高銀貴，孔皖軍，陳永春，薛賢明，鄭劉根，常成林，姜春露，國 偉，雷 鋒，王 剛

(1.鄂爾多斯市華興能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001；3.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著中國工業(yè)發(fā)展需求，煤炭需求也日益增長。華北型煤田作為我國重要產(chǎn)煤區(qū)，煤炭儲量豐富，隨著煤礦向深部延伸開采，煤層底板灰?guī)r水害問題已成為煤田開采的最大技術(shù)難題之一[1]。底板涌水是指下伏承壓水沖破底板巖石屏障并沿底板含水層的內(nèi)部導(dǎo)水通道向上流入采空區(qū)的過程[2]。在綜放開采條件下，煤層開采使工作面底板阻水層厚度減小，底板阻水能力降低，涌水風(fēng)險增大。由于底板形成的條件不同，導(dǎo)致底板巖體存在理化性質(zhì)差異，結(jié)合當(dāng)下不一樣的水文地質(zhì)條件，在多種類地應(yīng)力混合作用影響下，底板損傷的程度、方式和機(jī)理存在差異[3-4]，使得底板巖體抵抗承壓水侵入的能力存在差異。為減少底板變形破壞帶來的災(zāi)害事故，掌握致災(zāi)機(jī)理，對開采條件下覆巖變形進(jìn)行預(yù)測和防治成為重要的研究內(nèi)容[5-6]。劉軍[7]將并行電法應(yīng)用于探測新疆某高瓦斯傾斜厚煤層綜采工作面“豎三帶”分布情況，結(jié)合電極電流反演技術(shù)，探測結(jié)果與理論值基本吻合，證明了并行電法在煤礦工作面“三帶”探測具有較高的準(zhǔn)確性。張平松等[8]將震波CT探測技術(shù)應(yīng)用于工作面孔-巷間的斷面觀測，得到回采過程中底板破壞的動態(tài)發(fā)育規(guī)律及特征。王靜雪等[9]將導(dǎo)致底板突水的主控因素基于FDAHP與TOPSIS建立了煤層底板突水風(fēng)險評價模型，與華北型煤田開采工程實(shí)踐相結(jié)合取得了較好的預(yù)測效果。孫曉光[10]采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對底板進(jìn)行流固耦合分析，對煤層底板突水預(yù)測及防治進(jìn)行了深入研究。可見，研究煤層底板受采動影響下應(yīng)力狀態(tài)和分布變化，及其對于底板巖層破壞深度與特征影響，總結(jié)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，可為煤礦工作面防治水工作開展提供基礎(chǔ)[11]，對保障工作面安全開采，具有重要的指導(dǎo)意義[12-14]。

準(zhǔn)格爾煤田煤炭資源開發(fā)于近年伊始，該區(qū)域深埋特厚煤層綜放開采下工作面底板變形破壞規(guī)律研究較少[15]。唐家會煤礦是目前準(zhǔn)格爾煤田中采深最大、水壓最高的礦井，主采6煤底板缺少峰峰組灰?guī)r沉積，受奧灰?guī)r溶水害威脅嚴(yán)重，因此底板破壞特征研究更是重中之重。光纖傳感技術(shù)和高密度并行電法在對唐家會礦61201工作面底板破壞監(jiān)測取得了良好的效果，故本次工程以準(zhǔn)格爾煤田唐家會礦61303特厚煤層綜放開采工作面為研究區(qū)，運(yùn)用光纖傳感技術(shù)和高密度并行電法進(jìn)行現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測，綜合分析底板變形特征和破壞機(jī)理，總結(jié)底板破壞參數(shù)，為該區(qū)域煤礦進(jìn)行防治水工作、消除突水威脅、保障工作面安全合理開采提供依據(jù)。

1 工作面概況

61303工作面東起一盤區(qū)6煤輔運(yùn)大巷(圖1)，西至呼準(zhǔn)一期鐵路煤柱保護(hù)線，北鄰61302工作面，南鄰61304工作面。根據(jù)資料，61303工作面主采6煤，走向長1 800 m，傾向?qū)?40 m，工作面煤層厚度17.2～27.3 m。

圖1 唐家會礦6煤煤厚等值線圖及61303工作面頂?shù)装鍘r性圖Fig.1 Thickness contour map of No.6 Coal Seam andlithology map of roof and floor of No.61303 workingface in Tangjiahui mine

