水文地质工程地质 ２００６年第５期 导水裂隙带高度研究方法概述 王双美 （中国矿业大学资源学院，徐州 ２２１００８）
摘要：导水裂隙带高度的确定是水下采煤工作之重点，目前并没有一个完全可以精确确定的方法，主要的研究方法有经 验公式法、物理模拟、数值模拟和现场实测。单靠其中的一种也不能确定，将几种方法相互结合则是准确得到导水裂隙 带高度计算方法的重要途径。 关键词：导水裂隙带；经验公式；物理模拟；数值模拟；现场实测 中图分类号：Ｐ６４１．１３５；Ｐ６４２．２５２；Ｐ６４１．７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—３６６５（２ｏｏ６）Ｏ５—０１２６—０３
开采水体下面的煤炭，对国民经济和煤炭工业本 身的发展有着重要的意义。由于水体下压煤具有量 大、面广的特点，如果不予开采，不仅不能合理开发利 用资源，而且造成矿井开采技术上的困难。解放以前， 我国煤炭工业落后，水体压煤被大量丢弃，解放后，许 多煤矿开展了水体下采煤的生产实践和科学实验，成 功地在各种类型的水体下采出了大量煤炭，获得了一 些规律性认识，为发展煤炭工业积累了经验。而确定 防水煤（岩）柱尺寸、开采煤厚的重要参数——导水裂 隙带高度，则是水下采煤一系列工作中的重点。 目前，确定导水裂隙带的方法主要有两类：一类是 实际探测法；另一类是理论计算和经验公式计算法。 理论计算主要是建立在固体力学基础上的解析法和数 值法。经验公式计算法主要是在准确地分析判断矿区 覆岩结构类型的基础上，利用《建筑物、水体、铁路及主 要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的经验公式计算 得出导水裂隙带高度。２０世纪６０年代以前，对于导 水裂隙带高度的研究处于认识性阶段，只是定性地描 述与分析，进而利用经验法或类比法对导水裂隙带高 度进行初步预测；２０世纪８０年代至今，我国开展了许 多水体下采煤的专题性研究，对于导水裂隙带高度的 研究，将定性模型分析与数值、物理模拟、现场测试方 法相结合。 ｌ 经验公式 收稿日期：２ｏｏ５一ｏ９．１９；修订日期：２００６．０４—１０ 基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目 （２００２０４９ｌ００１） 作者简介：王双美（１９８０．），女，在读研究生，主要从事水文地质 和ＧＩＳ方面的研究。 Ｅ．ｍａｉｌ：ｗｓｍ８１Ｏ２１４＠１６３．ｃｏｍ 在由国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路 及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》一书中，根据煤 层的倾斜角度和煤层覆岩岩性分别列出了两种计算公 式。经验公式法概念明确，简单易求，但每个矿区的具 体地质条件、采矿条件、采煤方法皆不同，所以一般这 个经验公式得出的结果只能作为参考数据，需结合其 它方法来综合判定。 每个矿区可能会结合自己的采煤经验，获得简单 的经验公式，比如导水裂隙带是采厚的几倍即裂采比。 这种经验公式也只能作为一个参考。
２物理模拟 物理模拟，顾名思义就是用相似材料建立模型进 行模拟。这需要在开采煤层覆岩破坏的工程地质模型 研究基础上，结合矿区地质结构特点和已知的上覆岩 层的物理力学性质参数，用相似材料建立上覆岩层的 模拟模型。这个模型可以模拟开采煤层开采时的覆岩 破坏过程，覆岩破坏特征和规律，并且重点模拟在不同 覆岩特性、不同开采煤厚、断层活化时情况下的覆岩破 坏规律和高度，得到导水裂隙带发育高度及其计算方 法，与上述经验公式得到的结果对比，并结合下面方法 的研究结果，修正模型。 刘新河等在对申家庄矿导水裂隙带高度进行研究 时 ，采用相似材料模拟技术，以位于水体下的申家庄 矿２号矿体２２０１采区为原型建立了现场模型，模拟研 究岩层的导水裂隙带高度，模拟研究采场上方岩层的 移动、破坏规律，找出了导水裂隙带的位置。
３数值模拟 开采煤层上覆岩层的垮落过程实际上是一个渐进 破坏过程，具有一定的垮落规律。这个垮落规律可以
维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年第５期 水文地质工程地质 － １２７ · 用过程分析法来研究，也就是用一种有效的手段获取 覆岩垮落过程中的信息。由于监测手段的局限，现场 实测和物理模型都不能获取垮落过程中的足够信息。 而数值模拟则填补了这个不足，随着计算机技术的发 展，数值模拟成为了过程分析的有力手段。数值模拟 法主要包括有限元方法和离散元方法，有限元法是迄 今为止在应力和变形方面最为成熟的方法之一。 刘红元等在研究采动影响下覆岩垮落的动态发展 过程中 ，应用自行开发的岩层破断过程分析系统 （ＳＦＰＡ 。），模拟了开挖后岩梁悬露在重力作用下发生 离层、弯曲、沉降、端部和中部开裂直至冒落的全过程， 再现了采动影响下覆岩破坏的动态发展过程。并且为 了验证数值模拟的正确性，也做了相似材料模拟，两种 方法相比较，结果相似。 张明等在对山东兖州的田庄煤矿进行煤层开采上 限的研究时 ，根据已有资料及邻近矿井资料，用数值 模拟方法分析提出了覆岩开采破坏规律，提高了煤层 的开采上限。其用有限元法将研究的工作面的现有资 料与３个钻孔所取得的物理学性质测试成果结合起来 建立了该工作面的计算模型。计算过程中采用 Ｄｒｕｅｋｅｒ－ｐｒａｇｅｖ—ｃａｐ模式，根据钻孔取芯及试验指标选 取岩土体质量密度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、屈服 函数参数、帽硬化参数及帽初始位置等参数，并输入计 算机，逐步模拟开采。 近年来发展起来的快速拉格朗日分析（Ｆａｓｔ Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｔｉａｕａ，简称ＦＬＡＣ）法已被程序 化、实用化，其基本原理类同于离散单元法。