基于相似模擬的淺埋深煤層覆巖采動(dòng)裂隙分析

李曉璐，歐陽振華，李少剛

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013 )

采選技術(shù)

基于相似模擬的淺埋深煤層覆巖采動(dòng)裂隙分析

李曉璐1，2，歐陽振華1，2，李少剛1，2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013 )

摘要：根據(jù)相似模型試驗(yàn)，探討了運(yùn)用視電阻率法的物探技術(shù)來反演淺埋深覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育演化規(guī)律的可行性，分析了采動(dòng)過程中淺埋深煤層覆巖變形破壞前后電性參數(shù)的變化及其與覆巖裂隙發(fā)育范圍、程度之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：視電阻率法可以探測(cè)淺埋深煤層覆巖采動(dòng)裂隙的演化過程，電阻率變化率的等值線圖可以體現(xiàn)裂隙發(fā)育形態(tài)，提出以電阻率變化率作為劃分覆巖破壞“三帶”的標(biāo)準(zhǔn)。在淺埋深煤層的采動(dòng)過程中，上覆巖層導(dǎo)水裂縫帶的范圍持續(xù)向上方、前方擴(kuò)展，但裂隙在水平與垂直方向的發(fā)育具有不平衡性，薄基巖層明顯阻礙了裂隙向上的發(fā)育，水平方向的裂隙發(fā)育范圍明顯大于垂直方向。而一旦裂隙發(fā)育突破了基巖層，就會(huì)瞬間貫通該基巖層上方的附著巖層或地表。

關(guān)鍵詞：淺埋深；視電阻率法；采動(dòng)裂隙；電阻率變化率；相似模型試驗(yàn)

在我國西部地區(qū)，相當(dāng)一部分礦區(qū)具有煤層埋藏淺、基巖薄、地表有松散覆蓋層的特殊地質(zhì)和采礦條件，在開采的過程中，頂板基巖會(huì)在工作面上方形成裂縫，裂縫的貫通會(huì)造成地表砂土的涌入，導(dǎo)致井下潰砂等，威脅礦井生產(chǎn)安全，同時(shí)這些裂縫易貫通地表，使得地表形成塌陷坑，加劇對(duì)地表植被的毀壞，并嚴(yán)重影響地面建筑物的安全。

對(duì)于覆巖裂隙的探測(cè)，我國學(xué)者已經(jīng)開展了大量的研究工作，其中許宏發(fā)等[1]為研究深部巷道圍巖破裂情況，在深部巷道布置鉆孔，對(duì)鉆孔內(nèi)巖體電阻率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量圍巖電阻率沿鉆孔深度的變化；康永華等[2]通過彩色鉆孔電視和鉆孔沖洗液消耗量觀測(cè)，取得了高水壓含水層作用于原生縱向裂隙發(fā)育巖體條件下的垮落帶、導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨燃鞍l(fā)育特征的現(xiàn)場實(shí)測(cè)結(jié)果；張玉軍等[3]采用鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)和鉆孔彩色電視系統(tǒng)，探測(cè)了高強(qiáng)度綜放開采覆巖破壞高度；孫亞軍等[4]通過并行網(wǎng)絡(luò)電法CT觀測(cè)小浪底水庫下采煤導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況。劉貴等[5]針對(duì)河下開采，通過在工作面不同位置布孔進(jìn)行鉆孔沖洗液漏失量和彩色電視觀測(cè)，并通過物理模擬研究了在各工作面間留設(shè)一定寬度隔離煤柱的開采方式的覆巖破壞過程。而對(duì)于淺埋深薄基巖的覆巖的采動(dòng)裂隙的相關(guān)研究還是很缺乏的。

煤層覆巖的裂隙發(fā)育可以通過鉆孔沖洗液消耗量法、鉆孔電視或鉆孔成像技術(shù)[6]、物探等方法進(jìn)行探測(cè)。任奮華等[7]據(jù)現(xiàn)場鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔水位變化以及井下彩色鉆孔電視影像，探明了煤層開采后上覆巖層內(nèi)垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度及其分布形態(tài)；張玉軍等[8]采用鉆孔彩色電視系統(tǒng)對(duì)鉆孔內(nèi)部原生裂隙及采動(dòng)裂隙的分布及其發(fā)育特點(diǎn)進(jìn)行了研究；文學(xué)寬[9]應(yīng)用電磁波層析技術(shù)(即CT)探測(cè)了覆巖的破壞高度；張平松、劉盛東等[10-12]采用電阻率法、立體直流電法、孔巷電法和并行電法觀測(cè)，獲得覆巖變形與破壞的發(fā)育規(guī)律。

鉆孔沖洗液消耗量法可以探測(cè)覆巖破壞的高度，但當(dāng)觀測(cè)鉆孔內(nèi)觀測(cè)段的巖層中有原生裂隙時(shí)，沖洗液消耗量法觀測(cè)就不能順利進(jìn)行，甚至由于對(duì)原生裂隙的堵漏不成功而造成觀測(cè)失敗。鉆孔電視或鉆孔成像技術(shù)雖具有形象、直觀的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)巖層完整性較好時(shí)，常導(dǎo)致進(jìn)行觀測(cè)的鉆孔內(nèi)仍然有水，影響觀測(cè)效果。因此，筆者根據(jù)相似模型試驗(yàn)，利用高密度電法，分析淺埋薄基巖的覆巖在采動(dòng)影響下的裂隙演化規(guī)律，為指導(dǎo)西部淺埋深薄基巖礦區(qū)高效、經(jīng)濟(jì)、安全生產(chǎn)和保護(hù)地表生態(tài)環(huán)境提供依據(jù)。

1相似模擬試驗(yàn)方案

本文以內(nèi)蒙古雙欣礦業(yè)有限公司楊家村煤礦222203工作面為原型，該工作面是22采區(qū)第二個(gè)工作面，埋深約140m，傾角小于5°，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，平均煤厚7.3m。工作面四周及上下煤層均未開采，為實(shí)體煤區(qū)。工作面采用綜合機(jī)械化走向長壁后退式一次采全高采煤法回采，全部垮落法管理頂板。

1.1相似模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

相似模型尺寸3200mm×250mm×1500mm，為平面應(yīng)力模型，如圖1所示。依據(jù)Hoke-Brown經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則及小試件室內(nèi)試驗(yàn)資料，對(duì)本次相似模擬實(shí)驗(yàn)所涉及到的煤巖層進(jìn)行估算，具體參照根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料、巖土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)以及上述轉(zhuǎn)化關(guān)系公式，并考慮本次相似模擬材料選取的參考指標(biāo)主要是抗壓強(qiáng)度和模擬，故得到研究區(qū)域內(nèi)相似材料模型的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1　各層物理力學(xué)性質(zhì)

圖1　相似模型圖

1.2試驗(yàn)內(nèi)容

模擬煤層回采過程，其中煤層切眼寬度取10m，工作面每次推進(jìn)10m，共模擬推進(jìn)237m。通過開挖前在模型表面布置位移變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在煤層上覆巖層中布置視電阻率測(cè)試點(diǎn)，來監(jiān)測(cè)煤層上方頂板及地表的位移變化、覆巖破斷過程中的視電阻率的變化。

布置6條水平測(cè)線進(jìn)行位移觀測(cè)，如圖2所示，其中回采煤層上方5條，煤層下方1條，相鄰測(cè)線間距150mm，每條測(cè)線13個(gè)測(cè)點(diǎn)，相鄰測(cè)點(diǎn)間距100mm，合計(jì)共78個(gè)位移測(cè)點(diǎn)。

在模型頂表面，沿中心線布設(shè)11個(gè)視電阻率測(cè)試點(diǎn)(D1～D11)，如圖3所示。測(cè)量D1點(diǎn)的視電阻率時(shí)，以D1點(diǎn)為中心，將電阻率測(cè)試儀的兩個(gè)接收探頭M、N對(duì)稱布置在D1點(diǎn)兩側(cè)并不變(MN=50mm)，兩個(gè)發(fā)射探頭A、B對(duì)稱于測(cè)試中心D1點(diǎn)向兩旁按一定間距增加(A、B兩點(diǎn)的起始距離為100mm，向兩邊移動(dòng)的步距各為50mm，直到移動(dòng)到模型邊界為止)，并記錄下A、B每次移動(dòng)后，M、N兩點(diǎn)處測(cè)得的電壓和電流，可計(jì)算出該點(diǎn)不同深度處的視電阻率[13-15]。D2～D11采用相同方式測(cè)試相應(yīng)點(diǎn)不同深度電阻率。

圖2　位移測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位：mm)

圖3　視電阻率測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2視電阻率測(cè)試方法

視電阻率測(cè)試方法，是一種陣列勘探方法，源于電剖面法和電測(cè)深法，主要是通過高密度布點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量[16]。由于其具有探測(cè)數(shù)據(jù)量大、速度快和觀測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在巷道工作面、頂板、底板及工作面富水構(gòu)造探測(cè)等方面發(fā)

揮了重要作用，并嘗試用于覆巖“三帶”的探測(cè)。

視電阻率測(cè)試方法的物理前提是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異。一般來說，在開采前，不同煤巖類型的電阻率也不同。開采過程中，當(dāng)巖體受拉伸或破碎時(shí)，顆粒間接觸松散，產(chǎn)生間隙，孔隙度增加，孔隙充填電阻率為無窮大的空氣，因而巖體的視電阻率升高。覆巖的這一電性特征是覆巖在煤層開采過程中力學(xué)性質(zhì)變化的結(jié)果。因而，通過比較煤巖采動(dòng)前后電阻率的變化，就可以探測(cè)到覆巖的裂隙發(fā)育情況。

2.1視電阻率的模塊試驗(yàn)

在配制模型材料時(shí)，適當(dāng)加入Nacl溶液可模擬不同電性特征的實(shí)際地層，而NaCl的濃度和模型的干燥時(shí)間都會(huì)影響模型的電阻率，為了確保物理模型能夠反映實(shí)際的地層情況，首先進(jìn)行了模塊實(shí)驗(yàn)，以確定合適的材料配比方案。

模塊大小為10cm×10cm，針對(duì)實(shí)際地層情況，共設(shè)置表土層到細(xì)粒砂巖共8組模塊，如圖4所示，每組模塊具有不同濃度的NaCl溶液，各層組分詳細(xì)配比見表2。

為了降低測(cè)量誤差，每組制作三塊相同模塊，測(cè)量求平均值。在不同時(shí)間段測(cè)量電阻率值，記錄不同時(shí)間段的電阻率變化，測(cè)量結(jié)果見表3。

由表3可見，NaCl溶液很好的控制了模塊的電阻率，經(jīng)過139小時(shí)的自然風(fēng)干后，模塊電阻率與預(yù)期電阻率相符，據(jù)此，表2配比能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖4　模塊實(shí)物圖

巖性沙子重量/kg碳酸鈣重量/kg石膏重量/kg水重量/kgNaCl溶液/%NaCl重量/kg期望電阻率/Ω.m表土層0.5460.0530.0110.0632.50.01710礫巖0.5360.0420.0320.0630.10.0007120粉砂巖0.5250.0420.0420.06320.01315細(xì)粒砂巖0.5250.0530.0210.0630.50.00340粉砂巖0.5250.0420.0320.06320.01315砂質(zhì)泥巖0.53550.05250.01050.06330.01984510煤0.5460.05250.01050.0630.150.00100890細(xì)粒砂巖0.5250.05250.0210.0630.50.00330840

表3　模塊電阻率測(cè)量結(jié)果

2.2相似模型視電阻率測(cè)試準(zhǔn)備

為了模擬覆巖破壞過程中電阻率的變化，相似模型不僅需要滿足與研究對(duì)象的幾何、容重、強(qiáng)度和彈模等力學(xué)性質(zhì)的相似條件，還要符合電性參數(shù)的物理相似準(zhǔn)則，即滿足式(1)。

(1)

式中：ρ1為某一固定層電阻率；ρs為實(shí)測(cè)視電阻率；M、N分別代表實(shí)際地層和模型，才能保證實(shí)驗(yàn)室條件下的模擬結(jié)果與現(xiàn)場相同。

在配制模型材料時(shí)，根據(jù)模塊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的配比方案，添加NaCl溶液。同時(shí)，在模型上表面中線位置設(shè)置30個(gè)測(cè)量電極，極距0.1m，采用高密度觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)模型覆巖破壞程度，共測(cè)量22組高密度視電阻率數(shù)據(jù)，從中選取典型時(shí)刻的視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析。

3相似模型試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5　回采過程中電阻率變化率等值線圖

圖6　回采過程中位移圖

根據(jù)表2可以看出，該工作面上方存在兩個(gè)薄基巖層，一個(gè)是距工作面頂板10m、厚46m的細(xì)粒砂巖層，另一個(gè)是距工作面頂板64m、厚58m的礫巖層。由于基巖層限制了裂隙的發(fā)育，在兩個(gè)薄基巖層的下方分別形成了拱形的導(dǎo)水裂縫帶和馬鞍形的導(dǎo)水裂縫帶。

當(dāng)工作面回采100m時(shí)(圖5(a))，有小裂隙發(fā)育至地表，裂隙第一次導(dǎo)通地表，地表發(fā)生彎曲下沉。導(dǎo)水裂縫帶上部發(fā)育至頂板上方的90m左右，進(jìn)入礫巖層；而導(dǎo)水裂縫帶下部初步形成兩邊高、中間底的“馬鞍形”的裂隙形態(tài)，發(fā)育范圍僅限于頂板上方的50m內(nèi)，位于細(xì)粒砂巖層內(nèi)。

工作面回采115m時(shí)(圖5(b))，導(dǎo)水裂縫帶上部發(fā)育至頂板上方的100m左右，向上擴(kuò)展了10m，但仍處于礫巖層內(nèi)；導(dǎo)水裂縫帶下部的“馬鞍形”也小幅度的向上發(fā)展，且工作面頂板上方的電阻率變化率也在增大，新的裂隙在產(chǎn)生。

工作面回采140m時(shí)(圖5(c))，由于礫巖層限制了導(dǎo)水裂縫帶上部的向上發(fā)育，導(dǎo)水裂縫帶的高度變化不大，依然處于礫巖層內(nèi)，導(dǎo)水裂縫帶繼續(xù)在水平方向擴(kuò)展；導(dǎo)水裂縫帶下部的“馬鞍形”的頂部由距頂板的40m向上發(fā)育至55m左右(圖6)。

工作面回采150m和160m時(shí)(圖5(d)與圖5(e))，導(dǎo)水裂縫帶的高度沒有變化，還位于礫巖層內(nèi)；導(dǎo)水裂縫帶下部的“馬鞍形”的頂部向上發(fā)展了20m，貫穿細(xì)粒砂巖層，薄基巖的貫通導(dǎo)致其上的粉砂巖層也隨之切落，導(dǎo)水裂縫帶直接擴(kuò)展過粉砂巖層，“馬鞍形”的頂部距頂板達(dá)的90m左右，已接近礫巖層。

