基于钻孔成像技术与数值模拟的“两带”高度研究

于钟博，刘延欣，武宇亮，王 建

（1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.兖州煤业股份有限公司 鲍店煤矿，山东 邹城 273500）

为了探究兖州矿区厚松散层薄基岩地质条件下浅部采区提高开采上限，转换防水煤岩柱为防砂煤岩柱，进行了大量的研究[1-3]，并获得了相应的研究成果。确定“两带”高度即垮落带和导水断裂带高度，是探究提高开采上限的重要方面，确定“两带”高度的方法主要有经验公式方法、相似模拟方法、数值模拟方法和现场实测方法等[4-8]。随着最近几年钻孔成像技术在顶板岩层测试中的普及和不断推广，大量研究验证了钻孔成像完全可以胜任对矿区地质条件的调查[9-13]，并有王川婴等通过钻孔成像技术，以孔壁岩体的破碎程度为依据，建立了孔壁岩体完整性指数RMDI[14]，李卫明等基于钻孔摄像技术对水平孔节理裂隙发育特征进行了研究[15]。也为钻孔成像技术在地下工程中的应用可靠性提供了相应的验证。通过钻孔成像技术对兖州矿区某矿井“两带”高度进行现场实测，并通过数值模拟技术进行模拟，二者得到的结果进行对比分析，对钻孔成像技术得到的结果进行验证。

1 研究区概况

测试钻孔平面位置示意图如图1。测试钻孔L17位于6311-1工作面内，该面位于-430水平六采区南部，是六采区3煤层第12个区段工作面。西起工作面切眼，距六采南部轨道巷886 m；东至工作面设计停采线，距六采南部轨道巷50 m；工作面轨道巷北距六采区北部回风上山50 m，距已回采完毕的6312工作面停采线和正在回采的6305工作面设计停采线193 m；工作面南部靠近煤层风氧化带及鲍家厂背斜核部。

图1 测试钻孔平面位置示意图

该工作面上覆基岩厚度为39～67 m，为提高开采上限工作面，回采的煤层为3煤，分层开采，一分层采厚3.0 m；3煤，黑色，厚8.28～9.01 m，平均 8.51 m，上部以亮煤为主，下部以暗煤为主，属半暗半亮型煤，煤层厚度稳定，具条带状结构，层状构造。工作面煤层总体呈一单斜构造，面内小型次级宽缓褶曲较发育，煤层走向为 40°～90°～120°，倾向为 130°～0°～30°，煤层倾角为 4°～17°，平均 11°。煤层最低点位于工作面轨道巷中部，设计停采线西407 m处。最高点位于工作面轨道巷设计停采西66 m处。

工作面煤层总体呈一单斜构造，属鲍家厂背斜的北翼，面内小型次级宽缓褶曲较发育，中、西部发育一次级宽缓向斜构造，轴向60°，向北东方向倾伏。工作面东部发育一次级宽缓背斜构造，轴向23°，向北东方向倾伏。

6311-1工作面3煤顶板基岩以砂岩和泥岩为主，二者交互成层，这种硬岩软岩交互成层的组合结构对于裂隙发育起到一定的抑制作用，并且对垂直方向上的充水砂源起到一定的阻隔作用。

6311-1工作面附近第四系下组平均厚度21.9 m，自上而下划分为上段含水层、上段隔水层和下段含水层（简称“底含”）。在6311-1工作面区域内，第四系下组底含厚度发育变化较大约为17.0～26.8 m，平均约21.9 m。以细砂、砂砾或含砾粗砂为主，垂向发育较连续，是下组地层主要含水层段。通过对研究区域下组的岩性及组合结构分析和钻孔抽水资料，认为：6311-1工作面附近第四系下组存在1层较稳定的含水层（简称“底含”），工作面范围内第四系几乎无底黏分布；工作面区域第四系下组底含是6311-1工作面开采的主要充水（砂）源。

2 钻孔成像测试结果与分析

2.1 基本原理

导水断裂带高度计算公式为：

式中：HL为导水断裂带高度，m；H为煤层顶板距离地面垂深，m；hL为断裂带上限位置距离地面垂深，m。

垮落带高度计算公式为：

式中：Hm为垮落带高度，m；H为煤层顶板距离地面垂深，m；hm为垮落带上限位置距离地面垂深，m。

2.2 测试结果

初始设备深度调整读数为0 m，传感器从钻孔平台孔口开始往钻孔中输送，平台高度约0.4 m，根据钻孔成像自动记录深度，接触套管与基岩时的记录深度约209.622 m，结合钻探套管实际埋设深度206 m。然后从209.622 m开始摄像头基本匀速缓慢向下进行录像，得到了一系列不同深度孔壁的变形和破坏图像。经过现场3次套管下不同深度孔壁围岩的钻孔成像，然后在室内通过对不同深度视频的截屏对比分析，可得到不同深度相关孔壁岩性变形破坏特征，导水断裂带高度实测示意图如图2，垮落带高度实测示意图如图3。