新集矿将 此法应用于导水裂隙带高度预测中，取得了较为满意 的效果 ４现场实测 现场实测是确定导水裂隙带的主要途径，其他的 方法都是辅助手段。为了验证现场实测的结果，可以 结合物理模拟或者数值模拟的结果相比较，减少误差。 现场实测法主要有注水试验法、高密度电阻率法、超声 成像法、声波ＣＴ层析成像法等。 （１）注水试验法是采用钻孔双端封堵测漏装置 探测两带高度的一种较新的探测方法。它既可以在井 下采区附近巷道或峒室内向采煤工作面采空区上方打 小口仰孔中探测，也可以在观测煤层上方已掘进的专 用巷道内布置的下垂孔中进行探测 。９０年代中期， 山东科技大学与肥城矿业集团合作采用钻孔双端封堵 测漏装置，首次在井下垂孔中成功地探测了杨庄煤矿 ８６０８工作面上进行开采后的导水裂隙带发育高度。 其原理是：在井下施工仰斜钻孔，并在钻孔中分段封堵 注水测漏，利用漏水量的大小对应着岩层裂隙发育状 况的关系，探测覆岩破坏，研究覆岩破坏规律。随后在 鲍店煤矿、兴隆庄煤矿等矿区也得到成功应用。 （２）高密度电阻率法 理论基础是岩石的电阻率 差异，对于地下一定的岩体，采动以前电阻率是一个定 值。采动以后，由于岩石垮落，改变了原生结构构造， 同时温度和湿度也发生变化，从而电阻率发生了变化， 因此测量同一岩体在不同的时间内的电阻率变化，就 可能判断岩体的形变过程，确定煤层顶板裂隙带高度。 河北邢台矿业集团东庞矿２１０１采空区通过高密 度、高分辨电阻率法测试“三带”，共布置了４条剖面， ｌ２个测深点。通过对ｌｌ剖面采空区“三带”的物探预 测图的分析、视电阻率拟断面等直线分析，获得了三带 的高度 。 （３）超声成像法 是使用超声成像数控测井仪对 钻孔进行扫描，扫描获得的孔壁图像和曲线直接显示 和反映了覆岩破坏和裂隙发育情况，并可以判断导水 裂隙带发育高度。 淮南某矿区煤层开采后的导水裂隙带高度的确定 是以地面钻探为主，为了避免导高判定的不准确性，利 用超声成像技术进行了辅助探测，从得到的图像中可 清楚观测覆岩破坏带，避免了导高误判［６ｉ。 （４）声波ＣＴ层析成像法 技术是可以用人工激 发的声波，通过被检测介质的传播，利用传感器接收探 测数据，依据一定的物理和数学关系反演物体内部物 理量的分布，最后得到清晰的、不重叠的分布图像。由 于岩石的声波波速与岩石的物理力学性质有显著的相 关性，声波波速与岩石的抗压强度成正比，波速增高， 岩体强度增加，岩体完整性好；波速降低，岩体完整性 降低，因此，将声波走时层析成像的波速切面与地质剖 面进行对比，可得探测结果 。 例如在淮南孔集矿一２５０ｍ水平西二、西四采区Ａ 组煤试采过程中，ｌ９９８年３月和ｌ９９９年ｌ２月两次进 行声波ＣＴ探测试验，以探明Ａ组煤采后工作面顶板 岩层导水裂隙带高度和底板岩层破坏深度等情况 。
５ 小结 本文介绍了现阶段主要的得到导水裂隙带高度的 方法，无论是经验公式、物理模拟、数值模拟还是现场 实测，都不能单靠其中的一种来确定导水裂隙带高度， 正确的做法是将它们相互结合、相互补充、相互验证来
维普资讯 http://www.cqvip.com １２８· 水文地质工程地质 ２００６年第５期 获取更为可靠的导水裂隙带高度计算公式。 参考文献：
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Ａ ｂｒｉｅｆ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｐｅｒｍｅａｂｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｚｏｎｅ
ＷＡＮＧ Ｓｈｕａｎｇ－ｍｅｉ （Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＭｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１００８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ａ ｐｅｒｍｅａｂｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｚｏｎｅ ｉｓ ａｎ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｗａｔｅｒ ｂｏｄｉｅｓ． Ｕｎｔｉｌ ｒｅｃｅｎｔｌｙ，ｔｈｅｒｅ ａｌｅ ｎｏ ｐｒｅｃｉｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｅｎｔｉａｌ ｆｏｒｍｕｌａｓ，ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｉｅｌｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｏｎｌｙ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｃａｎｎｏｔ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｍｅａｂｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｚｏｎｅ．Ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｇａｉｎ ｅｘａｃｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｓ ａ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｕｓａｇｅ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍｅａｂｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｂｅｌｔ；ｅｘｐｅｒｉｅｎｔｉａｌ ｆｏｒｍｕｌａｅ；ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆｉｅｌｄ