高强度开采覆岩岩性及其裂隙特征

㊀第44卷第3期煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报Vol.44㊀No.3㊀㊀2019年3月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMar.㊀2019㊀移动阅读杨达明,郭文兵,谭毅,等.高强度开采覆岩岩性及其裂隙特征[J].煤炭学报,2019,44(3):786-795.doi:10.13225/ki.jccs.2018.6044YANG Daming,GUO Wenbing,TAN Yi,et al.Lithology and fissure characteristics of overburden in high-intensity min-ing[J].Journal of China Coal Society,2019,44(3):786-795.doi:10.13225/ki.jccs.2018.6044高强度开采覆岩岩性及其裂隙特征杨达明1,2,郭文兵1,2,谭㊀毅1,2,王玉喜3,马晓川4,李㊀壮4(1.河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作㊀454000;2.煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南焦作㊀454000;3.河南景惠科技有限公司,河南郑州㊀450000;4.鄂尔多斯昊华精煤有限责任公司高家梁煤矿,内蒙古鄂尔多斯㊀017000)摘㊀要:为分析高强度开采工作面覆岩岩性及其裂隙特征,以高家梁煤矿20313工作面为研究对象,分析了工作面顶板含水层赋存情况,通过试验获取了砂质泥岩顶板细观结构和矿物组分及物理力学性质,采用相似模拟试验㊁理论分析㊁CAN -II 大地电磁探测仪和现场调查综合分析了工作面开采后的覆岩破坏情况㊂结果表明:工作面顶板砂质泥岩随着与煤层距离的增大,颗粒间接触逐渐由点-点㊁点-面接触转变为线-面㊁面-面接触,且颗粒体积有增大趋势;由煤层至地表,抗拉(压)强度减小,断裂后接触面积更大,且遇水后颗粒体积膨胀,挤压颗粒间的孔隙,孔隙通道减小,降低宏观通水性;覆岩及地表裂缝以张开㊁闭合㊁压实的过程重复向前发展,虽然覆岩含水层及隔水层产生了破坏,但裂隙宽度较小,地表没有出现明显的塌陷裂隙;工作面开采后覆岩内会形成稳定的压力拱结构,覆岩破坏不会与地表裂隙贯通,地表潜水不会直接与井下工作面贯通㊂采动后工作面断层上盘侧岩层整体上破坏更严重;在断层下盘侧,虽然采动后CAN 型综合值云图内出现了较多环状闭合曲线,但仍有平滑层状曲线包裹,说明采动覆岩的连续性分布较好,岩层内裂隙发育程度低;20313工作面开采后地表多以细小拉伸或挤压裂缝为主,裂缝数量较少,基本上所有裂缝经历了 张开 扩展 闭合 完整发育过程,裂缝发育周期最长的为15d ,最短为7d ;裂缝宽度最大为6．3cm ,台阶落差最大为8．7cm ,地表植被生长及分布情况与开采前基本一样,说明工作面开采的安全性及地表生态基本不受影响㊂高强度开采覆岩裂隙发育特征得到了大量理论与试验研究,物探法是开展覆岩裂隙现场探测最方便㊁快捷的手段,提高物探仪器对覆岩裂隙探测的敏感度及物探结果解释的准确度是物探法探测覆岩破坏得以推广的技术前提㊂关键词:保水采煤(保水开采);浅埋煤层;覆岩破坏;大地电磁探测中图分类号:TD823㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0253-9993(2019)03-0786-10收稿日期:2018-12-03㊀㊀修回日期:2018-12-19㊀㊀责任编辑:常明然㊀㊀基金项目:国家自然科学基金资助项目(51774111);河南省科技创新杰出人才基金资助项目(184200510003)㊀㊀作者简介:杨达明(1992 ),男,河南新乡人,博士研究生㊂E -mail:438328609@qq．