呂文斌，杜明澤，管彥太，趙寶相，牟 義

(1.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299； 2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

我國(guó)煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，突水事故時(shí)有發(fā)生，是煤礦五大災(zāi)害事故之一。近年來(lái)，隨著西部煤炭資源的開發(fā)，煤炭資源開采深度、開采規(guī)模、開采范圍及開采強(qiáng)度的不斷加大，煤礦生產(chǎn)受水害威脅愈加嚴(yán)峻[1-3]。西北深埋侏羅紀(jì)煤田存在大批弱膠結(jié)軟巖礦井，由于煤層埋藏較深，頂板含水層富水性不均一[4，5]，導(dǎo)致在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生多起水砂突涌災(zāi)害，且災(zāi)害呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)，砂源來(lái)自砂巖含水層本身，給煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。

覆巖破壞裂隙發(fā)育特征是引起頂板水害的關(guān)鍵因素之一。采礦活動(dòng)必然造成地下巖體應(yīng)力的重新分布和巖體的破裂損傷，這種損傷極大地改變了巖體的滲透性，巖體在滲透水壓作用下微裂紋的萌生、擴(kuò)展、貫通，直到最后宏觀裂紋產(chǎn)生導(dǎo)致失穩(wěn)破壞發(fā)生災(zāi)變[6，7]。部分學(xué)者對(duì)于弱膠結(jié)巖體的性能以及覆巖破壞“兩帶”發(fā)育高度進(jìn)行了研究。許延春等[8]基于40多個(gè)礦區(qū)實(shí)測(cè)資料，得出綜放開采條件下垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)計(jì)公式；杜明澤等[9]從煤礦區(qū)地下水污染防控的角度，闡述了基于巖層控制的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度調(diào)控技術(shù)現(xiàn)狀；方杰等[10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出了軟弱覆巖厚煤層綜放開采工作面的垮采比和裂采比；馮國(guó)財(cái)?shù)萚11]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出了白堊系特厚煤層綜放開采導(dǎo)水裂縫帶高度與采高的關(guān)系；孫慶先等[12]以神華寧煤集團(tuán)紅柳煤礦1121工作面為例，研究了軟覆巖綜采一次采全高工作面“兩帶”高度；翟志偉等[13]采用礦用本安型鉆孔成像軌跡檢測(cè)裝置分析了不同深度段孔內(nèi)原生裂隙和次生裂隙發(fā)育情況，獲得了七一煤礦9101 回采工作面覆巖破壞發(fā)育高度；尹嘉帝等[14]以潘二礦18111 工作面為例，采用相似模擬、數(shù)值模擬和理論分析，綜合探討了工作面開采過(guò)程覆巖裂隙的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律；王振榮等[15]提出了多煤層重復(fù)采動(dòng)條件下導(dǎo)水裂隙帶高度的觀測(cè)方法，并將其成果應(yīng)用于布爾臺(tái)煤礦，取得了良好的效果。然而，由于弱膠結(jié)巖體遇水易劣化，部分裂隙會(huì)發(fā)生彌合，采用傳統(tǒng)的地面和井下鉆孔注水觀測(cè)、鉆孔電視觀測(cè)難以準(zhǔn)確的判斷垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的界限，且鉆孔易塌孔，鉆孔電視成像較為模糊，給“兩帶”發(fā)育高度的判斷帶來(lái)難度。光纖監(jiān)測(cè)[16]和并行電法監(jiān)測(cè)技術(shù)[17]是近年來(lái)逐漸成熟的技術(shù)，對(duì)于地層受力變形、地層視電阻率變化有較強(qiáng)的敏感性。鑒于此，在分析弱膠結(jié)巖體力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，采用分布式光纖測(cè)試法和并行電法測(cè)試技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并與經(jīng)驗(yàn)預(yù)計(jì)公式進(jìn)行對(duì)比，以期獲得弱膠結(jié)礦區(qū)工作面開采覆巖破壞規(guī)律，同時(shí)為弱膠結(jié)地層“兩帶”監(jiān)測(cè)提供新的技術(shù)手段。

1 工程背景

1.1 工作面概況

新上海一號(hào)煤礦111084綜采工作面位于一水平一采區(qū)，為首采區(qū)8煤布置的第二個(gè)工作面。煤層平均厚度2.9m，最大3.4m，開采深度358～414m，地面標(biāo)高+1314.8m，工作面標(biāo)高+903.13～+949.63m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度1868m，傾斜長(zhǎng)度203.7m。工作面頂?shù)装鍘r層巖性以砂質(zhì)泥巖、細(xì)-中砂巖為主。2014年7月—12月，工作面先后發(fā)生4次突水潰砂災(zāi)害。分析認(rèn)為，工作面開采導(dǎo)水裂隙帶波及到了上覆直羅組含水層，導(dǎo)致災(zāi)害的發(fā)生。

圖1 111084工作面位置

1.2 地層條件

井田地質(zhì)由老到新依次為三疊系延長(zhǎng)組(T3y)、侏羅系延安組(J2y)、侏羅系直羅組(J2z)、白堊系志丹群(K1zd)、古近系(E)及第四系(Q)。其中含煤地層為侏羅系延安組，蓋層為白堊系、古近系及第四系；三疊系延長(zhǎng)組為侏羅系含煤巖系的基底。

2 弱膠結(jié)巖體物化性能及覆巖類型劃分

2.1 巖體耐崩解性

在鉆孔B37埋深325～400m段進(jìn)行取樣，選取該段部分泥巖、 進(jìn)行崩解試驗(yàn)，泥巖在開始階段崩解為片狀[18，19]，隨后向泥漿狀態(tài)轉(zhuǎn)變。泥巖的軟化劣化特征與其礦物成分有關(guān)，泥質(zhì)膠結(jié)物的溶解和黏土礦物的吸水膨脹，使得泥巖遭受結(jié)構(gòu)性破壞；砂巖在3h后基本崩解完全，說(shuō)明深埋侏羅紀(jì)煤田砂巖表現(xiàn)出明顯的流砂屬性。

2.2 弱膠結(jié)巖體遇水力學(xué)性能

在8煤頂板取心，采用WES-1000B型數(shù)字式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同含水狀態(tài)下巖石的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。不同含水狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度如圖2所示，由圖2可知，隨著含水率的增大，巖石的抗壓強(qiáng)度依次衰減，說(shuō)明弱膠結(jié)泥巖遇水軟化劣化，單軸抗壓強(qiáng)度降低。

圖2 不同含水狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度

2.3 覆巖強(qiáng)度類型劃分

通過(guò)對(duì)8煤和15煤進(jìn)行取心測(cè)試，8煤層頂?shù)装宓奶烊缓?.30%～12.69%，飽和抗壓強(qiáng)度為7.20～67.53MPa，天然抗拉強(qiáng)度0.20～6.91MPa。15煤層頂?shù)装宓奶烊缓?.90%～25.87%，飽和抗壓強(qiáng)度為2.48～48.40MPa?？傮w來(lái)看，泥巖力學(xué)強(qiáng)度偏低，大多數(shù)小于20MPa；砂巖單軸抗壓強(qiáng)度相對(duì)較大，強(qiáng)度0～70MPa不等。采用加權(quán)的方法，計(jì)算近8煤的基巖平均飽和單向抗壓強(qiáng)度為16.67MPa，屬于軟弱巖層；15煤的基巖平均飽和單向抗壓強(qiáng)度為22.82MPa，屬于中硬巖層。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南》(以下簡(jiǎn)稱《“三下”開采指南》)[20]覆巖巖石強(qiáng)度分類標(biāo)準(zhǔn)，巖體屬于軟弱～中等。

3 弱膠結(jié)地層覆巖破壞“兩帶”高度實(shí)測(cè)

分布式光纖技術(shù)在地層變形監(jiān)測(cè)中已經(jīng)有較為廣泛的應(yīng)用，通過(guò)監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)變化轉(zhuǎn)換成地層的應(yīng)變情況，獲得地層的受力狀態(tài)，正值表示地層受力，負(fù)值表示地層受壓。并行電法通過(guò)采動(dòng)前后地層電阻率的變化信息，判斷覆巖破壞的發(fā)育高度。新上海一號(hào)煤礦泥巖遇水軟化泥化，采動(dòng)裂隙易彌合，導(dǎo)致鉆孔電視等常規(guī)方法不能及時(shí)捕捉導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況，因此，采用分布式光纖和并行電法手段，彌補(bǔ)常規(guī)手段的不足，以期為類似地層條件提供技術(shù)參考。

