姜萬明，薛雄飛，馬壯，胡志華，劉桂璋，吉勇，李方典

摘要：為探測導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征及高度，以榆神礦區(qū)西南部30201工作面為研究對象，采用鉆孔水文觀測、巖芯地質(zhì)、物理測井、直流電法、密集分布式光纖感測相結(jié)合的導(dǎo)水裂隙帶探測技術(shù)以及數(shù)值模擬，對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度及特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明：工作面裂隙帶發(fā)育高度為135.00 m，裂采比為21.43，冒落帶發(fā)育高度為66.38 m，冒采比為10.5，彎曲下沉帶高度為9487 m；呈現(xiàn)出沿工作面傾向?qū)严稁г谙锏腊l(fā)育最小，在工作面中心位置發(fā)育最大的“拱形”形態(tài)，冒落帶在工作面中心位置發(fā)育最大，在巷道位置發(fā)育最小的特征；數(shù)值模擬精度與建立模型的地質(zhì)條件參數(shù)密切相關(guān)，數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測結(jié)果基本吻合。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)水裂隙帶；現(xiàn)場實測；物理測井；巖芯地質(zhì)；密集分布式光纖

中圖分類號：TD 745文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2024）01-0123-12

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0113開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Characteristics of seam roof water-conducting?fracture zone in Yushen mining area

JIANG Wanming1，XUE Xiongfei1，MA Zhuang2，HU Zhihua1，LIU Guizhang1，JI Yong3，LI Fangdian4

（1.Shaanxi Nonferrous Yulin Coal Industry Co.，Ltd.，Yulin 719099，China；2.Shaanxi Coalbed Methane Development and Utilization Co.，Ltd.，Xian 710119，China；3.Shaanxi Hancheng Tianjiu Grouting Exploration? Co.，Ltd.，Xian 710118，China；4.College of Geology and Environment，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：In order to detect the development characteristics and height of the water-conducting fracture zone，30201 working face in the southwest of Yushen mining area is taken as the research object，and the detection technology of water-conducting fracture zone，which combines drilling hydrology observation，core geology，physical logging，direct current method and dense distributed fiber sensing，as well as numerical simulation are used to examine the development height and characteristics of the water-conducting fracture zone.The results show that the development height of the fracture zone in the working face is 13500 m，the fracture/production ratio is 21.43，and the development height of the caving zone is 66.38 m；the mining ratio is 10.5，and the bending subsidence zone is 94.87 m.It is found that the inclined water-conducting fracture zone along the working face develops the smallest in the roadway and the largest in the center of the working face，and the caving zone develops the largest in the center of the working face and the smallest in the roadway.The accuracy of the numerical simulation is closely related to the parameters of the geological conditions in which the model is established，and the numerical simulation is basically consistent with the field measured results.

Key words：water-conducting fracture zone；on-site measurement；physical logging；core geology；dense distributed fiber

0引言

煤層開采引起的巖層移動會使采空區(qū)上覆巖層出現(xiàn)冒落、斷裂、下沉，形成導(dǎo)水裂隙帶和彎曲下沉，其中導(dǎo)水裂隙帶是指冒落帶上方一定范圍內(nèi)的巖層發(fā)生斷裂，產(chǎn)生裂隙，且具有導(dǎo)水性的巖層范圍。其高度的確定對保水采煤、煤礦防治水、煤礦防災(zāi)減災(zāi)等也具有重要的意義。