comLithology and fissure characteristics of overburden in high-intensity miningYANG Daming 1,2,GUO Wenbing 1,2,TAN Yi 1,2,WANG Yuxi 3,MA Xiaochuan 4,LI Zhuang 4(1.School of Energy Science and Engineering ,Henan Polytechnic University ,Jiaozuo ㊀454000,China ;2.Synergism Innovative Center of Coal Safety Produc-tion in Henan Province ,Jiaozuo ㊀454000,China ;3.Henan Jing Hui Science and Technology Ltd ,Zhengzhou ㊀450000,China ;4.Gaojialiang Coal Mine ,Or-dos Haohua Clean Coal Co.,Ltd.,Ordos ㊀017000,China )Abstract :To analyze the lithology and fracture characteristics of overburden in high-intensity mining face,focusing on20313working face in Gaojialiang Coal Mine,The distribution of roof aquifers were analyzed.The microstructure,mineral composition,physical and mechanical properties of sandy mudstone were obtained by experiments.Physical test,theoreti-第3期杨达明等:高强度开采覆岩岩性及其裂隙特征cal analysis,magnetotelluric detection and field survey were used to analyze the overburden failure.The results show that with the increase of the distance from the coal seam to the sand mudstone of the working face,the contact between parti-cles gradually changes from point-point and point-surface contact to line-surface and surface-surface contact,and the vol-ume of particles tends to increase.From the coal seam to surface,the tensile(compressive)strength decreases,the con-tact area after fracture is larger,and the volume of particles expands after water encounters,the pore space between parti-cles is squeezed,the pore passage is reduced,and the macroscopic water permeability is reduced.Overburden and surface fissures develop repeatedly in the process of opening,closing and compacting.Although overburden aquifers and imper-meable layers have been damaged,the width of fissures is small,and there are no obvious collapse fissures on the sur-face.After mining,a stable pressure arch structure will be formed in overburden.Rock fissures will not connect with sur-face and the surface water will not directly connect with underground working face.The destruction of strata on the side of the upper wall of fault is more serious.On the lower side of the fault,although there are many circular closure curves in the nephogram of CAN,there are still smooth layered curves wrapped up,which indicates that the continuous