3.1 覆巖破壞監(jiān)測(cè)布置情況

考慮8煤工作面已經(jīng)開采完畢，在15煤層采用光纖、電法兩種方法對(duì)工作面開采覆巖破壞情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得弱膠結(jié)地層工作面開采垮采比和裂采比。114152工作面處于侏羅系延安組地層中，煤層傾角3°～13°，平均5.7°，工作面可采走向長(zhǎng)1615m，切眼長(zhǎng)201.4m，平均采厚為3.7m，煤層開采速度8m/d。工作面及頂?shù)装逯饕獮槟嗌盎?，主要揭露的巖層巖性為15煤、泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖。114152工作面上部與8煤間距平均約為73.45m，下部與16煤間距平均間距為12.02m。

在114152工作面布置巖層破壞鉆孔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(包括光纖、電法兩種方法)，施工1個(gè)地面垂直鉆孔LD-1，孔深475m，終孔層位為15煤頂板上方10m處。光纖裝設(shè)完成后進(jìn)行水泥漿封孔，地面留有采集裝置。鉆孔埋深3根傳感光纜，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，1#傳感光纜實(shí)際安裝長(zhǎng)度為465.4m，2#傳感光纜實(shí)際安裝長(zhǎng)度為467.04m，3#傳感光纜實(shí)際安裝長(zhǎng)度為467.04m。電法電纜共96個(gè)電極，其中1號(hào)電極在地下465.4m，96號(hào)電極在地下37.9m，控制垂深427.5m。光纖數(shù)據(jù)初次采集回采工作面運(yùn)輸巷退尺位置距離鉆孔177m，電法數(shù)據(jù)初次采集回采工作面回風(fēng)巷退尺位置距離鉆孔340m，采用首次采集數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)初值。隨工作面的不斷推進(jìn)，直至獲得推過(guò)鉆孔位置200m的數(shù)據(jù)。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

煤層開采后上覆巖層失去煤層支撐作用力成為懸空體，當(dāng)其懸空面積隨工作面推進(jìn)不斷增大，所受自重和上覆巖層壓力前期所引發(fā)巖體表征出彈性→塑性→大變形的過(guò)程。如果應(yīng)變陡增具有連續(xù)性，并當(dāng)其增大到一定程度后，保持相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，通常認(rèn)為是產(chǎn)生離層或裂隙發(fā)育穩(wěn)定。當(dāng)其應(yīng)變陡增不具有連續(xù)性時(shí)，并且應(yīng)變變化數(shù)值差較大時(shí)，通常認(rèn)為覆巖發(fā)生垮落或者產(chǎn)生較大裂隙；傳感光纜的斷裂，傳感光纜通常都有測(cè)試極限，采動(dòng)引起頂板形變量一般較大，當(dāng)其形變程度遠(yuǎn)超過(guò)光纜抗拉強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度時(shí)，光纜就會(huì)被拉斷或錯(cuò)斷。拉斷常常發(fā)生在彈性模量較小的巖體中或者巖性分界面，錯(cuò)斷常常發(fā)生在巖體彈性模量較大的巖體或者相鄰巖層分界面。當(dāng)其出現(xiàn)斷裂時(shí)，作為頂板垮落或者發(fā)生較大離層與裂隙的判別依據(jù)。

1#、2#、3#傳感光纜監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著工作面向監(jiān)測(cè)鉆孔位置推進(jìn)過(guò)程中，首先在上部白堊系的巖層中產(chǎn)生超前應(yīng)力響應(yīng)，并且隨著工作面靠近鉆孔位置，對(duì)應(yīng)巖層內(nèi)的拉應(yīng)力值逐漸增大，并在巖層分界面處呈現(xiàn)顯著的“尖突”型拉應(yīng)變特征，表現(xiàn)為巖層受力出現(xiàn)的離層特征，且層與層之間未溝通，僅是表現(xiàn)為層間離層，即高位離層。白堊系以下侏羅系地層，其整體以泥質(zhì)類巖性為主，該地層范圍內(nèi)的基本以壓應(yīng)變?yōu)橹黧w，局部巖層出現(xiàn)拉應(yīng)變特征，且根據(jù)應(yīng)變變化特征與推進(jìn)位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，超前應(yīng)力水平影響范圍達(dá)到100m。侏羅系地層中垂深在425.66m以下深度，整體變化趨勢(shì)比較均一，受采動(dòng)影響呈垮落特征，即垮落帶高度為15煤頂板以上46.7m高度。在垂深397.33m以下深度，即細(xì)粒砂巖層位中，至425.6m這一位置雖然以壓應(yīng)力為主，但局部呈現(xiàn)拉壓應(yīng)變相互交替，且?guī)r層整體抗拉能力差，垂向裂隙發(fā)育，不斷產(chǎn)生且逐漸閉合，即產(chǎn)生了明顯的中位離層，判斷為導(dǎo)水裂隙帶高度，即導(dǎo)水裂隙高度達(dá)到15煤層頂板上方75m。在垂深340.04m，即泥巖與砂巖的分界面處，至397.33m這一區(qū)段，應(yīng)變值整體偏小，局部呈現(xiàn)壓應(yīng)變，巖體有發(fā)生下沉的趨勢(shì)，故判斷為擾動(dòng)影響帶高度。