王志強(qiáng)等、ZHANG等認(rèn)為一次采出煤層厚度、開采范圍、覆巖殘余碎脹系數(shù)、關(guān)鍵層與煤層之間的距離以及關(guān)鍵層自身的運動特點均是影響采場覆巖“三帶”分布的重要因素，采用關(guān)鍵層和材料力學(xué)相關(guān)理論研究覆巖破壞情況，確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度[1-2]；劉天泉提出通過理論分析、試驗研究，得出了計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度經(jīng)驗公式[3]；胡小娟等認(rèn)為需要全面考慮影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的常見因素，綜合得出導(dǎo)水裂隙帶預(yù)計高度[4]；尹尚先等、曹始友等基于SAS數(shù)學(xué)軟件對數(shù)據(jù)回歸分析，總結(jié)出綜采條件下導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗公式[5-6]；許家林等提出了通過覆巖關(guān)鍵層位置來研究導(dǎo)水裂隙帶高度的理論方法[7]。但目前對大采高、超長工作面綜采開采條件下的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度未形成統(tǒng)一的認(rèn)識。孫學(xué)陽等、侯恩科等、張培河等、魏宗勇等提出采用相似材料模擬[8-11]方法模擬煤層回采后，由于應(yīng)力變化所導(dǎo)致覆巖的變形、位移、破壞，得出導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。但物理模擬對材料配比的準(zhǔn)確性要求較高，且對某些復(fù)雜地質(zhì)條件的模擬較難實現(xiàn)。郭文兵等、李新旺等、徐智敏等提出利用數(shù)值模擬[12-14]研究采區(qū)頂板采動導(dǎo)水裂隙的發(fā)育與演化過程、發(fā)育高度與形態(tài)特征；趙春虎等、WAN等、SUN等認(rèn)為煤層開采覆巖變形損傷是含水層失水的主要原因，提出中深煤層開采覆巖損傷變形影響下含水層“側(cè)向直接與垂向滲漏”復(fù)合失水模式，用COMSOL多物理場耦合數(shù)值分析研究導(dǎo)水裂隙帶的高度，但數(shù)值模擬法的精度與所建立模型的地質(zhì)條件參數(shù)密切相關(guān)，而參數(shù)的準(zhǔn)確獲取較難[15-17]；李艷飛等、侯恩科等提出微震監(jiān)測結(jié)果分布規(guī)律進(jìn)行分析，探索工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，但由于其多解性，存在精度不高的問題[18-19]；高澤明提出鉆孔返水損失量的實測法分析采空區(qū)上覆巖層實際裂隙情況[20]；薛建坤等選用鉆孔成像的實測手段研究導(dǎo)水裂隙帶高度[21]；閆飛提出數(shù)值模擬與YZB型巖層鉆孔探測儀相結(jié)合的方法確定“三帶”范圍[22]；樊振麗等、XIE等、XU等提出采用鉆孔注水、孔內(nèi)視頻采集2種實測方法對厚泥蓋層下覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行了綜合研究，確定了冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，認(rèn)為現(xiàn)場實測是一種可靠的方法，但不同實測手段所得結(jié)果有所差異[23-25]。

密集分布式光纖傳感作為新型物探技術(shù)結(jié)合4種較成熟物探技術(shù)以及數(shù)值模擬，根據(jù)榆神礦區(qū)西南部30201工作面地質(zhì)條件，驗證弱光纖光柵對于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的探測是否準(zhǔn)確可靠，分析導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

1區(qū)域地層特征

榆神礦區(qū)西南部30201工作面地表全部被第四系松散沉積物覆蓋，主要有第四系下更新統(tǒng)午城組、中更新統(tǒng)離石組、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組、全新統(tǒng)沖洪積層、風(fēng)積層。以往鉆孔揭露的地層還有侏羅系中統(tǒng)直羅組、延安組，下統(tǒng)富縣組，三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組?；鶐r地層除富縣組與瓦窯堡組間為角度不整合接觸關(guān)系外，其余各地層之間為整合接觸關(guān)系（圖1）。30201工作面3號煤層位于延安組第3段頂部，全井田可采，煤層底板標(biāo)高1 004.72～1 066.88 m，整體由東南向西北緩傾，傾角約0.5°，埋深115.90～268.05 m。覆蓋層基巖厚度52.87～234.80 m，由南向北、從西向東埋深逐漸增大，平均遞增梯度5.18 m/km。煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部含1～2層0.05～0.46 m泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸。

榆神礦區(qū)30201工作面寬300 m，巷道寬6 m。工作面范圍被第四系松散沉積物覆蓋，工作面范圍內(nèi)3#煤層厚度6.34～7.83 m，平均7.27 m，頂板埋深182.45～251.80 m，屬穩(wěn)定煤層。直接頂板為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖，厚度為0.45～6.93 m。直接底板以泥巖、粉砂巖為主，少量細(xì)砂巖，厚度為1.04～2.90 m。工作面內(nèi)煤巖層構(gòu)造形態(tài)為一向西北緩斜的單斜構(gòu)造，工作面內(nèi)無落差大于5 m斷層構(gòu)造，無陷落柱發(fā)育和巖漿巖侵入。

在距工作面切眼1 km處垂直走向布置了三帶探測孔5個（圖2），3個為測試孔，2個為對比孔。對比孔為回采前鉆孔，測試孔為回采后鉆孔。測試孔1（CS1）距離工作面回風(fēng)巷21 m，測試孔2（CS2）與對比孔1（DB1）、對比孔2（DB2）間距為15 m。CS1用于探測最大導(dǎo)水裂隙帶高度，CS2用于探測最大冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度，CS3位于工作面中心位置，用于觀測冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶最低點高度，為導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)刻畫提供依據(jù)。

設(shè)計終孔層位為孔底到達(dá)觀測區(qū)所采煤層底板，及孔底進(jìn)入冒落帶并已知煤層底板標(biāo)高時，設(shè)計鉆探合計工作量為854.30 m。CS1孔深98.70 m、CS2孔深217.30 m、孔口標(biāo)高1 266.73 m、煤層底板標(biāo)高1 028 m，CS3孔深222.30 m、孔口標(biāo)高1 269.68 m、煤層底板標(biāo)高1 029 m，DB1孔深9870 m、DB2孔深217.30 m。

2導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度

2.1鉆孔水位及沖洗液漏失量變化特征

鉆孔鉆進(jìn)過程的沖洗液消耗量、泥漿水位會因臨界面所處位置的巖性、裂隙發(fā)育和聯(lián)通程度不同而不同（圖3）。鉆具在正常巖層中鉆進(jìn)時沖洗液消耗量、下鉆前及上鉆后的水位穩(wěn)定，當(dāng)裂隙開始發(fā)育時：沖洗液消耗量顯著增加，并且呈現(xiàn)出隨鉆孔深度增加而增加的趨勢，鉆孔水位顯著降低甚至孔內(nèi)無水沖洗液全部漏失。鉆進(jìn)過程中遇到空洞或大的離層裂隙時會出現(xiàn)掉鉆，判定為冒落帶的頂界。

開鉆后沖洗液形成循環(huán)，測定一次水源箱的水位，記錄開鉆時間、鉆孔深度，每鉆進(jìn)0.6 m進(jìn)行測定和記錄；隨著鉆進(jìn)深度增加漏失量變大，縮短為0.3 m測定和記錄一次；完成一個回次后，再測定和記錄一次；并用鋼尺測出該回次的實際進(jìn)尺量。在觀測段鉆進(jìn)時，每次起鉆后和下鉆前均測定鉆孔水位。當(dāng)停鉆時間較長時，每隔5～10 min測定一次水位，直到重新鉆進(jìn)為止。

2.1.1鉆孔水位變化規(guī)律

DB1、DB2為采前孔，水位隨著鉆進(jìn)深度的增加，水位均勻下降。最終DB1的靜止水位為41.08 m，DB2的靜止水位為39.12 m。CS1最終靜止水位穩(wěn)定在41.10 m（終孔后觀測72 h）；CS2在128 m不反水、CS3在137.50 m不反水。

2.1.2沖洗液漏失量規(guī)律

DB1黃土段的沖洗液消耗量在0.30～0.60 m3/h左右，基巖段0.10～0.20 m3/h左右，明顯小于黃土段。DB2黃土段和基巖段沖洗液消耗量均在020 m3/h，黃土段略大。