distribu-tion of mining overburden is good and the development degree of cracks in the strata is low.After mining in20313work-ing face,most of the surface cracks are mainly tension or compression cracks,and the cracks is few.All cracks have un-dergone a complete development process of opening-expanding-closing .The longest development period is15days,the shortest is7days;the largest crack width is6.3cm,and the largest step drop height is8.7cm.The growth and distribu-tion of surface vegetation are basically the same as before mining,which indicates that the safety of mining and surface e-cology are not affected.A large number of theoretical and experimental studies have been carried out on the development characteristics of overburden fissures in high-intensity mining.Geophysical prospecting is the most convenient and fast method to detect the in-situ overburden fissures.Improvement on the sensitivity of geophysical instruments to overburden fissures detection and the accuracy of interpretation of prospecting results are the technical prerequisites for the populari-zation of geophysical prospecting to detect overburden fracture.Key words:water-preserved coal mining;shallow seam;overburden fracture;magnetotelluric exploration㊀㊀我国西部煤炭开采工作面由于开采厚度大㊁煤层埋藏浅㊁采矿地质条件简单㊁工作面推进速度快等特点,造成覆岩破坏更剧烈,破坏高度大,导水裂隙带常与地表裂缝贯通等[1],同时由于西部生态环境脆弱,开采造成的地表及地下水流失会对地表植被及井下开采安全造成严重威胁[2-3]㊂针对上述问题,范立民首次提出了 保水采煤 的概念[4];其后,大量学者根据保水采煤的科学内涵开展了一些列的理论研究和工程实践[5-9]㊂黄庆享针对保水开采岩层控制分析了覆岩 上行裂隙 和 下行裂隙 的发育规律,并提出了隔水岩组隔水性判据[10];马立强针对目前充填保水采煤方法存在的充填时间和充填空间不足,采煤与充填作用协调困难等问题,提出了 采充并行 式充填保水采煤方法[11];李文平分析了N2红土层的物理-水理-力学性质,发现N2红土隔水性能受采动破坏后,具有良好的自我恢复功能,丰富了保水采煤技术体系[12];在工程实践方面,王双明㊁黄庆享㊁范立民等提出了基于含水层结构保护的充填开采㊁窄条带开采㊁限高(分层)开采㊁短壁开采等 因地制宜 的技术方法[13-15]㊂保水采煤技术主要为通过抑制导水裂隙带发育高度,保护含水层结构的稳定或短暂失稳后造成的水位下降在一定时间后能恢复不影响其供水能力的范围[16]㊂由于西部矿区多为高强度开采工作面,充填开采㊁条带开采㊁限高开采等技术方法会严重影响工作面正常生产;因此部分学者对开采覆岩裂隙发育及扩展规律进行了大量研究㊂王新丰提出了覆岩裂隙场存在卸压失稳㊁张裂破坏㊁萎缩变小㊁弥合封闭的时空演变过程[17]㊂贾后省通过相似模拟实验及现场实测分析了浅埋工作面纵向贯通裂隙的孕育㊁张开㊁闭合及压实规律[18]㊂笔者通过对典型高强度开采矿区高家梁煤矿工程地质条件分析,实验测定了工作面顶板覆岩的微观结构及宏观力学性质;通