均存在穩(wěn)定隔水層。礦井水文綜合水文地質(zhì)柱狀如圖1所示。由圖1可知，工作面松散層厚度超過100 m，基巖多為泥質(zhì)砂巖、灰?guī)r，且多為泥質(zhì)膠結(jié)，巖層較軟;為厚松散層軟弱覆巖工作面。

選擇礦井11915工作面作為探測地點，工作面寬約為74 m，臨近工作面已回采完畢，覆巖屬充分采動狀態(tài)，開采9號煤層，其中上部7號煤層未開采，煤層平均厚度為6.5 m，煤層埋深約為171 m，為走向長壁綜采放開采，回采時機采高度為2.4 m，放煤時見矸關(guān)閉放煤口。考慮礦井多數(shù)工作面覆巖內(nèi)存在豐富的含水層，以11915工作面為工程實例，采用鉆孔封堵技術(shù)和鉆孔電視對導(dǎo)水裂隙帶高度進行探測與分析，同時采用數(shù)值模擬分析導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律，為礦區(qū)安全開采提供保障。

2 鉆孔分段注(放)液系統(tǒng)探測

2.1 觀測方案設(shè)計

觀測時工作面回采前布置一個鉆孔以觀測覆巖原始裂隙的發(fā)育情況，而且要留有一定的富裕時間(一個半月至兩個月)，在工作面回采結(jié)束后再次布置2個鉆孔進行觀測采動裂隙的發(fā)育情況。本次鉆孔數(shù)目共3個，其中1個為采前原始裂隙鉆孔(對比鉆孔)，2個為采動后裂隙發(fā)育鉆孔。鉆場位置選擇不僅要考慮圍巖的穩(wěn)定性還要考慮通風行人、水源供給、及場地大小等的便利性。結(jié)合現(xiàn)場條件將鉆場設(shè)在11915工作面終采線以外的軌道巷內(nèi)。共布置3個鉆孔，其中1號鉆孔為采前觀測孔，觀測覆巖原始裂隙的發(fā)育情況;2號和3號鉆孔為采后觀測孔，觀測采動裂隙的發(fā)育情況;通過對比采前與采后的實測數(shù)據(jù)，能夠準確的確定覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

根據(jù)文獻[16]中導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式計算導(dǎo)水裂隙帶的大致發(fā)育高度，確定鉆孔觀測范圍。工作面頂板巖石強度屬于軟弱巖層。選擇的導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式為

(1)

Hli=10M+10

(2)

由式(1),(2)計算出的到導(dǎo)水裂隙帶高度分別為40.1～56.5，60 m;在采用井下定量探測過程中，應(yīng)重點觀測此高度范圍內(nèi)的注水漏失量。

根據(jù)所選鉆場位置及鉆孔觀測范圍，考慮施工的便利性等條件確定鉆孔施工參數(shù)見表1，鉆孔布置位置如圖2所示。

表1 鉆孔施工參數(shù)

Table 1 Drilling parameters

2.2 井下觀測過程

采用自主設(shè)計的雙端堵水器對開采前后鉆孔的注水漏失量進行監(jiān)測，確定開采后各巖層裂隙分布情況。該系統(tǒng)主要由雙端堵水器、耐壓軟管、觀測臺等構(gòu)成。觀測設(shè)備及井下觀測情況如圖3所示。

具體的觀測步驟:① 工作前，將設(shè)備各部件進行組裝，并確保各接口處密封良好;② 工作時，通過鉆機將堵水器推送到觀測的位置;③ 觀測時，對膠囊注水，使封孔壓力達到1.3 MPa，完成孔段封堵。然后對鉆桿注水，使注水壓力保持在0.8 MPa，等到注水流量與漏失量達到動態(tài)平衡，通過流量表測得單位分鐘內(nèi)的注水量，即漏失量;④ 測試完成后，打開膠囊放水閥門進行卸壓，孔段內(nèi)的水隨著膠囊收縮泄出;⑤ 重復(fù)上述步驟①～④，直到完成測試。