CS1黃土段沖洗液消耗量為3.65 m3/h左右，下護(hù)壁管后，基巖段沖洗液消耗量0.20 m3/h左右，明顯減小。CS2黃土段0.60 m3/h左右，下護(hù)壁管后，直至鉆進(jìn)至128 m前，沖洗液消耗量為020 m3/h左右，在128 m處，鉆孔孔口不返水。CS3黃土段0.40 m3/h，下護(hù)壁管后，直至鉆進(jìn)137.50 m，沖洗液消耗量逐步增大至3.89 m3/h，直至不返水。

根據(jù)沖洗液漏失量顯著增加并呈現(xiàn)出隨深度增加而增大的趨勢，以及全漏失即不返水并伴有水位降低，可以判斷得出CS1未發(fā)育裂隙帶，CS2裂隙帶頂為128 m，即導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為10443 m；CS3裂隙帶頂為137.50 m，即導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為96.88 m。

2.2巖芯破碎特征

通過鉆探機(jī)械將地下巖芯采出并進(jìn)行分析，根據(jù)工作面內(nèi)的不同地層巖芯采取方法不盡相同，第四紀(jì)松散沉積土采用泵推方法采取巖芯；黏性土層采用調(diào)整泵壓，目的是將巖芯勻速緩慢推出，避免擾動對巖芯天然結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的破壞；砂土層中將鉆具頂部單向閥旋開，放置活塞，再退取巖芯，顆粒排列方式對采取巖芯也有影響。將取出的巖芯放入預(yù)先準(zhǔn)備好的巖芯管，從中間剖開。在剖巖芯過程中盡量不破壞巖芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造。

通過描述巖芯的完整程度和裂隙發(fā)育情況，并統(tǒng)計巖芯的質(zhì)量指標(biāo)RQD值判斷導(dǎo)水裂隙帶高度。在導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)巖層中發(fā)現(xiàn)明顯且新鮮的垂向裂隙、巖芯破碎，完整性差且?guī)r芯質(zhì)量指標(biāo)降低；進(jìn)入冒落帶頂界面后巖芯完整程度急劇降低，巖芯極破碎，RQD值甚至接近于0，巖芯垂向和斜向裂隙增多，巖芯層理、傾角紊亂。CS1基巖段79.41～93.24 m處、93.24～102.46 m處采取率較好，未見有斜向及垂向破壞裂隙發(fā)育。CS2巖芯在孔深103.20 m處開始出現(xiàn)垂向破壞裂隙，巖芯178.00～212.82 m處，巖芯完整程度急劇降低，采取率較差，見有斜向及垂向破壞裂隙發(fā)育。CS3巖芯在孔深110.50 m處開始出現(xiàn)垂向破壞裂隙，巖芯票168.00～195.00 m處，巖芯完整程度急劇降低，采取率較差，見有斜向及垂向破壞裂隙發(fā)育。CS1巖芯完整性較好，未發(fā)現(xiàn)有新鮮的破壞裂隙發(fā)育。CS2在孔深103.20 m處，CS3在孔深110.50 m處開始出現(xiàn)垂向裂隙，CS2、3冒落帶埋深分別為178.00，168.00 m。即CS2和CS3測定的導(dǎo)水裂隙帶高度分別為129.23，123.88 m。CS2和CS3測定的冒落帶高度分別為54.43，66.38 m。

2.3巖層物理電性曲線變化特征

在鉆井的過程中，受到鉆機(jī)鉆進(jìn)影響，或由于地層巖性的組合成分、膠合性，壓實力度等不盡相同，有的巖性吸水膨脹，造成井徑縮小；有的巖性受力破碎掉塊產(chǎn)生裂隙，造成井徑擴(kuò)大，井徑測井就是用于探究鉆孔井徑變化情況。由于巖層的天然伽瑪射線強(qiáng)度不同，由此來劃分砂泥巖剖面，確定高放射層、含水層和進(jìn)行井間地層對比。

