程磊，羅輝*，李輝，張玥

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，焦作 454002;2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，上海 201418)

煤礦在開采過程中，上覆巖層會不斷受到擾動，打破了覆巖的原巖應(yīng)力平衡，在開采完后采空區(qū)的上覆巖層會形成“三帶”，即垮落帶，裂隙帶和彎曲帶。其中垮落帶和裂隙帶統(tǒng)稱為導(dǎo)水裂隙帶。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度在煤礦防治水[1]、礦井保水采煤[2]、采空區(qū)與回風巷上隅角瓦斯治理[3]、煤與瓦斯共采[4]、水體下采煤[5]等方面具有重要研究意義。

最近幾年對導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度研究達到了一個新高度，因此現(xiàn)著重收集近年來的資料，對其的影響因素與研究方法進行歸納分析，尤其是對出現(xiàn)的新方法、新技術(shù)進行總結(jié)，為后續(xù)的研究提供參考。

1 影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的因素

雖然現(xiàn)在影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育形態(tài)的因素還沒形成共識，但是通常情況下，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育形態(tài)為馬鞍形[6]、拱形[7]。采空區(qū)的上覆巖層被破壞后的空間形態(tài)通常取決于煤層傾角，煤層傾角與覆巖破壞變形程度呈負相關(guān)，煤層傾角越大，覆巖受破壞后的膨脹變形程度越弱，而且隨著煤層傾角的增大，覆巖變形破壞范圍和“兩帶”高度位置均呈現(xiàn)向工作面上山方向發(fā)展的趨勢[8]。文獻[9-10]將煤層分為緩傾斜煤層(0°～35°)、中傾斜煤層(36°～54°)、急傾斜煤層(55°～90°)。緩傾斜煤層垮落巖塊會就地堆積，垮落帶在采空區(qū)范圍內(nèi)，裂隙帶兩側(cè)邊界在開采邊界外面，呈“馬鞍”形態(tài)。中傾斜煤層采空區(qū)上部垮落巖塊會下滑充填到采空區(qū)下部，導(dǎo)致采空區(qū)上部的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度高于采空區(qū)下部，呈拋物線形態(tài)。急傾斜煤層垮落巖塊向下滾動會加劇，采空區(qū)下部發(fā)展很小，上部很高，而且影響到采空區(qū)上部煤柱，產(chǎn)生片幫、碎裂、抽冒，使導(dǎo)水裂隙帶上部迅速發(fā)育，呈“耳”形。導(dǎo)水裂隙帶范圍如圖1所示。直立煤層(煤層傾角為90°)導(dǎo)水裂隙帶呈對稱拋物線型，如圖2所示。

圖1 導(dǎo)水裂隙帶范圍圖[9]Fig.1 Water-conducting fissure zone range map[9]

圖2 導(dǎo)水裂隙帶的空間形態(tài)[9]Fig.2 Spatial morphology of water-conducting fracture zone[9]

影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的因素有很多，主要為工作面斜長、頂板抗壓強度、采深、采高、采煤方法、覆巖力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征及頂板管理方法等等，王瑋等[11]運用了正交實驗設(shè)計，認為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度影響因素由小到大依次為采深、頂板抗壓強度、巖層結(jié)構(gòu)、工作面斜長、采深。曹祖寶等[12]認為不同覆巖結(jié)構(gòu)下的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度顯著不同。王曉振等[13]認為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度隨采厚變化而呈現(xiàn)出臺階式發(fā)育，臺階高度相差越大，導(dǎo)水裂隙帶高度突變越大。李濤等[14]運用數(shù)值模擬得到導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度大約是采高的27倍的結(jié)論。