當(dāng)工作面回采170m時(shí)(圖5(f))，礫巖層的薄基巖層發(fā)生破斷，導(dǎo)水裂縫帶瞬間發(fā)育至地表，上部松散層也隨基巖層下沉，地表形成臺(tái)階下沉(圖6)。同時(shí)由于淺埋深的特點(diǎn)，裂隙多次貫通地表，形成多個(gè)彼此獨(dú)立的裂隙發(fā)育區(qū)。

可以看出，在工作面的回采過程中，隨著覆巖裂隙的發(fā)育，視電阻率發(fā)生規(guī)律性的變化，通過視電阻率的變化來劃分覆巖破壞高度是可行的。在彎曲下沉帶內(nèi)，巖體的電阻率變化不大，在導(dǎo)水裂縫帶中，上部裂隙發(fā)育弱，電阻率值一般是正常值的1.5倍，下部裂隙發(fā)育，電阻率值是正常值的2.5倍左右；在垮落帶中，電阻率遠(yuǎn)比正常值大得多，會(huì)達(dá)到 4～5倍以上。針對(duì)本相似模型，可提出以電阻率變化率作為劃分“三帶”的標(biāo)準(zhǔn)，見式(2)。

(2)

因此，只要選擇合適的電阻率變化率值，通過電阻率變化率的分布情況，可以得到回采過程中覆巖裂隙的發(fā)育規(guī)律。

4結(jié)論

1)通過相似模型試驗(yàn)可以看出，運(yùn)用視電阻率法的物探技術(shù)手段，可以有效克服原生裂隙和覆巖完整性的影響，監(jiān)測(cè)到采動(dòng)裂隙的發(fā)育演化過程。

2)提出以電阻率變化率作為劃分覆巖變形破壞“三帶”的標(biāo)準(zhǔn)，可以有效避免模型風(fēng)干控制的不確定性和反演中的等值現(xiàn)象(多解性)等對(duì)反演電阻率結(jié)果的影響。

3)在淺埋深煤層的采動(dòng)過程中，上覆巖層導(dǎo)水裂縫帶的范圍持續(xù)向上方、前方擴(kuò)展，但裂隙在水平與垂直方向的發(fā)育具有不平衡性，薄基巖層明顯阻礙了裂隙向上的發(fā)育，水平方向的裂隙發(fā)育范圍明顯大于垂直方向。而一旦裂隙發(fā)育突破了基巖層，就會(huì)瞬間貫通該基巖層上方的附著巖層或地表。

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Analysis of mining-induced fractures evolution in overburden about shallow seam based on simulation model test

LIXiao-lu1，2，OUYANGZhen-hua1，2，LIShao-gang1，2

(1.MineSafetyTechnologyBranch，ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China；2.StateKeyLaboratoryofCoalResourceHigh-efficiency&CleanUtilization，

ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China)

Abstract:On the basis of similar model test，the feasibility which mining-induced fractures evolution in overburden about shallow seam could be inversed by apparent resistivity method was discussed.The electric parameter changes in overlying strata during the course of deformation and failure and the relation between it and mining-induced fractures are canalized.The results show that apparent resistivity method can detect mining-induced fractures evolution in overlying strata about shallow seam.The isoline map of change rate in electrical resistivity could give expression to fracture development，so it can be the new division standard of the three failured strata zones.During mining active process in shallow seam，the range of fractured-zone in overlying strata is extended upward and forward，but it is imbalance in horizontal and vertical direction.The horizontal range is obviously larger than vertical，because the propagation of fractures is impeded by the thin bedrock.But once the thin bedrock is broken through by fractures，the upper rock or surface is instantly transfixion.

Key words：shallow seam；apparent resistivity method；mining-induced fractures；change rate in electrical resistivity；similar model test

收稿日期：2015-06-17

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973) 項(xiàng)目資助 (編號(hào)：2012CB724208)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51174272；51404140)

作者簡介：李曉璐(1977-)，女，河北邯鄲人，副研究員。E-mail: lxl_bj@126.com。

中圖分類號(hào)：TD821

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)04-0072-05