根據(jù)上述方案，于2018-06-05—06在對1號鉆孔進行了觀測，8月15日工作面回采完畢。隨后于10月2日、11月3日分別對2號和3號采后鉆孔進行了觀測。對1號鉆孔觀測過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備注水過程中鉆孔內(nèi)有一定量的水流出，分析認為是封堵膠囊注水壓力過小，導(dǎo)致封孔不嚴，因此于第2次對2號鉆孔觀測時更換水源將膠囊注水水壓由0.8 MPa提高至1.3 MPa，觀測過程中仍存在封孔不嚴現(xiàn)象。通過對井下觀測情況分析并在地面進行模擬實驗確定1.3 MPa封孔水壓完全能滿足壓力要求，但由于封堵膠囊長度僅為25 cm，起脹后與孔壁的接觸為線接觸，接觸面積小;且由于鉆孔孔壁較粗糙，光滑的膠囊起漲后與孔壁接觸后仍存在孔隙形成漏水通道。綜合上述情況，在第3次對3號鉆孔觀測時，將封堵膠囊長度由25 cm增長至50 cm，并使用高彈性的尼龍布將封堵膠囊包裹，改變與孔壁的接觸狀態(tài)。通過采取上述措施，對3號鉆孔封堵注水時鉆孔內(nèi)沒有明顯的水流出，觀測效果良好。

綜合上述3個鉆孔的探測過程，通過提高膠囊封孔壓力，增加封孔膠囊的長度，采用高彈性尼龍布改善膠囊起漲后與孔壁之間的接觸狀態(tài)，能確保封孔良好，無漏水現(xiàn)象發(fā)生，保證鉆孔分段注放液系統(tǒng)測試的可靠性。

2.3 探測結(jié)果分析

將各鉆孔觀測到的注水漏失量數(shù)據(jù)及附近鉆孔(葛37孔)柱狀繪制到圖中，分析孔段內(nèi)的注水漏失量變化，最終確定導(dǎo)水裂隙帶高度，圖4為鉆孔分段注水漏失量分布圖。

由圖4(a)可知，在工作面覆巖未破壞條件下，1號采前對比孔注水流量變化量平均為4.75 L/min左右。鉆孔周圍巖層未受采動影響發(fā)生破壞，根據(jù)現(xiàn)場觀測情況，對比孔測試段均有大小不一的漏失量，尤其是孔深51～61.5 m孔段和67.5～73.5 m孔段，注水漏失量分別在3.99～7.13 L/min和3.73～7.15 L/min范圍內(nèi)變化。

由圖4(b)可知，2號鉆孔75～87 m范圍注水漏失量在6.06～7.98 L/min范圍波動變化。與1號鉆孔對應(yīng)段注水漏失量比較表明此區(qū)段巖層未破壞;在孔深57～72 m范圍注水漏失量增大，明顯高于前段，漏失量達到19.75～25.85 L/min，說明此段為導(dǎo)水裂隙帶的頂部。因此，2號鉆孔確定的覆巖導(dǎo)水裂隙帶位置在孔深75 m處，所對應(yīng)的巖層為8.8 m厚的泥質(zhì)粉砂巖，距煤層頂板的垂高為46.7 m。

由圖4(c)可知，在孔深81.0～91.5 m漏失量在4.97～9.92 L/min范圍波動。與采前孔對應(yīng)段漏失量比較表明此區(qū)段巖層未破壞;孔深69～79.5 m范圍注水漏失量明顯高于前段，漏失量達到14.03～16.40 L/min，說明此段為導(dǎo)水裂隙帶頂部。由于此段注水漏失量增加較快說明從此段開始巖層破壞較為嚴重，進入導(dǎo)水裂隙帶范圍。因此，由3號孔確定的工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶頂界位置為孔深81 m處，距煤層頂板的垂高為45.7 m。