頂板巖體經(jīng)歷下沉、壓實(shí)、穩(wěn)定的狀態(tài)，其特征明顯，其中1#傳感光纜應(yīng)變特征明顯，局部存在差異性，可作為“兩帶”發(fā)育高度的主要依據(jù)；2#傳感光纜下部靠近15煤層頂板巖層中應(yīng)變特征整體呈現(xiàn)壓應(yīng)變，局部無(wú)明顯的變化；3#傳感光纜在采動(dòng)初期，下部傳感光纜受到超前應(yīng)力影響局部發(fā)生破斷，對(duì)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生一定影響。頂板巖體經(jīng)歷下沉、壓實(shí)、穩(wěn)定的狀態(tài)，其特征明顯，其中在煤層頂板上面46.7m處為巖層直接垮落帶，75m處為導(dǎo)水裂隙帶形成高度。

3.2.2 并行電法監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

監(jiān)測(cè)初始，工作面推進(jìn)位置距離鉆孔較遠(yuǎn)，尚未有明顯的電學(xué)特性的變化，以9月10日視電阻率表征原始未擾動(dòng)巖層電性特征，作為背景值進(jìn)行對(duì)比分析，背景電阻率分布中其值在0～555Ω·m范圍。上部白堊系地層大部分區(qū)域電阻率值分布范圍為150～550Ω·m，而在侏羅系地層范圍電阻率值整體較低，低于100Ω·m，這就從整體上反映了不同地層在電性參數(shù)上的差異，在同一地層的電阻率差異可能為裂隙發(fā)育、含水性不均一所致。

9月27日工作面回采位置距孔口209m，回采位置仍尚未進(jìn)入有效監(jiān)測(cè)區(qū)。結(jié)合背景視電阻率剖面圖和當(dāng)日視電阻率剖面圖對(duì)比分析，可以看出白堊系地層電阻率值幾乎沒(méi)有變化，表明采動(dòng)對(duì)較上部巖層影響較小。而侏羅紀(jì)下部巖層局部區(qū)域視電阻率有少量增高，增高到60～80Ω·m左右，表明較下部巖層已經(jīng)受到巖層采動(dòng)影響，分析認(rèn)為是隨著回采工作面的推進(jìn)，煤層采動(dòng)超前應(yīng)力集中，改變了巖層局部物理結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)特征等，進(jìn)而影響了局部視電阻率分布，除了局部電阻率有變化之外，其它區(qū)域范圍內(nèi)視電阻率變化相對(duì)較小，變化不明顯。10月12號(hào)所監(jiān)測(cè)的視電阻率剖面整體電阻率變化不明顯，特別是白堊系地層巖層電阻率值幾乎沒(méi)有變化，在侏羅系地層所監(jiān)測(cè)的電阻率值有少許變化，電阻率值浮動(dòng)范圍不大，總的電阻率值控制在100Ω·m以內(nèi)，沒(méi)有顯著的電性變化特征。10月13號(hào)日監(jiān)測(cè)視電阻率剖面電阻率值明顯發(fā)生巨大變化，此時(shí)工作面回采位置距離鉆孔69m，電阻率剖面顯示侏羅系呈現(xiàn)無(wú)限高阻，采動(dòng)超前應(yīng)力影響顯著。在地面下423m有少數(shù)電極連通，大部分監(jiān)測(cè)電極沒(méi)能有效測(cè)試電流、電位等電性信息，通過(guò)對(duì)比12號(hào)日電阻率剖面，分析認(rèn)為地面以下130m電法監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)闊o(wú)效區(qū)域，不可作為參考。總體而言，并行電法測(cè)試效果相對(duì)不佳，結(jié)果分析以光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果為主，并行電法測(cè)試為輔。