图2 导水断裂带高度实测示意图

2.3 测试结果分析

根据6311-1工作面底板等高线分布及L17孔所在位置，可初步获得该孔3煤层顶板埋深约243.8 m。通过对图2和图3的综合对比分析，该孔位置上部基岩原生裂隙较发育，但没有发现滴淋水现象。导水断裂带顶部高度在成像显示孔深约225.083 m，垮落带顶部高度在成像显示孔深约在237.441 m。考虑钻机平台高度0.4 m，实际套管长度206 m。以实际套管长度为基准经过校核与计算，可得该孔导水断裂带高度顶部埋深221.2 m，垮落带高度顶部埋深233.4 m。结合式（1）和式（2）可分别计算出受到采动影响的导水断裂带高度约为22.6 m，垮落带高度约为10.4 m。

图3 垮落带高度实测示意图

3 数值模拟

3.1 工程地质模型

根据6311-1工作面的地质条件，选用FLAC3D数值模拟软件进行模拟，以6311-1工作面及其邻近钻孔揭露的顶底板煤岩层为地质背景，根据岩性的不同，将基岩划分为底含、细砂岩、粉细砂岩互层、泥岩和3煤等5个工程地质岩组，整体结构划分为10层，并建立二维工程地质层序结构模型（图4）。

图4 工程地质模型

工程地质模型规格为400 m×300 m，模型高为114 m，煤层厚度为10 m，开采厚度为3 m，煤层顶板高度为68 m，覆岩压力以补偿荷载进行等效替代。根据计算模型的实际赋存条件，计算模型的边界条件设定为：

1）上部顶面边界条件：与上覆岩层的重力有关。为了研究的方便，载荷的分布形式简化为均布载荷，上部边界条件为应力边界条件，即上覆的岩层重力，约为5.6 MPa。

2）下部底面边界条件：本模型的下部边界条件为底板，简化为位移边界条件，在y方向可以运动，x方向为固定铰支座。

3）前后、左右两侧面边界条件：本模型的两侧边界条件均为实体岩体，简化为位移边界条件，在y方向可以运动，x方向为固定铰支座。

3.2 数值模拟结果与分析

根据6311-1工作面的设计方案，结合顶底板岩层的相关力学参数建立数值模拟模型，模型仅开采3煤顶部3 m，模型采用任意四边形单元，共划分为30 400个单元，32 760个节点，数值模拟模型图如图5。

图5 数值模拟模型图

通过FLAC3D数值分析软件模拟3煤上分层开采3 m的过程，观察煤层顶板的塑性区变化特征，来确定导水断裂带和垮落带的高度发育情况。

6311-1工作面上分层开采后的沿走向和倾向方向上的塑性区分布示意图如图6。根据矿山压力理论，煤层开采后自煤层顶板由下而上，依次发育拉伸破坏区、拉伸裂隙区、剪切破坏区和未破坏区域。塑性区主要类型为剪切屈服，出现在采空区两端的支撑煤壁处，采空区中部的煤层顶板出现局部拉张屈服。从工作面3煤采后的顶板变形情况的模拟结果看，不管沿走向和倾向剖面，工作面中段顶板主要发生拉张屈服破坏，两端为剪切破坏，工作面走向、倾向方向顶板的破坏区均呈马鞍形，破坏高度最大部位在切眼及停采线附近。上述顶板采动后塑性区形态及最大发育位置的分布特点符合顶板采动应力的分布规律：工作面顶板剪切屈服区分别出现在开切眼和停采线的斜上方和斜下方，其原因是这些部位是应力集中的部位。

图6 塑性区分布示意图

根据图6的塑性区分布图，可以划分出数值模拟得到的垮落带和导水断裂带的高度。结合模型和网格划分的单元尺寸的大小可知，垮落带高度约为9.0 m，导水断裂带高度约为 24.0 m。

4 结论

1）通过钻孔成像方法实测6311-1工作面的垮落带高度和导水断裂带高度范围，得到该工作面导水断裂带高度约为22.6 m，垮落带高度约为10.4 m。

2）通过6311-1工作面的地质和钻孔资料，建立了6311-1工作面的工程地质模型和数值模拟模型，运用FLAC3D软件对该工作面上分层开采进行了数值模拟，根据模拟结果对垮落带和导水断裂带高度进行了分析，得到垮落带高度为9.0 m，导水断裂带高度为 24.0 m。

3）对比钻孔成像和数值模拟方法，确定了该钻孔位置3煤上分层开采顶板导水断裂带高度约为24.0 m，垮落带高度约为 10.4 m。