由于探測區(qū)域不同巖層受采動破壞影響，裂隙發(fā)育，井徑曲線擴(kuò)大、自然伽瑪出現(xiàn)高異常反應(yīng)，視電阻率曲線幅值下降，聲波時差值變大。導(dǎo)水裂隙帶井徑值在159～298 mm、自然伽瑪強(qiáng)度在595～1 319 API、視電阻率值變化區(qū)間為88～265 Ω·m、自然電位在-36～-30 mV；冒落帶井徑值在106～163 mm、自然伽瑪強(qiáng)度在158～992 API、視電阻率變化區(qū)間為75～228 Ω·m、自然電位在-28～-23 mV（表1）。

裂隙帶由于巖石破碎有裂縫存在，使物性發(fā)生變化，井徑曲線擴(kuò)大、聲波時差值變大，伽瑪值出現(xiàn)高異常反應(yīng)，視電阻率曲線幅值下降；當(dāng)鉆孔巖層裂隙發(fā)育，巖石破碎后，體積松散，孔隙增大，滲透性加強(qiáng)，使物性也發(fā)生變化，井徑曲線、視電阻率曲線出現(xiàn)大小不等鋸齒狀、伽瑪值出現(xiàn)高異常反應(yīng)，聲波時差值變大。CS1巖層裂隙不發(fā)育，測井曲線無異常反應(yīng)，表明CS1無明顯導(dǎo)水裂隙帶和冒落帶發(fā)育（圖4）。

CS2在178.95 m處為導(dǎo)水裂隙帶頂，CS3在150.10 m處為導(dǎo)水裂隙帶頂；CS2在182.90 m處為冒落帶頂，CS3在170.70 m處為冒落帶頂。CS2裂隙帶高度為53.48 m，冒落帶高度為49.53 m；CS3裂隙帶高度為84.28 m，冒落帶高度為63.68 m。

2.4電性反演規(guī)律

鉆孔直流電法在地表復(fù)雜人文干擾因素的背景下可深入圍巖，避開各種電磁干擾，更接近勘探目的層和目標(biāo)體，測量數(shù)據(jù)能夠更有效反映異常體信息，提高了原始數(shù)據(jù)信噪比，數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

在CS2中進(jìn)行直流電法探測，CS2深度為217.30 m，每間距5 m布置一個電極，共設(shè)計電極總個數(shù)43個，觀測方式選擇二極裝置形式。電極編號從上至下為1～43，通過多芯電纜連接至地面，首次供電時發(fā)射端位于1號電極處，測量端自2號電極開始向下方依次進(jìn)行，完成剩余電極位置測量后，發(fā)射端與測量端各下移一個電極開始向下方依次測得電阻率，循環(huán)往復(fù)，直至發(fā)射端位于42號電極，測量端位于43號電極。考慮到電纜可能會因為冒落、巖層下沉移動而斷裂，所以試驗過程中將電纜綁定在承重繩上，試驗采用絕緣皮鋼纜承重，最大限度保護(hù)電纜不斷裂。

電性參數(shù)以電阻率值變化為基礎(chǔ)，在覆巖不同的破壞帶內(nèi)巖體的電阻率特性具有較大的區(qū)別。在冒落帶范圍內(nèi)巖體因裂隙發(fā)育彎曲或斷裂而失去導(dǎo)電能力，電阻率變化最大；在裂縫帶巖體雖仍保持連續(xù)性，但受裂隙的發(fā)育，導(dǎo)電性明顯下降，電阻率相對較高；彎曲下沉帶中巖層的連續(xù)性基本不受破壞，電阻率變化較小。