綜合光纖和并行電法監(jiān)測(cè)結(jié)果，考慮到15煤采厚相對(duì)較大，綜合判斷垮落帶發(fā)育高度為46.7m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為75m；114152工作面采高平均3.7m，經(jīng)計(jì)算，15煤垮采比為12.62，裂采比為20.27。111084工作面采高為3.4m，按照垮采比和裂采比進(jìn)行推斷，得出111084工作面垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分別為42.9m、68.9m。

4 “兩帶”發(fā)育高度綜合判別

4.1 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)

111084工作面最大采高為3.4m，114152工作面平均采厚為3.7m，一次采高均大于3m，根據(jù)《“三下”開采指南》[17]，選擇厚煤層綜放開采垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度(合稱“兩帶”)計(jì)算公式進(jìn)行預(yù)計(jì)，預(yù)計(jì)公式見(jiàn)表1。

表1 綜放開采“兩帶”高度計(jì)算公式

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，得出111084工作面垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分別為25.4m、78m；114152工作面垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分別為27.2m、84m。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

基于114152工作面地層信息，選取114152工作面參數(shù)對(duì)開采過(guò)程進(jìn)行了模擬，模擬每次開挖10m，開挖300m結(jié)束。工作面推進(jìn)過(guò)程覆巖破壞特征如圖4所示。由圖4可知，隨著工作面向前推進(jìn)，直接頂產(chǎn)生下沉、離層及周期性垮落，基本頂產(chǎn)生周期性斷裂，采動(dòng)影響范圍不斷擴(kuò)大。在工作面推進(jìn)過(guò)程中，覆巖裂隙不斷向上發(fā)展，到開采210m后，導(dǎo)水裂隙帶高度為56.0m，工作面開采覆巖破壞形態(tài)為“馬鞍形”。

圖4 工作面推進(jìn)過(guò)程覆巖破壞特征

4.3 “兩帶”發(fā)育高度綜合判別分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)比114152工作面開采垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)垮落帶高度較經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)值大；導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度數(shù)值模擬值最小，其次為實(shí)測(cè)值，最大為經(jīng)驗(yàn)預(yù)計(jì)值?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)結(jié)果存在一定的偏差，而《“三下”開采指南》中對(duì)于西部深埋侏羅紀(jì)煤田弱膠結(jié)松軟地層“兩帶”實(shí)測(cè)的樣本較少，本次測(cè)試可為弱膠結(jié)松軟地層“兩帶”探測(cè)提供新的技術(shù)手段，為類似礦井覆巖破壞提供參考。

表2 114152工作面“兩帶”發(fā)育高度結(jié)果

5 結(jié) 論

1)通過(guò)物理力學(xué)測(cè)試，得出新上海一號(hào)煤礦泥巖遇水易泥化，砂巖遇水劣化、崩解；弱膠結(jié)松軟巖體遇水強(qiáng)度降低，含水率越大，強(qiáng)度越低；泥巖力學(xué)強(qiáng)度偏低，大多數(shù)小于20MPa；砂巖單軸抗壓強(qiáng)度相對(duì)較大，強(qiáng)度0～70MPa不等，采用加權(quán)的方法，計(jì)算近8煤的基巖平均飽和單向抗壓強(qiáng)度為16.67MPa，屬于軟弱巖層；15煤的基巖平均飽和單向抗壓強(qiáng)度為22.82MPa，屬于中硬巖層，總體覆巖劃分為軟弱～中等類型。

2)考慮傳統(tǒng)的地面和井下鉆孔注水觀測(cè)、鉆孔電視觀測(cè)對(duì)于弱膠結(jié)松軟地層判斷模糊，采用光纖和并行電法綜合方法，15煤垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分別為46.7m、75m，垮采比為12.62，裂采比為20.27，與經(jīng)驗(yàn)公式相比，垮落帶較預(yù)計(jì)值大，導(dǎo)水裂隙帶相對(duì)偏小?！丁叭隆遍_采指南》中弱膠結(jié)松軟地層實(shí)測(cè)樣本少，實(shí)測(cè)結(jié)果可為經(jīng)驗(yàn)公式提供樣本參考，也為類型礦井覆巖破壞監(jiān)測(cè)提供技術(shù)手段。