2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度

由于各個煤礦地質(zhì)復(fù)雜多變，開采方式不一等原因，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度至今也沒有一個統(tǒng)一的方法對其進行準確模擬計算。中外學(xué)者從20世紀就開始對覆巖應(yīng)力分布特征和覆巖裂隙演化規(guī)律進行研究，總結(jié)出了大量的規(guī)律方法，為現(xiàn)在的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的確定打下了堅實的基礎(chǔ)，如今已有各種準確度很高的預(yù)測、模擬、實測方法可以觀測導(dǎo)水裂隙帶，使得導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究方法更加合理、準確，各種方法匯總?cè)绫?所示。

表1 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究方法匯總Table 1 Summary of research methods on the development height of water-conducting fracture zone

2.1 預(yù)測計算法

2.1.1 經(jīng)驗公式計算法

在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(安監(jiān)總煤裝〔2017〕66號規(guī)范)里收錄了目前使用最為普遍的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的傳統(tǒng)經(jīng)驗公式。李立等[15]在關(guān)鍵層理論的基礎(chǔ)上提出了充填開采導(dǎo)水裂隙帶高度計算方法，與實測相對比誤差只有1.42%。高振宇等[16]在實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用擬合回歸等手段提出了在多層煤重復(fù)采動條件下，覆巖垮落帶和裂隙帶的計算新公式。崔峰等[17]采用鉆孔電視實測和離散元軟件模擬等方法對覆巖兩帶高度進行了測試，并與微震監(jiān)測結(jié)果相對比驗證，得出了沖擊傾向性頂板在重復(fù)采動下兩帶的高度，可以使用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式之二相計算，但應(yīng)將計算結(jié)果提高8.6%。種陽等[18]以桑樹坪煤礦為背景，在實測和物理相似模擬等得到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，線性擬合出了該地區(qū)同類條件煤層的導(dǎo)水裂隙帶預(yù)測公式。邢延團[19]在傳統(tǒng)經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相結(jié)合，使用了非線性擬合對其進行修正，得到適合彬長礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測公式。朱偉等[20]在實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得出了分層綜放開采可有效降低導(dǎo)水裂隙帶高度，并通過統(tǒng)計分析得到潞安礦區(qū)裂隙帶高度計算預(yù)測公式。李超峰[21]認為三次函數(shù)曲線的擬合度更加適合綜放開采煤礦的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，提出了黃隴煤田導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)測公式。

傳統(tǒng)經(jīng)驗公式是針對單層采厚在3 m以內(nèi)，累計采厚不超過15 m時分層開采條件時的導(dǎo)水裂隙帶高度的計算，對現(xiàn)在的一些煤礦并不是很適用，應(yīng)根據(jù)實際情況運用數(shù)學(xué)方法對其進行修正，增加它的準確性。

2.1.2 力學(xué)分析預(yù)測法

導(dǎo)水裂隙帶本質(zhì)上是覆巖在受到張拉破壞或受壓屈服的過程中形成的，因此研究覆巖應(yīng)力分布規(guī)律，構(gòu)建覆巖變形破壞的力學(xué)模型，是預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的重要方法[22]。

趙高博等[23]研究分析了采動影響下覆巖破壞傳遞的過程，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建力學(xué)模型，得到了一種新的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計算方法。張建民等[24]從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，構(gòu)建了“采動-爆裂”物理模型，并給出了一個近似計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的公式。張云等[25]構(gòu)建了在短壁塊段式充填采煤中形成導(dǎo)水裂隙帶的力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上給出了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計算公式。李鵬等[26]認為導(dǎo)水裂隙帶的形成與塑性區(qū)破壞范圍有關(guān)，并以應(yīng)變能破壞準則為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬的方法得到了導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。許家林等[27]提出了一種通過關(guān)鍵層的位置來判斷導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的方法。題正義等[28]以勝利煤礦為工程背景，運用關(guān)鍵層、斷裂力學(xué)、板殼等理論構(gòu)建了覆巖破壞演化力學(xué)模型。

巖石力學(xué)、斷裂力學(xué)、滲流力學(xué)、彈塑性力學(xué)的應(yīng)用，以及對原巖應(yīng)力平衡被打破后，應(yīng)力重新分布過程中的力學(xué)平衡及能量釋放的理論分析，對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育機理與特征有了深入研究，但該方法都是在理想狀態(tài)下對覆巖結(jié)構(gòu)進行力學(xué)簡化分析，與實際存在一定偏差。

2.1.3 非線性預(yù)測法

影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的因素復(fù)雜，因此目前有許多學(xué)者將多個因素相結(jié)合，并運用一定的數(shù)學(xué)方法，比如反向傳播(back propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機模型和灰色關(guān)聯(lián)分析法、分形理論等方法來建立模型預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶高度。施龍青等[29]通過灰色關(guān)聯(lián)分析法選取了影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的主要因素，建立主成分分析法-遺傳算法-Llman(principal component analysis-genetic algorithm-Llman，PCA-GA-Llman)模型，能準確預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶高度，誤差較小。薛建坤等[30]在已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，運用粒子群與支持向量機回歸法的優(yōu)越性，建立了導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測模型。韋瑜等[31]在三維地震勘探的基礎(chǔ)上，將遺傳算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，選取了5個因素，準確預(yù)測了崔木煤礦導(dǎo)水裂隙帶高度。毛志勇等[32]選取了煤層的傾斜角、厚度、硬度、巖層結(jié)構(gòu)等8項指標，將粒子群優(yōu)化算法和最小二乘支持向量機相結(jié)合，構(gòu)建了自適應(yīng)粒子群優(yōu)化-最小二乘支持向量機(adaptive particle swarm optimization-least squares support vector machine，APSO-LSSVM)預(yù)測模型。柴華彬等[33]在支持向量機回歸原理的基礎(chǔ)上，運用遺傳算法尋優(yōu)，建立了遺傳算法-支持向量回歸(genetic algorithm-support vector regression，GA-SVR)導(dǎo)高預(yù)測模型，與實測結(jié)果相對比，誤差較小。

上述方法簡便常用，成本低，但建立預(yù)測模型需要大量數(shù)據(jù)，并且對各個影響因素的權(quán)重確定存在一定的主觀因素，因此通常只應(yīng)用于特定條件下的煤礦。

2.2 模擬法

2.2.1 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬是依靠計算機，建立一個反映問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，再運用高效率、高準確度數(shù)學(xué)計算方法，計算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法，還包括貼體坐標的建立，邊界條件的處理，再之后就是求解，然后通過圖像形象地顯示出來。文獻[34-36]運用UDEC軟件模擬了覆巖裂隙演化機理，并且得到了導(dǎo)水裂隙帶的高度。文獻[37-38]采用3DEC軟件模擬開采時覆巖動態(tài)破壞演化特征及規(guī)律、覆巖內(nèi)部發(fā)育特征及裂隙發(fā)育演化過程等情況，并與其他方法相結(jié)合得到了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。趙春虎等[39]運用COMSOL軟件，針對導(dǎo)水裂隙帶難以數(shù)值化的特點，將其空間范圍處理成了達西滲流邊界，以曹家灘煤礦為工程背景，模擬計算了在采高條件下的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。文獻[40-42]運用FLAC3D軟件模擬了煤層開采時不同因素對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的影響，對比研究了導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育機理，得到了導(dǎo)水裂隙帶的高度。

數(shù)值模擬法的優(yōu)點是操作簡單、成本低廉，在計算機上就能實現(xiàn)。但在運用過程中往往需要對邊界條件和地質(zhì)條件進行簡化，存在一定的誤差。

2.2.2 相似材料模擬法

相似材料模擬研究是在室內(nèi)用人工材料根據(jù)相似原理做成相似模型，通過對模型所受應(yīng)力的觀測來分析與判斷原型可能發(fā)生的現(xiàn)象。楊鵬等[43]以信息論中的信息熵的知識為基礎(chǔ)，寧東煤田為工程背景，利用相似材料模擬研究了在工作面推進的過程中覆巖破壞演化過程，認為導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育會使應(yīng)力信息熵增大。余學(xué)義等[44]采用相似材料模擬技術(shù)，對王家溝煤礦工作面開采時導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育機理進行了研究分析，論證了限高留煤柱開采能夠限制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況，有利于實現(xiàn)綠色保水開采。代革聯(lián)等[45]通過相似材料模擬對榆神礦區(qū)某井田在不同開采條件下的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進行了研究。白建平等[46]采用相似材料模擬技術(shù)，對新景礦3213工作面在開采時覆巖動態(tài)破壞演化特征進行了模擬，對導(dǎo)水裂隙帶的高度進行觀測與分析。孫學(xué)陽等[47]以陜北某礦為工程背景，利用相似材料模擬技術(shù)研究了雙煤層開采對覆巖的破壞演化形式的影響，得到了兩帶的發(fā)育高度，并與FLAC3D軟件數(shù)值模擬的結(jié)果相對比，表明相似材料模擬的結(jié)果準確、合理。魏宗勇等[48]運用三維物理相似材料模擬技術(shù)，對大采高綜采條件下覆巖的變形、移動進行了模擬研究，對“兩帶”的高度進行觀測與分析，認為其裂隙形態(tài)為“橢拋”態(tài)，為抽采瓦斯提供數(shù)據(jù)支持。

運用相似材料模擬法能更好地了解導(dǎo)水裂隙帶在工作面的推進過程中的發(fā)育特征，但當前大都是采用二維的相似材料模擬，三維的較少。

對于復(fù)雜的地質(zhì)條件采用數(shù)值模擬或相似材料模擬能更好地了解覆巖的演化機理和裂隙的三維分布。

2.3 現(xiàn)場實測法

現(xiàn)場實測法是通過鉆孔或者地球物理方法，采用儀器設(shè)備來實際觀測覆巖的破壞范圍[49]?，F(xiàn)場實測法是確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的主要途徑，也是最直觀的方法。

2.3.1 鉆孔探測法

1)井下仰孔分段注水側(cè)漏法井下仰孔分段注水側(cè)漏法是在采掘工作面周圍選擇合適的觀測場所，例如，既可以在相鄰工作面的順槽中，也可以在工作面停采線以外的巷道中向工作面上方仰斜打孔，然后使用雙端封堵測漏裝置，沿著鉆孔逐米分段封堵注水，觀察各段的漏失量，進而判斷出覆巖的裂隙發(fā)育情況，觀測系統(tǒng)如圖3所示。魯建國等[50]使用該方法對新巨龍礦井某工作面的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進行了觀測，其漏失量變化為穩(wěn)定到突然增大，然后穩(wěn)定再到突然減小，最后穩(wěn)定的過程，裂隙發(fā)育情況明顯，其形態(tài)為“馬鞍”形。徐維等[51]在東曲煤礦應(yīng)用了注水側(cè)漏法，得到的導(dǎo)高數(shù)據(jù)與經(jīng)驗公式計算值有較大的差距，與數(shù)值模擬結(jié)果相接近。李超峰等[52]對井下仰孔分段注水側(cè)漏法的整套設(shè)備進行了優(yōu)化改進，改進后的設(shè)備適用范圍更廣，在孔深、孔內(nèi)水量與水壓較大時也可以使用這套設(shè)備。并且優(yōu)化改進后的裝置對高家堡煤礦的導(dǎo)水裂隙帶高度進行了實測，效果良好。

圖3 觀測系統(tǒng)圖Fig.3 Observation system diagram

樊振麗等[53]采用井下仰孔分段注水側(cè)漏法，通過觀測漏失量變化確定了榆神礦區(qū)某礦覆巖“兩帶”的發(fā)育高度，其結(jié)果也與使用鉆孔電視所得到的結(jié)果一致。種陽等[18]采用該方法布置了6個觀測孔和3個對比孔，分析各個鉆孔的漏失量后并與相似材料模擬實驗相結(jié)合，得到了桑樹坪煤礦某工作面的導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。