第1天工作面回采位置距鉆孔約15 m，后以約12 m/d的速度回采（圖5（a））。第16天視電阻率分布變化較小，上部呈相對低阻、下部呈相對高阻反應(yīng)（圖5（b）），隨采掘工作面距離鉆孔越來越近，下部靠近鉆孔位置視電阻率值略顯增加，這是由于采空區(qū)頂板巖層逐漸垮落且裂隙逐漸發(fā)育造成的。第21天下部靠近鉆孔位置（范圍約橫向0～50 m、縱向-200～-70 m）視電阻率值明顯增大（圖5（c）），試驗表明采掘工作面過鉆孔后，探測范圍內(nèi)采空區(qū)頂板巖層進(jìn)一步垮落。第26天相對高阻區(qū)域縱橫向范圍擴(kuò)展至整個探測區(qū)域，視電阻率等值線大致呈縱向分布，橫向成層特征不明顯（圖5（d）），推測鉆孔附近巖層垮落與裂隙發(fā)育活動明顯，導(dǎo)致鉆孔內(nèi)電極與圍巖接觸不穩(wěn)定。第30天視電阻率等值線成層性分布明顯，說明區(qū)域內(nèi)電阻率變化平緩，此期間探測范圍內(nèi)采空區(qū)上部巖層活動逐漸趨于穩(wěn)定，裂隙進(jìn)入緩慢發(fā)育期。上部相對低阻、下部相對高阻，下部高阻區(qū)域范圍較穩(wěn)定，高低阻分界面縱向范圍約在-100～-90 m（圖5（e））。第44天探測區(qū)域內(nèi)視電阻率分布基本穩(wěn)定，下部高阻區(qū)域縱向深度基本保持在-100～-90 m，但上部低阻區(qū)電阻率值在逐漸增大（圖5（f）），推斷下部高阻區(qū)域頂板巖層垮落及裂隙較為發(fā)育且范圍基本穩(wěn)定，上部低阻區(qū)域裂隙向地表弱發(fā)育。即-90 m以上區(qū)域裂隙弱發(fā)育；裂隙帶高度為138.73～148.73 m。試驗得到的結(jié)果與劉樹才等[28]的結(jié)論：工作面開采過程中涌水量相對較大，不一致?？赡芘c以下原因有關(guān)：試驗探測范圍內(nèi)涌水量較小，裂隙內(nèi)充水量少，導(dǎo)水裂隙高阻響應(yīng)為主導(dǎo)；含水層內(nèi)的地下水沿導(dǎo)水裂隙帶涌入采空區(qū)時頂板上方未形成較大范圍積水區(qū)。

2.5光纜應(yīng)變特征

密集分布式光纖感測，利用反射率極弱特種光纖光柵作為感測元件，弱光纖光柵陣列中每個弱光柵的反射光返回的時間都不同，利用這一原理可以實現(xiàn)對每個弱光柵進(jìn)行定位。累計以一具體日期數(shù)據(jù)為初值，將后續(xù)數(shù)據(jù)與初值作差，進(jìn)行33天監(jiān)測，得到CS2孔內(nèi)應(yīng)變隨深度的變化曲線，光纜單日應(yīng)變變化在時間域上主要集中在第9日至第11日，第11日應(yīng)變較前一日變化最大，第11日以后光纜單日應(yīng)變明顯減小，第33日應(yīng)變曲線最終穩(wěn)定在-110 m深度（圖6）。

光纜單日應(yīng)變變化在空間域上主要發(fā)生在-138 m以下巖層，說明該范圍內(nèi)巖層離層較多。-130～-181 m孔深范圍內(nèi)，光纜應(yīng)變表現(xiàn)為不均勻的拉應(yīng)變，存在較多壓應(yīng)變尖峰，這是由于開采過程中，煤層被破壞導(dǎo)致周圍地質(zhì)構(gòu)造失去支撐從而產(chǎn)生裂隙及離層，這些形變呈不規(guī)則分布，形變產(chǎn)生應(yīng)力變化。-130～181 m最大壓應(yīng)變達(dá)到-18 507 με，最大拉應(yīng)變達(dá)14 817 με，且存在小范圍的拉伸、壓縮差異化表現(xiàn)，局部應(yīng)變落差超過30 000 με，表明范圍內(nèi)巖層存在明顯的離層現(xiàn)象，且裂隙發(fā)育；-181～-204 m孔深范圍內(nèi)，光纜采集有效數(shù)據(jù)較少，應(yīng)變數(shù)據(jù)以拉伸為主，說明范圍內(nèi)巖層受采動影響較大，可能存在垮落或大范圍離層現(xiàn)象。測試期間，光纜受導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育及覆巖變形影響，在多處應(yīng)變變化異常位置被拉斷，最終有效測試深度不斷減少，最終穩(wěn)定在-110 m深度，導(dǎo)水裂隙帶高度隨時間變化關(guān)系曲線（圖7）。