綜上可知，工作面回采前，由于上覆巖層未受采動影響，裂隙并不發(fā)育，1號鉆孔注水漏失量變化不是明顯;工作面回采結(jié)束后，上覆巖層受到采動的影響，產(chǎn)生大量新生裂隙。另外，2號鉆孔漏失量達19.75～25.85 L/min;3號鉆孔漏失量為14.03～16.40 L/min;3號鉆孔漏失量總體上小于2號鉆孔，這是由于2號鉆孔的封堵注水效果不良，工作面回采后覆巖裂隙在上部巖層及松散層的壓實作用下逐漸閉合，因此3號鉆孔注水漏失量明顯小于2號鉆孔。

由表2可知，11915工作面現(xiàn)場實測的最大導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度為45.7～46.7 m，裂采比為6.87～7.02。

表2 11915工作面探測到的導(dǎo)水裂隙高度

Table 2 Height of water-conducting zone detected in 11915 panel

孔號導(dǎo)水裂隙帶高度/m裂采比2號采后46.77.023號采后45.76.87

3 鉆孔電視觀測

3.1 觀測方法

在定量探測的基礎(chǔ)上，采用武漢固德科技有限公司研制的GD3Q-GM井下鉆孔電視(側(cè)視攝像頭)探測系統(tǒng)(圖5)對覆巖裂隙進行直觀觀測，通過鉆孔成像，將鉆孔內(nèi)巖層裂隙的發(fā)育情況以圖片形式直接顯示，對注水漏失量探測結(jié)果進行驗證。

圖5 鉆孔電視探測設(shè)備

選擇3號鉆孔作為觀測孔進行觀測，觀測過程中，人工通過接桿將攝像頭推進鉆孔，推進過程中同時觀察孔內(nèi)的裂隙變化，并進行拍照，接桿一共長100 m，孔內(nèi)觀測深度共97.74 m。

3.2 觀測結(jié)果分析

現(xiàn)場觀測的鉆孔深度為97 m，其中前10 m包含鉆孔套管，實際有效觀測深度為87 m，圖6為有代表性的10張覆巖裂隙發(fā)育情況的照片，其中照片編號后面的數(shù)字為該位置與煤層頂板之間的垂直距離。

在孔深前18.35 m范圍內(nèi)，覆巖沒有明顯的采動裂隙(圖6(a))，說明此范圍孔段尚未進入到裂隙帶區(qū)域。從孔深18.35 m處，覆巖開始出現(xiàn)明顯的采動裂隙(圖6(b)～(c))，但裂隙寬度及數(shù)量較小，此段鉆孔的水平長度約為15.2 m，鉆孔施工位置距采空區(qū)的水平距離約17 m，此范圍巖層開始明顯受到采動影響。在孔深為28.78 m處附近(圖6(d))，即煤層頂板16.1 m位置巖層破壞嚴重，巖塊破碎，此處應(yīng)為覆巖垮落帶。隨著孔深的增大(圖6(e)～(f))，覆巖破壞程度較孔深28.78 m處位置明顯減小且呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，裂隙以縱向或?qū)酉蚪徊娲嬖?，說明3號鉆孔穿過了覆巖垮落帶，垮落帶高度約為16.1 m。當孔深繼續(xù)增大(圖6(g)～(h))，裂隙走向及寬度辨識度增大，以斜向裂隙為主，呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性?？咨顬?1.27 m處(圖6(i))，即距煤層頂板28.7 m為一煤層，結(jié)合鉆孔柱狀圖，為7號煤，小于葛37孔中的煤層間距，說明此處基巖較葛37鉆孔位置基巖薄。7號煤層頂板為泥質(zhì)粉砂巖，巖層較軟弱，受采動后巖層破壞明顯，如圖6(j)～(k)所示。隨著離開采煤層距離的增加，覆巖裂隙減小(少)，如圖6(l)～(m)所示。至孔深83.06 m位置處，即垂深46.4 m，裂隙完全消失，說明導(dǎo)水裂隙帶高度為46.4 m?？咨?9.64 m(圖6(n)，垂深50.1 m)處存在明顯的第四系底部卵石層，說明此處基巖厚度為50.43 m。通過鉆孔電視觀測確定的垮落帶高度為16.1 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為46.4 m，垮采比和裂采比分別為2.42,6.98，與鉆孔漏失液觀測法確定的裂隙帶高度一致。

圖6 采動后覆巖裂隙照片

根據(jù)2個鉆孔探測的結(jié)果及鉆孔施工位置，確定出工作面走向方向覆巖導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)如圖7所示。

圖7 工作面走向方向?qū)严稁螒B(tài)

4 數(shù)值模擬實驗分析

以葛泉礦11915綜放工作面地質(zhì)采礦條件為背景，模擬該開采條件下覆巖垮落、破斷特征。通過數(shù)值模擬實驗，分析11915工作面開采時覆巖的破壞演化形式、覆巖動態(tài)破壞演化特征及規(guī)律、覆巖破壞發(fā)育高度及形態(tài)、覆巖垮落破斷基本特征、覆巖內(nèi)部離層、裂隙、裂縫等非連續(xù)變形發(fā)育特征等。

4.1 實驗設(shè)計

采用3DEC對11915工作面覆巖破壞規(guī)律進行模擬，模型尺寸為380 m×5 m×201.5 m(長×寬×高)，松散層厚度為102 m，基巖厚69 m，為提高運算速度，建立的為二維數(shù)值模型。模型外側(cè)及底部為固定邊界，頂部為自由邊界，采用摩爾庫倫準則作為巖體破壞準則;每次開挖步距為20 m，共開挖180 m。數(shù)值模型如圖8所示,數(shù)值模型參數(shù)見表3。

圖8 數(shù)值模擬實驗?zāi)Ｐ?/p>

表3 工作面數(shù)值模型巖層參數(shù)及接觸面參數(shù)

Table 3 Rock parameters and contact surface parameters of numerical model

序號巖性厚度/m密度/(kg·m-3)體積模量/GPa剪切模量/GPa抗拉強度/MPa黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)法向剛度/GPa切向剛度/GPa1中細砂巖9.0239028.4518.828.58.80320.500.502粉砂巖15.0241028.3318.209.09.60320.400.4039號煤層6.513003.711.911.81.00240.100.104大青石灰?guī)r5.028002.451.312.71.10290.030.035泥巖3.024304.002.102.21.70280.040.046粉砂巖10.024109.335.203.82.60310.090.097粉細砂巖互層6.025007.333.301.31.00320.030.038中細砂巖5.0241012.457.114.22.50360.090.099泥質(zhì)粉砂巖3.024107.334.202.21.50310.060.06107號煤層1.013003.711.911.11.00240.010.0111泥質(zhì)粉砂巖13.024107.334.202.11.50310.060.0612中砂巖6.0241016.459.815.94.50340.100.1013伏青石灰?guī)r3.0280014.458.916.55.20350.100.1014粉砂巖8.024106.334.203.02.60320.040.0415中細砂巖10.0241015.458.816.24.50360.100.1016表土層102.016003.711.511.20.92180.010.01

4.2 模擬結(jié)果及分析

圖9為工作面不同開挖步距條件下的覆巖垮落形態(tài)。當工作面推進20 m時(圖9(a))，直接頂(石灰?guī)r、泥巖)垮落充填采空區(qū)，覆巖破壞高度為8 m。推進至40 m時(圖9(b))，覆巖破壞向上傳遞至厚層的粉砂巖(厚10 m)中，由于推進距離小，斷裂巖層呈鉸接狀，破壞高度為14 m。推進至60 m時(圖9(c))，覆巖破壞繼續(xù)向上發(fā)育，斷裂的粉砂巖形成砌體梁，破壞高度24 m。推進至100 m時(圖9(d))，距煤層頂板距離為46 m處的泥質(zhì)粉砂巖頂界面出現(xiàn)明顯的離層，離層下方存在細微裂隙，破壞高度為46 m，且隨著工作面的繼續(xù)推進，離層閉合且覆巖破壞高度不再增加。因此，由數(shù)值模擬確定的導(dǎo)水裂隙帶高度為46 m。

通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，覆巖破壞向上發(fā)育過程中，直接頂以垮落的形式充填采空區(qū)形成垮落帶，由于垮落巖塊的支承作用，上覆巖層會鉸接形成梁式結(jié)構(gòu)，使其及其上覆巖層破斷塊度減小形成裂隙帶;其中裂隙帶以砌體梁及離層的形式向上傳遞，離層下方的巖層彎曲變形至其極限變量時與縱向裂隙貫通最終形成裂隙帶頂點。圖10為工作面推進過程中導(dǎo)水裂隙帶高度變化曲線圖，覆巖破壞高度變化大致可分為以下4個階段:

(1)發(fā)育階段:工作面開切眼后，隨著推進距離增加，直接頂達到極限跨距失穩(wěn)垮落充填采空區(qū)，覆巖破壞開始向上傳遞;

(2)緩增階段:隨著工作面的繼續(xù)推進，由于采空區(qū)內(nèi)的垮落巖塊的碎脹性及其承載性，上覆巖層斷裂后形成梁式結(jié)構(gòu)，保持著暫時的穩(wěn)定狀態(tài)，減小了覆巖破壞向上傳遞的速度，破壞高度緩慢增大;

(3)突增階段:隨著進一步推進，垮落巖塊及梁式結(jié)構(gòu)巖層不足以承載上覆巖層時產(chǎn)生離層，且隨著推進距離增大，覆巖縱向裂隙和離層裂隙貫通，裂隙帶內(nèi)鉸接巖梁向上發(fā)展，破壞高度急劇增大;

(4)穩(wěn)定階段:隨著工作面繼續(xù)推進達到充分采動，垮落巖層進一步充填采空區(qū)并壓實，垮落帶的懸臂梁和砌體梁結(jié)構(gòu)分別向推進方向周期性傳遞，覆巖破壞高度達到最大并保持穩(wěn)定。

圖10 不同開挖步距覆巖破壞規(guī)律

通過上述現(xiàn)場探測實踐發(fā)現(xiàn)，鉆孔注水漏失量法探測導(dǎo)水裂隙帶高度能夠獲取覆巖裂隙的相對大小特征，但不能確定裂隙的發(fā)育形態(tài);現(xiàn)場施工關(guān)鍵需要保證雙端堵水器的封孔效果，確保封孔良好，對施工過程細節(jié)要求高，探測效果不易保證;且通過操作鉆機將雙端堵水器推入鉆孔，現(xiàn)場需要引入高壓水源或氣源，施工工程量相對較大。相反，鉆孔電視能夠直接獲取裂隙的發(fā)育位置及其形態(tài)，可直觀的對比裂隙發(fā)育形態(tài)，但不能準確的對比孔壁之間的裂隙大小，施工時只需要人工將輕質(zhì)接桿推入鉆孔，施工過程簡單輕便，施工成功率高。

5 結(jié) 論

(1)采用2種技術(shù)手段的的探測和分析，可以準確確定導(dǎo)水裂隙帶高度。由于鉆孔電視是直接獲取巖層的垮落及裂隙發(fā)育情況，探測的導(dǎo)水裂隙帶高度最為準確;通過改善鉆孔漏失量觀測方法及儀器克服了施工因素影響及設(shè)備封堵缺點，提高了觀測精度。

(2)通過現(xiàn)場探測表明，葛泉礦厚煤層放頂煤、軟弱覆巖、厚松散層含水層條件下，采高為6.65 m時，導(dǎo)水裂隙帶高度為45.7～46.7 m，裂采比為6.87～7.02;垮落帶高度為16.1 m，垮采比為2.42。

(3)經(jīng)驗公式計算出的是固定采高類似地質(zhì)條件的導(dǎo)高發(fā)育范圍，與實際探測結(jié)果最接近的經(jīng)驗是公式是:Hli=100M/(0.31M+8.81)±8.21，因為經(jīng)驗公式是由大量實測值回歸得出，實測值的準確性直接影響公式的精算精度。