摘 要

为全面获取采动煤层底板破坏演化及层次性特征，采用钻孔注水试验法（ 点）、钻孔窥视法（点）、钻孔分布式光纤监测法（线）、瞬变电磁法（面）4 种方法，构建了煤层底板全空间点-线-面协同监测模式；根据煤层底板采动破坏程度，从裂隙导水性、拉伸剪切应变、采动岩层物性多参量角度，将将传统的“下三带”中的煤层底板采动导水破坏带划分为导水裂隙带、应力应变带、物性差异带；以平朔矿区9 煤工作面为实测对象，监测获取了采动煤层底板全空间、动静态、多层次变形破坏特征。研究结果表明：点-线-面多参量协同监测方法在监测空间上可实现点线面动静结合监测，在监测内容上可满足直接或间接获取裂隙发育特征、导水性、应变变形以及物性等多参量的要求。钻孔注水试验法和钻孔窥视法为直接监测裂隙发育特征的方法，获取的导水破坏带高度为21.75ｍ；采用钻孔分布式光纤监测法可动态监测裂隙发育特征，分析得出在工作面推进至钻孔附近，底板局部岩体出现拉伸破坏，工作面推过钻孔一段距离，底板岩体拉伸程度继续增大、但破坏深度基本保持稳定，实测得出应力应变带高度为25.15ｍ；采用瞬变电磁法可对比获取采前、采后底板岩体物性变化特征，分析得出物性差异带高度为22～27ｍ，较好地验证了底板采动破坏层次性划分特征。

研究背景

我国中东部浅部煤炭资源日益枯竭，伴随开采深度逐渐增加，煤炭资源的安全开采受奥陶系灰岩水威胁日趋严重。煤层开采导致底板局部岩体发生塑性变形而丧失阻隔水能力，煤层底板破坏深度是带压开采评价以及奥灰水害治理层位确定的重要内容。近年来，国内学者针对煤层底板破坏深度监测开展了大量研究。朱术云、段宏飞等采用应力应变传感器对煤层底板破坏深度进行了实测研究；张平卿采用“一发双收”探头进行了底板破坏深度的超声波探测；孙建等统计了煤层采动过程中底板岩体的微震事件，研究指出倾斜工作面煤层底板呈“勺形”破坏形态；刘超等通过微震监测得出底板岩体破裂事件主要集中在超前支承压力增大区和采空区应力低值区；刘志新等提出了环工作面电磁法观测系统，用于监测工作面底板突水危险性；宋文成等采用双端封堵测漏装置对底板破坏深度进行了探测；王莹等通过对比采动前后覆岩电阻率变化，研究覆岩破坏特征；笔者等综合采用钻孔漏失量观测法和钻孔窥视法对覆岩破坏高度进行监测；王厚柱等采用直流电法对近距离煤层重复采动底板破坏深度进行监测，监测的下行开采过程中采空区下的煤层底板破坏深度小于预计值；王朋朋等借助微震监测和承压水水位监测数据，为研究底板突水危险性提供新途径；有文献针对不同地质采矿条件采用微震方法对底板破坏深度、裂隙演化进行了监测。综合分析，国内外学者针对煤层底板破坏、底板突水危险性进行了较为全面的监测，但是多为一种或两种手段进行监测，监测内容相对较为单一。从煤矿水害的精细化研究角度出发，距离煤层底板距离不同，采动破坏程度也存在较大差异，不仅底板采动导水裂隙能够诱发水害事故，甚至产生微小裂隙甚至应力变化底板岩体也极易导通隐伏构造，从而诱发底板突水事故。目前，关于该方面的研究相对较少。

为此，基于底板钻孔注水试验、钻孔窥视、光纤感知测试和瞬变电磁4种方法的基本原理与特点，提出了点-线-面全空间多参量协同监测模式，并对煤层底板采动扰动破坏程度进行重新划分，结合现场工程实测案例进行了验证。

内容概要

1 全空间多参量协同监测模型的构建

1.1 监测方法基本原理

1.1.1 钻孔注水试验法

图1 双端堵水器结构示意

1.1.2 钻孔窥视法

钻孔窥视法是将自带光源的防水高清摄像探头放入已施工的底板钻孔，逐段捕获钻孔中不同深度的地质构造、裂隙发育、水位等全景图片和视频，从而为底板采动破坏裂隙演化特征和发育深度定量化确定提供直观的图像信息和资料。

1.1.3 钻孔分布式光纤监测法

钻孔分布式光纤监测法主要采用基于布里渊散射原理分布式光纤感测技术来实现底板岩层变形监测。

1.1.4 瞬变电磁法

瞬变电磁法是探测介质电阻率的一种方法，从而获取底板裂隙发育特征。

1.2 全空间多参量协同监测思路

１）监测空间上实现点-线-面、动静结合监测。

２）监测内容上实现直接或间接获取裂隙发育等多参量特征。

1.3 全空间多参量协同监测模式

图2 底板破坏深度全空间多参量协同监测模式

图3 点-线-面全空间多参量监测布置方式

2 基于全空间多参量监测采动煤层底板破坏的层次性划分

图4 煤层底板受采动影响分带模型

3 全空间多参量协同监测方案

图5 监测钻场布置示意

4 全空间多参量监测效果分析

4.1 注水试验和钻孔窥视法

图6 110工作面注水量监测变化

4.2 分布式光纤监测

图7 光纤监测孔设计示意

图8 应变曲线和岩层柱状图对应示意

4.3 瞬变电磁法

图9 110工作面9煤200号和400号测点采前和采后视电阻率剖面对比

4.4 协同监测综合分析

图10 110工作面底板采动扰动破坏层次性分带实测

结 论

１）分析了钻孔注水试验法、钻孔窥视法、光纤感知测试技术、瞬变电磁法的基本原理和特性，从“点-线-面”、动静结合以及多参量指标依据的角度，构建了采动煤层底板破坏深度全空间多参量协同监测模式。

２）分别从导水裂隙发育特征、底板应力应变特征、物性差异特征进行分析，根据煤层底板采动破坏程度将煤层底板受采动影响岩层按层次性特征，划分为导水裂隙带、应力应变带和物性差异带。

３）以平朔9煤某工作面为实测对象，分析得出该工作面导水破坏带为21.75ｍ、应力应变带为25.15ｍ、物性差异带为22～27ｍ，较好地验证了底板采动破坏层次性划分特征。

引用格式

张玉军，张风达，张志巍，等.采动煤层底板层次性破坏特征全空间多参量协同监测［J］.煤炭科学技术,2022,50（2）：86-94.

ZHANG Yujun，ZHANG Fengda，ZHANG Zhiwei，et al.Full-space multi-parameter cooperative monitoring of failure hierarchy characteristics of mining coal seam floor［J］.Coal Science and Technology，2022，50（2）：86-94.

来源：煤炭科学技术丨初编：煤小青

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