6煤底板砂巖層的富水性較弱，在隔水層薄、阻水性能差或存在奧灰水原始導(dǎo)升的地段，主要水害威脅來源為底板灰?guī)r水，在垂向?qū)畼?gòu)造發(fā)育塊段，6煤頂?shù)装搴畬铀c底板奧灰含水層相互連通，奧灰水作為充水水源。61303工作面6煤底板到奧灰頂界面的隔水層厚33.69～88.79 m，上部巖性以6煤底板粘土巖、砂質(zhì)泥巖為主，夾灰色透鏡狀砂巖；中部巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粘土巖夾多層砂巖為主；下部巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)～粗粒石英砂巖，夾透鏡狀灰?guī)r、泥灰?guī)r；底部巖性為粘土巖或鋁土質(zhì)粘土巖，相當(dāng)于華北G層鋁土礦。巖石裂隙發(fā)育較差，由于缺失峰峰組灰?guī)r沉積，導(dǎo)致局部地區(qū)出現(xiàn)砂巖層直接覆蓋在奧灰含水層之上。

2 探測原理

(1)光纖傳感技術(shù)探測原理

光纖傳感技術(shù)探測應(yīng)用光纖幾何上的一維特性[4]，把被測參量作為光纖位置長度的函數(shù)，它可以在光纖的整個長度上沿著光纖的幾何路徑連續(xù)地測量外部物理參數(shù)，并獲得所測物理參數(shù)的空間分布和時變信息[16]。受采掘工作推進(jìn)影響，煤層底板巖體發(fā)生形變，其應(yīng)力狀態(tài)和溫度場的改變使得光纖發(fā)生拉伸和壓縮形變，導(dǎo)致光纖的布里淵中心頻率向左和向右偏移，進(jìn)而光纖應(yīng)變測量儀根據(jù)光纖應(yīng)變值的變化進(jìn)行監(jiān)測和測量計算，從而分析巖層的破壞規(guī)律[17-20]。

(2)高密度并行電法原理

高密度電阻率法根據(jù)土壤電導(dǎo)率的差異，采用電法通過人工施加穩(wěn)定的電流場，研究土地中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律[21]。它的理論基礎(chǔ)與常規(guī)電阻率法相同，但區(qū)別在于方法和技術(shù)。在高密度電阻率法的現(xiàn)場測量中，將所有電極(數(shù)十到數(shù)百個)放置在觀察部分的每個測量點(diǎn)上，然后使用程序控制的電極轉(zhuǎn)換裝置和微機(jī)工程電氣測量儀器。將測量結(jié)果發(fā)送到微機(jī)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并給出有關(guān)地電斷面分布的各種圖示結(jié)果[22]。

3 工程設(shè)計

以監(jiān)測煤層底板在回采條件下的變形與破壞特征，獲得相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，掌握底板破壞發(fā)育規(guī)律為目標(biāo)，為工作面開采灰?guī)r水防治提供依據(jù)，選擇61303工作面的61303-1斷面開展試驗(yàn)工程。通過在工作面巷道特定位置施工井下鉆孔，采用并行電法和光纖傳感探測技術(shù)，觀測6煤采后底板破壞情況，分析6煤工作面回采過程與底板破壞之間的動態(tài)變化規(guī)律。

(1)鉆孔布置安裝

61303工作面底板變形與破壞特征觀測實(shí)施底板鉆孔觀測方式，進(jìn)一步獲得采前100 m，采后50 m范圍內(nèi)的巖層變形規(guī)律及其特征。

圖2為底板破壞測試斷面監(jiān)測孔設(shè)計位置示意圖，監(jiān)測孔利用工作面原有回風(fēng)順槽布置。為了使得61303工作面監(jiān)測數(shù)據(jù)完善，將監(jiān)測孔設(shè)計為朝著工作面退尺方向和朝向工作面內(nèi)與巷道走向垂直兩個方向，1#、2#監(jiān)測孔為了在監(jiān)測過程中形成協(xié)同作用，布設(shè)方向?yàn)槌ぷ髅嫱顺叻较虿贾茫?#監(jiān)測孔對于初次超前應(yīng)力影響的時間及工作面距監(jiān)測孔口距離可有效捕捉，布設(shè)方向?yàn)槌蚬ぷ髅鎯?nèi)與巷道走向垂直。1#、2#、3#監(jiān)測孔與工作面底板的水平夾角分別為30°、30°和90°，詳見表1。通過在設(shè)計鉆孔中布置電極與光纖傳感器，采用并行電法儀器與BOTDR光纖儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)不同時間測取的鉆孔電法反演電阻率成像與巖層應(yīng)力應(yīng)變變化曲線，分析總結(jié)底板破壞變化規(guī)律。

圖2 底板監(jiān)測孔布置位置圖Fig.2 Layout of bottom plate monitoring holes

表1 監(jiān)測孔主要設(shè)計參數(shù)

(2)斷面數(shù)據(jù)采集

1#、2#、3#監(jiān)測孔布設(shè)完成后以距離監(jiān)測斷面孔口距離約100 m處作為工作面回采退尺點(diǎn)，共采集數(shù)據(jù)78組。將工作面回采至距離監(jiān)測斷面80 m后設(shè)為監(jiān)測靈敏階段，在監(jiān)測靈敏階段連續(xù)采集數(shù)據(jù)，同時加強(qiáng)對于工作面底板應(yīng)變、電阻率值變化的監(jiān)測。

監(jiān)測孔控制范圍是指在該工作面回采退尺底板對于影響深度的范圍內(nèi)以及受到工作面超前應(yīng)力的影響，引起巖體在運(yùn)動中產(chǎn)生不同的時空之間關(guān)聯(lián)內(nèi)部變化規(guī)律與特點(diǎn)的區(qū)域，將在工作面回采退尺位置距離監(jiān)測斷面-100.4 m處的數(shù)據(jù)作為監(jiān)測數(shù)據(jù)初值，并自此加強(qiáng)對斷面監(jiān)測靈敏期階段的監(jiān)測，共采集數(shù)據(jù)168組。

4 結(jié)果分析

4.1 光纖應(yīng)變分布特征

隨著回采工作不斷推進(jìn)，對監(jiān)測斷面位置處觀測孔中不同深度的感應(yīng)光纖應(yīng)實(shí)時監(jiān)測，獲得1#、2#、3#監(jiān)測孔應(yīng)變云圖，如圖3所示。

由圖3(a)可知，光纜應(yīng)變以壓應(yīng)變?yōu)橹?，說明底板受采動超前應(yīng)力影響前期整體壓縮，當(dāng)工作面推過監(jiān)測鉆孔相應(yīng)的監(jiān)測區(qū)段，底板卸壓發(fā)生底鼓膨脹，受剪切力的作用呈現(xiàn)一定的拉伸應(yīng)變。受采動影響鉆孔最大拉應(yīng)變?yōu)? 772 με，位于孔深6.0 m處，此時工作面跨過監(jiān)測孔口33.5 m，最大壓應(yīng)變?yōu)?5 383 με位于孔深6.6 m處，此時工作面過監(jiān)測孔口9.6 m。由圖3(b)可知，光纜應(yīng)變以壓應(yīng)變?yōu)橹?，說明底板受采動超前應(yīng)力影響前期整體拉伸，當(dāng)工作面推過監(jiān)測鉆孔相應(yīng)的監(jiān)測區(qū)段，底板卸壓使得超前應(yīng)力施加在監(jiān)測區(qū)域底板，呈現(xiàn)一定的壓縮應(yīng)變。受采動影響，鉆孔最大壓應(yīng)變發(fā)生于工作面距離監(jiān)測孔口21.0 m處，孔深11.0 m處，為-2 093 με；最大拉應(yīng)變發(fā)生于工作面距離監(jiān)測孔口26.2 m處，為2 341 με。由圖3(a)和(b)可以看出，回采初期，距工作面退尺位置較遠(yuǎn)，采動影響較小，感應(yīng)光纜受影響較小，光纜應(yīng)變趨勢相對穩(wěn)定。

由圖3(c)可知，在工作面回采未到達(dá)3#監(jiān)測斷面孔口時，光纜以壓應(yīng)變?yōu)橹鳎装迨懿蓜映皯?yīng)力作用發(fā)生壓縮，過監(jiān)測孔口后，底板卸壓發(fā)生底鼓膨脹，光纜受剪切力作用發(fā)生拉伸應(yīng)變。受采動影響鉆孔最大拉應(yīng)變?yōu)? 223 με位于孔口處，此時工作面跨過監(jiān)測斷面39.5 m，最大壓應(yīng)變?yōu)?4 153 με，位于孔深6.5 m處，此時工作面距離監(jiān)測斷面9.6 m。

回采進(jìn)程中，通過對監(jiān)測孔及孔內(nèi)感應(yīng)光纜在對應(yīng)地層發(fā)生的應(yīng)變分布監(jiān)測，底板應(yīng)變隨回采發(fā)生彈性、剪切和膨脹三個階段的采動變形。由1#、2#、3#監(jiān)測孔綜合分析，破壞深度劃分在應(yīng)變云圖上圈定。結(jié)果如表2，綜合分析底板破壞深度為14.5 m，破壞擾動最大深度為32.0 m。

表2 光纖測試結(jié)果

4.2 視電阻率分布特征

隨著工作面推進(jìn)，監(jiān)測鉆孔受到超前應(yīng)力壓縮以及采后底板卸壓底板巖體底鼓膨脹的影響，監(jiān)測隨回采推進(jìn)鉆孔不同深度的電阻率，獲得電阻率分布圖(圖4)。

圖4 視電阻率分布圖Fig.4 Apparent resistivity distribution map

工作面切眼距觀測系統(tǒng)101.5 m時，距離監(jiān)測孔口較遠(yuǎn)，工作面采動應(yīng)力對該范圍無影響，可作為正常砂質(zhì)泥巖、中砂巖電阻率背景值，其電阻率背景值總體都在330 Ω·m以下。在過監(jiān)測孔口56 m(3月28日)，監(jiān)測電纜線受損，受此影響電法數(shù)據(jù)無法呈現(xiàn)監(jiān)測效果，但是從處理結(jié)果看，控制范圍的巖層受采動影響變化已穩(wěn)定。

將視電阻率值變化與底板分帶現(xiàn)象的呈現(xiàn)階段相結(jié)合，可將視電阻率變化劃分為四個階段，由圖5可知，第Ⅰ階段監(jiān)測范圍內(nèi)的視電阻率稍有上升，總體平穩(wěn)。垂直打入底板的3#監(jiān)測孔受綜放開采下底板變形導(dǎo)致的剪切應(yīng)力影響較小，視電阻率變化較1#和2#監(jiān)測孔趨于平緩。第Ⅱ階段，隨著回采推進(jìn)，底板受超前應(yīng)力作用致監(jiān)測孔的受影響范圍增加，主要表現(xiàn)為1#、2#、3#監(jiān)測孔在孔深10.0～40.0 m、10.0～48.0 m和10.0～35.0 m范圍的電阻率值持續(xù)升高。第Ⅲ階段，回采工作不斷推進(jìn)，底板受超前應(yīng)力影響，1#、2#和3#監(jiān)測孔在監(jiān)測孔口至孔深40.0、35.0、40.0 m范圍內(nèi)，部分鉆孔控制的砂質(zhì)泥巖層在監(jiān)測孔口附近出現(xiàn)大面積電阻率上升現(xiàn)象。第Ⅳ階段，1#、2#和3#監(jiān)測孔在工作面推進(jìn)過孔口7.4、20.7、35 m后，監(jiān)測孔控制層位范圍的電阻率值不再出現(xiàn)明顯變化。分帶現(xiàn)象初步呈現(xiàn)發(fā)生在第Ⅱ階段，在第Ⅲ階段較明顯且可能伴隨破碎帶發(fā)育，主要在控制層位的砂質(zhì)泥巖層中。與2#監(jiān)測孔呈現(xiàn)效果相比，1#監(jiān)測孔超前應(yīng)力影響不明顯，出現(xiàn)明顯的電阻率值變化現(xiàn)象有所推遲，2#監(jiān)測孔在孔深5.0～35.0 m范圍時就出現(xiàn)大面積電阻率值明顯升高現(xiàn)象，鉆孔控制范圍的層位破碎帶發(fā)育也明顯提前。綜合3個監(jiān)測孔并行電法視電阻率分布情況，底板破壞深度12.0 m，破壞擾動最大深度為30.0 m。

圖5 1#、2#和3#監(jiān)測孔視電阻率變化階段示意圖Fig.5 Schematic diagram of apparent resistivity change stages of 1#、2# and 3# monitoring holes

5 結(jié) 論

對于61301工作面底板巖層破壞深度和破壞擾動最大深度的測試研究，鉆孔光纖技術(shù)與并行電法技術(shù)兩種方法探測結(jié)果基本一致?？紤]到光纖光纜布設(shè)位置更為精確，數(shù)值變化靈敏，反映的破壞帶變化更為清晰，且電纜線后期發(fā)生斷裂，因此對于破壞帶的劃分與判斷，將鉆孔光纖傳感技術(shù)的成像結(jié)果作為主體，鉆孔并行電法成像結(jié)果為輔助進(jìn)行解釋。通過光纖傳感技術(shù)和并行電法結(jié)果綜合分析，61303工作面底板巖層破壞帶深度為14.5 m，位于砂泥巖巖層中部，破壞擾動最大深度為32.0 m，位于砂泥巖巖層下部。