井下仰孔分段注水側(cè)漏法適用于工作面埋深較大的煤礦，有施工周期短、易操作、耗費低的優(yōu)點，但實測效果受鉆孔質(zhì)量及孔深的影響。

2)鉆孔沖洗液漏失量法

鉆孔沖洗液漏失量法是通過觀測分析鉆進過程中鉆孔沖洗液的漏失量、水位變化及鉆進過程中的異常現(xiàn)象來綜合確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的方法。該方法的鉆孔布置、鉆孔施工、鉆孔測量段要求等應(yīng)該遵守《導(dǎo)水裂縫帶高度的鉆孔沖洗液漏失量觀測方法》(MT/T 865—2000)[54]要求。劉震等[55]采用該方法對濟寧煤田中的兩個工作面的“三帶”高度進行了實測，綜合分析了鉆進過程、鉆進速度、鉆孔沖洗液漏失及巖石質(zhì)量指標(rock quality directive，RQD)，并與孔內(nèi)窺視、煤田測井的結(jié)果對比驗證，確定了“三帶”的發(fā)育高度。田靈濤[56]采用鉆孔沖洗液漏失量法在察哈素煤礦布置了4個鉆孔，觀察分析得到了“兩帶”的發(fā)育高度，與經(jīng)驗公式的結(jié)果相對比發(fā)現(xiàn)計算值存在誤差。郭文兵等[57]以蘆溝煤礦為工程背景，為了能保證水體下采煤的安全，利用該方法實測了導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，實測結(jié)果與利用關(guān)鍵層理論計算導(dǎo)水裂隙帶高度的結(jié)果很接近，誤差極小。張玉鵬等[58]在蒙西礦區(qū)應(yīng)用了鉆孔沖洗液漏失量法，并與數(shù)值模擬和相似模擬的結(jié)果相比較，現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)誤差較小。

鉆孔沖洗液漏失量法工程量較大，適用于工作面埋深較小的煤礦，在某些巖層原生裂隙發(fā)育較好的地區(qū)測得的數(shù)據(jù)可靠性欠佳，而且施工較難。

3)孔內(nèi)窺視法

孔內(nèi)窺視法是將自帶光源的防水觀測探頭送入鉆孔中，得到孔內(nèi)圖像，直接觀測到孔內(nèi)巖層破碎狀態(tài)、裂隙發(fā)育情況。翟志偉等[59]采用孔內(nèi)窺視法在七一煤礦某工作面布置了5個鉆孔，其中4個觀測孔，1個對比孔，并與經(jīng)驗公式計算結(jié)果相結(jié)合，綜合確定了該煤礦的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。杜家發(fā)等[60]采用該方法探測了張家峁煤礦某工作面基巖層段的導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育情況。田靈濤[56]運用該方法得到了察哈素煤礦的導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育情況，得到的圖像吻合鉆孔沖洗液漏失量法的實測數(shù)據(jù)。

2.3.2 物探法

物探法是指應(yīng)用物理學(xué)原理和儀器對地下地質(zhì)條件進行勘查，研究地質(zhì)構(gòu)造的一種方法和理論。

(1)地球物理探測法。地球物理勘探是通過研究和觀測各種地球物理場的變化來探測地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)條件?？梢岳迷摲椒碧綆r石的密度、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、等物理屬性來觀測覆巖導(dǎo)水裂隙帶在采前、采中及采后的動態(tài)發(fā)育情況。袁峰等[61]以現(xiàn)場運用鉆孔沖洗液漏失量法所得的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，優(yōu)選出與裂隙有關(guān)的地震屬性提取出來，如地層傾角、最大曲率、瞬時振幅等屬性，再運用深度前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與其融合形成地震多屬性融合技術(shù)，來研究覆巖導(dǎo)水裂隙帶的演化機理及發(fā)育高度。侯文光等[62]認為鉆孔電阻率法能很好的觀測工作面采動覆巖裂隙發(fā)育動態(tài)過程，并且得到了李雅莊煤礦的裂隙帶發(fā)育高度。文獻[63-65]是采用電法儀設(shè)備來勘探煤礦在開采過程中覆巖電阻率的變化來確定導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，而其中網(wǎng)絡(luò)并行電法在傳統(tǒng)鉆孔電阻率法上進行了優(yōu)化改進，運用網(wǎng)絡(luò)并行電法觀測覆巖“三帶”的效果要比普通電法的效率更好，結(jié)果更可靠。文獻[66-68]運用瞬變電磁法對覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進行了觀測。朱樹來[69]將鉆孔和瞬變電磁法相結(jié)合，利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的方法相互對比驗證，認為孔中瞬變電磁法比常規(guī)瞬變電磁法能更精準地定位覆巖裂隙帶的發(fā)育特征。陳超等[70]運用EH4法對沁水煤田某工作面覆巖破壞變形程度進行了觀測，得到了該地層電阻率的變化過程，得到的導(dǎo)水裂隙帶高度與鉆孔實測法相比存在一定的誤差。

(2)微震監(jiān)測法。煤礦在開采過程中，覆巖在變形破壞時會伴隨微震活動現(xiàn)象[71]，而微震監(jiān)測技術(shù)能通過檢波器接收采動使覆巖破壞產(chǎn)生或誘導(dǎo)的微小地震事件，再通過對微震監(jiān)測結(jié)果的反演，據(jù)此來研究煤層采動覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。文獻[72-73]運用微震監(jiān)測技術(shù)對覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度進行了研究，對所得的數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，確定了導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，并且將得到的結(jié)果分別與數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的結(jié)果相對比，結(jié)果基本一致。文獻[74-77]在常規(guī)微震監(jiān)測上做出了優(yōu)化和改進，在地面、井下都布置了觀測點，形成了井-地聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)，提升了在立體方向上的微震垂直監(jiān)測精度，更加精準地觀測覆巖導(dǎo)水裂隙帶。

(3)分布式光纖監(jiān)測法。分布式光纖監(jiān)測技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一個新技術(shù)，分布式光纖傳感技術(shù)具有測量范圍廣、實時分布式監(jiān)測等特點，可對覆巖內(nèi)部演化過程進行實時監(jiān)測。其原理是將光纖預(yù)埋入觀測地，采動過程中覆巖的變化會引起光纖變形，進而觀測光纖物理參數(shù)的變化就能感知覆巖的變化[78-79]。將光纖傳感技術(shù)與通信及計算機技術(shù)進行融合，就能形成分布式光纖監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)對礦井的安全智能監(jiān)測。文獻[80-81]將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于相似材料模擬覆巖演化機理及導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度的觀測中，認為光纖頻移值的變化可以反映上覆巖層的破壞、變形過程，得到了覆巖“兩帶”的發(fā)育高度，為將分布式光纖監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場實測中提供了理論支持。侯公羽等[82]建立了基于布里淵光頻域分析(Brillouin optical frequency domain analysis，BOFDA)技術(shù)的光纖應(yīng)變表征“兩帶”演化過程的力學(xué)模型，揭示了光纖應(yīng)變與巖層變形的關(guān)系。最后將BOFDA技術(shù)應(yīng)用到了相似模擬實驗中，得到了冒落帶和裂隙帶的發(fā)育高度。張丹等[83]以淮南礦區(qū)某工作面為工程背景，將分布式光纖監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到了采動覆巖的演化規(guī)律的研究中，分析所得到的數(shù)據(jù)后，得到了導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。

物探法的優(yōu)點是不需要破壞地質(zhì)結(jié)構(gòu)，就能很好地監(jiān)測覆巖導(dǎo)水裂隙帶的整個發(fā)育過程和演化規(guī)律，彌補鉆孔實測法的不足。其缺點是工作周期長、工作量大、成本比較高。

3 存在的問題與研究趨勢

(1)導(dǎo)水裂隙帶是在煤礦采動時覆巖變形、破壞產(chǎn)生的，受到諸多因素的影響，而傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算是在特定的條件下總結(jié)出來的。而當前對導(dǎo)水裂隙帶的模擬預(yù)測又大都是集中在某一煤礦，對同一地區(qū)或同種地質(zhì)條件下的煤礦覆巖導(dǎo)水裂隙帶的研究分析較少，所以下一步應(yīng)總結(jié)分析出適用于各大地區(qū)煤礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為相似的經(jīng)驗公式，以便于更加準確地預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。

(2)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育受到多種因素的影響，非線性預(yù)測法是將覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育過程中最重要的幾個因素提取出來，建立一個模型來預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，對數(shù)據(jù)有一定要求，而且各個因素的比重也難以準確掌握，都是在理想化的情況下對實際的覆巖演化進行簡化，存在一定的局限性。因此在運用該方法時應(yīng)在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)煤礦的實際情況選擇最適合的數(shù)學(xué)方法來確定各影響因素的權(quán)重，建立預(yù)測模型。

(3)導(dǎo)水裂隙帶是在特定的地理環(huán)境中形成的，而力學(xué)分析法和模擬法通常是在室內(nèi)進行的，與現(xiàn)場的實際情況肯定存在一定的偏差。因此在運用這些方法時，應(yīng)注重地質(zhì)環(huán)境的調(diào)研，使預(yù)測模型與地質(zhì)原型要較好的吻合。而且要與其他的定量方法相結(jié)合對比，最大限度地減少誤差。

(4)鉆孔探測法雖然能直接測出覆巖導(dǎo)水裂隙帶的高度，但終究只是“一孔之見”，不能有效地得到覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育演化過程中的信息。如果覆巖的原生裂隙較為發(fā)育時，應(yīng)在開采前先用鉆孔窺視法進行探測，之后再根據(jù)現(xiàn)場的實際情況選擇井下仰孔分段注水側(cè)漏法或鉆孔沖洗液漏失量法進行探測。

(5)雖然物探法能很好地彌補了鉆孔探測法的不足，實現(xiàn)了全方位地對覆巖的破壞、變形的演化規(guī)律進行探測，各方法但有時探測精度不夠，而現(xiàn)在云計算、大數(shù)據(jù)和第五代移動通信技術(shù)(5th generation mobile communication technology，5G)等技術(shù)得到了長足的發(fā)展，應(yīng)將物探技術(shù)與這些技術(shù)相結(jié)合，提高煤礦監(jiān)測的智能化程度，形成高精準、高智能探測技術(shù)，對覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度進行精準觀測。

(6)學(xué)科交叉融合是當前中國科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重大特征，各大高校都在推動學(xué)科融合的發(fā)展，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才而努力。導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育與巖石力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、斷裂力學(xué)、滲流力學(xué)等有關(guān)，因此現(xiàn)在必須突破現(xiàn)有的體系，不斷引入其他學(xué)科的知識應(yīng)用到導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育研究中，如可以將水文地質(zhì)學(xué)、流體力學(xué)、工程巖土學(xué)、彈塑性力學(xué)相結(jié)合研究導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育機理。

(7)越來越多的先進設(shè)備和理論方法被應(yīng)用于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的研究中，選擇最合適的理論分析、數(shù)值與物理模擬、現(xiàn)場實測的方法，將其相互結(jié)合、相互補充，綜合確定導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度是未來的發(fā)展趨勢。

(8)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度研究對煤礦采空區(qū)安全開采有著極為重要的意義，雖然中國對其的研究已經(jīng)有了里程碑的進步，但是隨著煤礦的開采，礦井的地質(zhì)構(gòu)造將更加復(fù)雜，因此應(yīng)不斷發(fā)展新理論、新方法、新技術(shù)來觀測導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。