頂板冒落及形成的裂隙發(fā)育滯后于回采進(jìn)度，裂隙發(fā)育高度隨著時間的增加而不斷增大。光纜應(yīng)變表現(xiàn)出非均一性，存在較多應(yīng)變峰值，工作面覆巖裂隙發(fā)育，光纜有效測試深度最終穩(wěn)定在-110 m位置處，說明裂隙帶高度為122.43 m。

3數(shù)值模擬及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征

根據(jù)榆神礦區(qū)西南部30201工作面內(nèi)3號煤層傾角小于1°以及煤層頂板巖性特征主要以砂巖，泥質(zhì)砂巖為主。參照《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘查規(guī)范》中推薦的經(jīng)驗公式，計算裂隙帶和冒落帶高度得冒落帶高度為15.16 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為51.65 m。

3.1數(shù)值模擬

以榆神礦區(qū)西南部30201工作面煤層上覆巖層巖性特征為基礎(chǔ)，根據(jù)FLAC3D建模原理，建立工作面開采模型（圖8），模型最終共劃分單元216 000個，節(jié)點227 957個。工作面煤層傾角05°，為近水平煤層。工作面走向長300 m，寬度300 m，工作面范圍內(nèi)3號煤層厚度6.34～7.83 m?？紤]邊界效應(yīng)影響，左右預(yù)留200 m保護(hù)煤柱，模型選取800 m×300 m×251 m（長×寬×高）。采用 Mohr Coulomb 屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞，每步工作面推進(jìn)50 m，達(dá)到應(yīng)力平衡后再進(jìn)行下一步工作面推進(jìn)，共推進(jìn)400 m。

通過工作面內(nèi)鉆孔所揭露的巖性以及區(qū)域地層相關(guān)資料，確定數(shù)值模擬模型的建立（表2）。

隨著工作面不斷推進(jìn)，煤層上覆巖層受到剪切力、拉應(yīng)力從而失去平衡。冒落帶從直接頂板開始向上發(fā)育，由于壓力拱作用冒落帶上方一定范圍內(nèi)的巖層彎曲下沉，當(dāng)彎曲超過本身強(qiáng)度時，產(chǎn)生裂隙，發(fā)生塑性破壞，具有導(dǎo)水性的巖層范圍為導(dǎo)水裂隙帶。因此，以“塑性區(qū)法”判斷導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度。

工作面推進(jìn)100 m時圖9（a），開始出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，塑性區(qū)兩端以剪切破壞為主，中間巖層主要受到拉應(yīng)力破壞，且發(fā)育高度一致，為55 m，此時塑性區(qū)呈現(xiàn)出“拱形”，裂隙帶發(fā)育進(jìn)入初始萌生期；工作面推進(jìn)200 m時圖9（b），裂隙帶呈快速發(fā)展期，塑性破壞區(qū)范圍增大，工作面斜上方塑性區(qū)發(fā)育最高，為120 m；隨著工作面的推進(jìn)300 m時圖9（c）塑性區(qū)從“拱形”逐漸過渡到“馬鞍形”，此時塑性區(qū)發(fā)育高度為130 m；工作面推進(jìn)400 m時圖9（d），采空區(qū)兩端及中部塑性區(qū)橫向不斷擴(kuò)展，高度無明顯變化，裂隙帶呈現(xiàn)終端穩(wěn)定區(qū)，塑性區(qū)發(fā)育高度為135 m。從塑性破壞區(qū)可以看出導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育經(jīng)歷3個階段，發(fā)育高度最終穩(wěn)定在135 m。

