从矿井防治水角度出发,确定煤层开采顶板导水裂隙带高度、底板破坏带深度,是留设顶板安全防水煤柱、判断底板突水的基础,具有重要的意义。划定顶板导水裂隙带、底板破坏带,不同的研究方法所选的依据不同。
(1)透水性能
矿压影响下,顶板导水裂隙带、底板破坏带为降低甚至丧失原有阻水能力的岩层带,渗透性增加。钻孔注水试验是顶板导水裂隙带、底板破坏带的直接观测方法,得到广泛的应用,也被认为是准确性较高的试验方法。其由地面注水发展至井下、仰斜孔,均通过冲洗液消耗量来确定顶板导水裂隙带、底板破坏带,实际应用中,对浆液的漏失量无统一、严格的定量限制,以钻孔漏失量突变(增大)为依据,划分带。
(2)采动诱发裂隙密度与规模
顶板导水裂隙带、底板破坏带岩体透水性增强,根本原因在于岩体中产生的采动裂隙,破坏了原岩连续性,形成贯通的裂隙网络,为地下水的渗透提供空隙。观察顶、底板岩体在采前、采后的裂隙分布,依据采动裂隙的分布情况,可直接划分顶板导水裂隙带、底板破坏带。近年来,钻孔摄影技术也被用于采动裂隙观察。用于划分顶板导水裂隙带、底板破坏带的采动裂隙密度(裂隙率)、规模亦无统一的定量标准。
(3)岩层位移
20世纪70～80年代,我国广泛开展了顶板导水裂隙带、底板破坏带的实际观测,较多的采用了钻孔岩移观测方法,以垂向、横向位移在空间上的变化为分带依据。开滦范各庄矿(1964)在进行钻孔岩移观测试验的同时,在部分钻孔中进行注水试验,通过分析漏失量与岩移数据关系,确定导水裂隙带最大高度对应的岩移量,以垂向位移达到10mm/m划分导水隙带。
(4)破裂岩体的物理性质
地球物理勘探技术也被应用顶板导水裂隙带、底板破坏带探测,如矿井直流电法、地质雷达、瞬变电磁、瑞雷波仪、高分辨地震、微地震监测等,近年来,新型复合勘探技术还有钻孔声波测量、钻孔无线电波透视技术、钻孔电磁波层析技术(CT)、钻孔声波CT层析成像技术、形变-电阻测深等。其分带以裂隙岩体的物理性质变化为依据,间接确定分带。
观测实践中,应用上述依据均可实现对顶板导水裂隙带、底板破坏带的划分；但对顶板导水裂隙带、底板破坏带的实践观测,却没有给我们带来划分依据的定量标准。
近年来,各种数值模拟技术在岩土力学中有长足的发展和广泛的应用。数值模拟具有节约资金、费时少、灵活、可用于预测等特点,也被引入采矿理论和煤矿开采围岩破坏分带的研究中,取得了不少突破性进展。
通过数值模拟,可获得采动影响下采场围岩的多重特性,主要包括塑性区、应力、位移、应变等,划分顶板导水裂隙带、底板破坏带的依据也就有了多选性,依据指标的有效性与合理定量决定着划分结果的准确性。
笔者对各依据有效性的认识如下：
(1)塑性区,为围岩中岩体的破坏区。破坏的岩体往往其渗透性增强,阻水能力下降但也不具备必然性。如自然界岩体破坏带——断层,具有阻水断层与导水断层之分(图2.11)。可见,由于破坏裂隙可能封闭、也可能开启,塑性区难以与顶板导水裂隙带、底板破坏带吻合。
图2.11 导水断层与隔水断层
Fig.2.11 Water conductive fault and Water blocking fault
(2)应力,岩体的渗透系数与应力有关,如陶振宇等(1988)根据大量破碎岩层各种深度中进行钻孔注水试验的资料,总结出了应力状态对渗透系数影响的经验公式：
煤层开采顶板导水裂隙带高度预测理论与方法
式中：k0为地表渗透系数；γ为覆盖层的平均容重；H为覆盖层的厚度；P为孔隙水压力；α为系数(取决于岩石的断裂特性)。
渗透系数与应力的关系,以应力作用下岩体破坏裂隙的张开、扩展为纽带。而岩体的破坏不仅取决于应力,还取决于岩体的强度,即应力集中程度既难以全面反岩体裂隙程度,更不能反映出岩体阻水性降低,难以依其划分顶板导水裂隙带、底板破坏带。
(3)位移与应变,工作面开采后,围岩的裂隙主要为顺层裂隙、垂层裂隙(图2.12)。顺层或垂层方向的位移差或应变,特别是拉伸应变,可以反映出裂隙的张开度,依据其空间变化,可以用于划分裂隙带发育、渗透性增强的顶板裂隙带与底板破坏带。体积应变(扩容)可以同时反映出垂层裂隙与顺层裂隙空间,能否及如何将其作为更为适宜的顶板裂隙带与底板破坏带划分依据,需要进一步深入研究。
图2.12 覆岩裂隙发育特征
Fig.2.12 Covering rock fracture development characteristics