3.2結(jié)果與分析

經(jīng)驗公式和地面鉆孔實測技術(shù)即鉆孔水文觀測、巖芯地質(zhì)、物理測井、直流電法、密集分布式光纖感測5個探測技術(shù)的結(jié)果相比，相差較大；FLAC3D數(shù)值模擬分析高度與地面鉆孔實測技術(shù)結(jié)果基本吻合，得到驗證（表3、表4）。

與經(jīng)驗公式只單一考慮采煤高度相比，綜合實測技術(shù)手段全面考慮煤層巖性物性，邊鉆進(jìn)邊取數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)較為直觀，盡量地保證地層的原始性和真實性，提高地質(zhì)成果的可信度。5種方法的試驗結(jié)果也存在一定的差異性，物理測井解釋的導(dǎo)水裂隙帶高度判定結(jié)果差異較大，這是由于測井主要依據(jù)鉆孔內(nèi)出現(xiàn)空洞、低密度異常、聲波曲線來判定裂隙的位置，但是地層中本來就存在原生裂隙和泥巖層段孔壁不完整的現(xiàn)象，因此通過各曲線參數(shù)異常難以確切斷定是否為裂隙帶，因此物理測井確定的裂隙帶頂界面精度不夠高；物理測井主要依靠冒落帶巖石破碎，容易塌孔引起的探棒受阻情況來判定，因此用于解釋冒落帶發(fā)育高度成果是可靠的。CS2采空區(qū)裂隙帶發(fā)育高度為129.23 m，CS3裂隙帶高度為135.00 m。3號煤層裂隙帶高度取最大值，即工作面裂隙帶發(fā)育高度為135 m，裂采比為21.43（表3）；冒落帶發(fā)育高度為66.38 m，冒采比為10.5，彎曲下沉帶高度為94.87 m（表4）。

根據(jù)試驗結(jié)果由于CS2位于回風(fēng)巷道附近，CS3位于工作面中心。CS2的裂隙帶高度為12923 m，小于CS3的裂隙帶高度；CS2的冒落帶高度為54.43 m，小于CS3的冒落帶高度。裂隙帶發(fā)育高度至工作面中心位置變化表現(xiàn)為上升趨勢；冒落帶發(fā)育高度至工作面中心位置變化表現(xiàn)為梯形增加的特點。導(dǎo)水裂隙帶高度沿著工作面的傾向在巷道發(fā)育最小，在工作面中心位置發(fā)育最大，空間形態(tài)為“拱形”而非傳統(tǒng)的“馬鞍型”。冒落帶高度沿著工作面的傾向在工作面中心位置發(fā)育最大，在巷道位置發(fā)育最?。▓D10）。

4結(jié)論

1）沿著工作面的傾向?qū)严稁Ц叨仍谙锏腊l(fā)育最小，在工作面中心位置最大，呈現(xiàn)典型的“拱形”，冒落帶高度在工作面中心位置發(fā)育最大，在巷道位置發(fā)育最小。

2）導(dǎo)水裂隙帶隨著煤層的開采、覆巖的沉降、離層、破壞的形成具有從發(fā)生、發(fā)育（上升）、最大高度、回降、穩(wěn)定的發(fā)育過程。

3）采用新型光纖傳感技術(shù)，弱光纖光柵的感測技術(shù)并不能獨立準(zhǔn)確地探測導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育，還需結(jié)合鉆孔水文觀測、巖芯地質(zhì)、物理測井、直流電法4種物探技術(shù)共同探測導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

4）數(shù)值模擬精度與建立模型的地質(zhì)條件參數(shù)密切相關(guān)，數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測結(jié)果相吻合。

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（責(zé)任編輯：李克永）