过物理实验及理论分析,研究了工作面覆岩裂隙及结构特征;采用大地电磁,对覆岩破坏进行了探测,同时结合工作面地表裂缝发育特征,综合分析了高家梁煤矿覆岩岩性与裂隙特征㊂1㊀采矿及水文地质条件高家梁煤矿位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗,矿区地表植被稀疏,为半荒漠地区,生态环境脆弱,地787煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2019年第44卷表海拔标高为+1435~+1503m㊂井田内赋存多层侏罗系煤层,共见可采煤层6层,目前主采2-2上和2-2中煤层㊂所选研究工作面为20313工作面,该工作面主采2-2中煤层,其上2-2上煤层未回采,平均煤层厚度4．0m,煤层倾角1．5ʎ,为近水平煤层,埋深149~205m,平均177m㊂根据地面钻孔勘探资料,高家梁煤矿2-2中上方地层由老至新发育有:侏罗系中下统延安组㊁侏罗系中统直罗组和安定组㊁白垩系下统泾川组和东胜组㊁第三系上新统和第四系全新统;其中,2-2中煤层位于侏罗系中下统延安组,工作面顶板以砂质泥岩与砂岩互层为主㊂图1㊀20313工作面覆岩含(隔)水层情况Fig．1㊀Characteristics of aquifer and impermeable layer of20313working face高家梁煤矿井田内无水库㊁湖泊等地表水体,但地表水系较发育,沟谷纵横,无常年地表径流,只有在雨季大雨过后形成短暂洪流㊂覆岩含(隔)水层情况如图1所示;根据地下水的水力性质及赋存条件,地下水可划分为松散岩类孔隙潜水含水岩组和碎屑岩类孔隙㊁裂隙承压水含水岩组㊂潜水主要赋存于黄土㊁砂土㊁冲洪积砂砾石㊁风积沙等,主要补给来源为大气降水,因大气降水补给量较小,补给条件较差,与下部承压水含水层水力联系较小㊂承压水含水层从白垩系志丹群顶部至侏罗系中下统延安组2煤组顶板泥岩,含水层岩性以砂岩为主,富水性弱,径流条件不良,在沟谷边缘地段转为潜水㊂2-2中煤层顶板隔水层主要以灰色砂质泥岩为主,隔水性较好㊂工作面开采对松散层内宝贵的水资源及覆岩内承压水含水层产生严重影响,破坏生态环境㊁威胁生产安全㊂2㊀覆岩微观结构及物理力学性质由于鄂尔多斯南部浅埋煤系岩层形成时期较晚,造成其微观结构㊁组分及宏观力学性质与东部矿井煤系岩层不同;通过实验获取砂质泥岩顶板微观结构和矿物组分及物理力学性质,分析砂质泥岩顶板采动裂隙特征㊂2．1㊀微观结构分析试验样品分别取自2-2上煤层与2-2中煤层间隔岩层砂质泥岩(称为试样1)㊁2-2上煤层顶板上方10m (侏罗系延安组)㊁50m (侏罗系直罗组)㊁70m (侏罗系安定组)㊁90m (白垩系泾川组)㊁110m(白垩系东胜组)和130m(第三系上新统)处砂质泥岩(分别称为试样2~7),各岩样取样位置㊁特征及埋深如图1所示;采用JSM -6510LV 高低真空扫描电子显微镜(SEM)对各试样分别放大1000,2000,5000倍进行分析;部分放大1000倍的电镜扫描照片如图2所示㊂试样1,2微观结构及矿物组分相似㊂微观结构中高岭石呈管状㊁叠层状,叠加定向排列,常分布于长石颗粒表面,其形成与长石分解溶蚀具有密切关系,并发育完美晶形;绿泥石板片状集合体交织常附着于颗粒表面构成栉壳式薄膜,绒球状集合体常充填于粒间孔隙中㊂试样3,4均为含有黏土矿物的岩石,微观结构相似;其伊/蒙混层矿物在岩石中颗粒表面呈片状㊁定向分布;高岭石多晶形较好,呈蠕虫状㊁书页状,薄膜式胶结的绿泥石较发育,多包绕在碎屑颗粒周围形成孔隙衬边㊂矿物组分中试样3绿泥石较多㊁伊利石较少㊂试样5微结构中伊利石多呈碎晶形不完整,轮廓圆滑清晰,略具定向性;绿泥石主要呈片状或薄板状,厚度较大,晶体边缘不平直;伊/蒙混层表现为边缘模糊的半透明叶片或鳞片状㊂试样中伊利石㊁绿泥石和伊/蒙混层矿物含量较高,缺少高岭石,极少见蒙脱石㊂试样6微观结构中伊利石有的呈弯曲片状和条状㊁晶形不完整㊁轮廓圆滑㊁略具定向性,以薄膜㊁衬边形式分布于颗粒表面;有的呈毛发状㊁细丝状㊁蜂窝状,以孔隙充填形式存在,偶见与蒙脱石相伴㊂砂岩中绿泥石有的呈片状或薄板状,晶体边缘不平直,呈花朵状㊂试样中伊利石㊁绿泥石含量较高,含少量蒙脱石和高岭石㊂887第3期杨达明等:高强度开采覆岩岩性及其裂隙特征图2㊀砂质泥岩的电镜扫描图Fig．2㊀Electron microscopic scanning of sandy mudstone㊀㊀试样7岩石中含有大量的黏土矿物,伊/蒙混层矿物在岩石颗粒表面呈片状㊁定向分布,局部有溶蚀空洞发育,高岭石和伊利石充填于岩石颗粒的微裂隙中㊂含有大量遇水膨胀黏土矿物,次要矿物有伊利石㊁高岭石和绿泥石等矿物㊂2．2㊀物理力学性质岩石试件取样位置与电镜扫描取样位置相同,试件为整齐的圆柱体,直径为54mm,采用MTS815．03电液伺服岩石试验系统对上述试样分别进行物理力学性质测试,所测得试件的物理力学参数见表1㊂表1㊀砂质泥岩顶板物理力学参数Table 1㊀Physical and mechanical parameters ofsandy mudstone试样密度/(g㊃cm -3)弹性模量/GPa 泊松比抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa 12．461．5900．1214．371．4922．381．5700．1213．671．1132．341．4500．1012．920．7942．290．9600．1011．480．7552．240．6750．0911．050．7162．180．6300．0911．460．6572．120．6100．0810．810．64㊀㊀由图3可知,不同地层组处砂质泥岩的单轴抗压强度相差不大,基本位于10~14MPa,但随着深度的增加,砂质泥岩的单轴抗压强度有增大的趋势㊂图3㊀砂质泥岩抗压强度与埋深的关系曲线Fig．3㊀Curve of relationship between compressive strengthof sandy mudstone and depth如图4所示㊂由图可知,在地表110m 以上,砂质泥岩的单轴抗拉强度相差不大,基本位于0．6~0．8MPa,在地表110m 以下时,随着距地表深度的增加,砂质泥岩的单轴抗拉强度有增大的趋势㊂图4㊀砂质泥岩抗拉强度与埋深的关系曲线Fig．4㊀Curve of relationship between tensile strength of sandymudstone and depth987煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2019年第44卷2．3㊀微观结构及矿物成分对宏观力学性能的影响通过将上述测试结果进行对比,发现岩体微观结构㊁矿物成分对其宏观物理力学性能具有较大的影响㊂一般来说,岩体微观结构中点接触为不稳定接触,在外力作用下容易发生变形;而线接触㊁凹凸接触和缝合接触均为稳定接触,很难发生变形㊂胶结物的成分是影响单元体连接强度的重要因素,一般认为硅质胶结物的连接强度最高,钙质胶结物次之,泥质胶结物最差;从胶结类型看,基底胶结的胶结程度最高,孔隙胶结次之,镶嵌胶结和接触胶结最差㊂通过对比不同层位的砂质泥岩细观结构㊁矿物组分及物理力学性质,得到以下认识:(1)随着与煤层距离的增大,岩石颗粒表面逐渐由片状㊁定向分布,转变为薄板状㊁条带状或毛发状,非定向分布;颗粒间接触逐渐由点-点㊁点-面接触转变为线-面㊁面-面接触,且颗粒体积有增大趋势;颗粒间空隙逐渐由绒球状集合体充填转变为无充填,再转变为局部有溶蚀空洞发育;伊/蒙混层的含量减小,伊利石和蒙脱石含量增大㊂(2)砂质泥岩的物理力学参数普遍较小,并随着与煤层距离的增大而减小,由煤层至地表,砂质泥岩更易破断,断裂块度变小,断裂后接触面积更大,且遇水后颗粒体积膨胀,挤压颗粒间的孔隙,孔隙通道减小,使宏观通水性降低,有利于工作面安全保水开采㊂3㊀保水开采的含(隔)水层结构破坏特征3．1㊀相似模拟实验为掌握20313工作面开采含(隔)水层结构破坏规律,以实际采矿地质条件为基础进行相似模拟实验㊂实验采用二维相似模拟实验台,模型长㊁高分别为4．0和194．2m,根据相似模拟定律㊁实验台尺寸与现场开采条件,设计几何相似比为0．01,容重相似比为0．6;模拟材料以砂子云母为骨料,以石膏㊁碳酸钙为胶结物,根据岩层试件的抗压强度,选取合理配比㊂模型左右边界各留50cm 煤柱(实际50m,为便于分析,文中以下描述均采用几何相似比换算后的实际尺寸),20313工作面实际开采速度约为15m /d,模型开挖速度为15cm /2．4h,尽量呈现工作面实际开采过程㊂当工作面推进至45m 时,顶板发生初次垮落,同时上覆岩层开始出现明显离层;随着工作面的推进,覆岩破坏继续向上发展㊂当工作面推进至150m 时(图5(a)),此时覆岩内的裂隙包括采空区边界裂图5㊀工作面覆岩及地表裂隙发育特征Fig．5㊀Development characteristics of overburden and surface cracks in working face97第3期杨达明等:高强度开采覆岩岩性及其裂隙特征隙和采空区内的裂隙,采空区边界裂隙宽度约为0．3m;采空区内裂隙和离层裂隙贯通,宽度约为0．2m,地表存在的明显的拉伸裂缝,宽度约为0．1m,覆岩破断角约为70ʎ;当工作面推进至165m 时(图5(b)),工作面前段的地表裂缝开始闭合,宽度小于0．1m,覆岩裂隙向工作面前方发展传递,原覆岩裂隙闭合㊂当工作面推进至180m(图5(c)),原地表裂缝开始闭合,且在前方出现新的裂缝,宽度约为0．1mm;当推进至195m 时(图5(d)),原地表裂缝完全闭合,新发育地表裂缝扩展增大,采空区后方的覆岩裂隙进一步弥合㊂㊀㊀实验模型一共开挖了300m,覆岩及地表裂缝以张开㊁闭合㊁压实的过程重复向前发展,总体上覆岩含水层及顶板隔水层产生了一定程度破坏,但导通裂隙宽度较小,地表没有出现明显的塌陷裂隙㊂由于覆岩主要以砂质泥岩和细粒砂岩交互层存在,岩层总体强度较低;砂质泥岩以载荷层形式作用于下部硬岩层,硬岩层破断后,由于软弱岩层压实作用,裂隙最终闭合,有效降低了裂隙岩体的通水性㊂3．2㊀理论分析采用压力拱理论分析工作面开采后的覆岩破坏情况㊂近水平煤层开采下,工作面长度方向上压力拱基本呈对称形态,覆岩内应力拱轴线位于工作面覆岩弯曲带和采场周围未失稳煤岩体中,拱壳存在于尚未断裂的覆岩中,拱高一般大于采动覆岩裂隙发育的最大高度㊂为便于分析,取工作面长度方向平面压力拱结构模型进行分析,如图6所示,其中压力拱的拱高为h ,跨度为b ,工作面长度为l ,煤层厚为m㊂图6㊀工作面长度方向压力拱结构模型Fig．6㊀Pressure arch structure model along width of panel将压力拱简化为三铰拱结构,取左半侧进行分析,如图7所示;拱上作用有垂直的均布载荷q ,拱顶作用有右半拱OB 段对左半拱OA 段水平切向支撑力T ,A 点作用有支点水平反力P 及垂直反力N ,假设三铰拱为稳定的无弯矩状态㊂左半侧OA 段拱在各种力的作用下处于平衡状态,根据体系平衡可得:图7㊀压力拱受力分析简化图Fig．7㊀Simplified force diagram of pressure archðF x =0ðF y =0ðM =0ìîí(1)N =qb /2(2)P =T (3)h =qb 28T(4)㊀㊀压力拱处于极限平衡状态时在拱脚处的水平反力P 由垂直反力N 产生的摩擦力平衡,即P =Nf(5)式中,f 为岩体的坚固性系数,或称为似摩擦因数㊂由式(3),(5)得到T =Nf(6)㊀㊀为保证拱在水平方向有足够的稳定性,须使T <P ,即T <Nf ,取安全系数为2,即2T =Nf (7)㊀㊀取拱轴线上任意一点(x ,y ),由几何关系,得到压力拱的轴线方程:y =-4h b2x 2+4h b x (8)㊀㊀工作面煤壁裂隙滑移面与采空区下部煤壁侧间的夹角为θ,由主动岩体压力理论得:θ=45ʎ-φ2(9)式中,φ为上覆岩层体的内摩擦角㊂压力拱跨度b 和高度h 分别可表示为b =l +2a =l +2m tan (45ʎ-φ/2)(10)h =l +2m tan (45ʎ-φ/2)2f(11)式中,H 为煤层埋深㊂大量研究表明工作面开采后基岩的破断移动区呈倒漏斗型[19],而压力拱形态通常呈抛物线形或椭圆形,与实际呈现的倒漏斗型不完全相符㊂高家梁煤矿20313工作面顶板主要以软弱砂质泥岩和相对较硬的砂岩互层为主,而砂岩层对上覆泥岩层的变形和197煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2019年第44卷破坏起控制作用㊂当压力拱发育至硬岩层时,硬岩层会对压力拱形态产生影响,若硬岩层不破断,则压力拱拱顶位于关键层下部附近或位于关键层内的平顶状拱;若硬岩层破断失稳,基于该岩层断裂失稳位置会重新向上起拱,至形成稳定的压力拱结构或覆岩破坏发育到地表时为止,如图8所示㊂图8㊀硬岩层对压力拱结构演化影响Fig．8㊀Influence of hard rock strata on the evolution ofpressure arch structure根据20313工作面实测地表移动数据,工作面最大下沉值为w =2．45m;认为煤层开采后垮落带岩层垮落碎胀充填采空区,地表与裂隙带及弯曲下沉带岩层协同下沉;采厚m =4．0m,Δm =m -w ,垮落带岩层碎胀系数k 取1．1,计算得到垮落带高度约为H k =(m -w )/(k -1)=15．5m,发育至厚12．1m 砂质泥岩位置(图9中序号5)㊂图9㊀20313工作面钻孔柱状图Fig．9㊀Borehole columnar section of 20313working face20313工作面长度为300．5m,根据工作面煤层覆岩物理力学参数,取覆岩的坚固性系数为1．3,覆岩的内摩擦角加权平均值为30ʎ;基于垮落带顶部位置计算压力拱高度,覆岩破断角为70ʎ,压力拱2对应的等效采厚Δm =1．55m;根据几何关系由覆岩破断角计算得到裂隙带底部岩层在工作面长度方向上的垮落范围l 1=289．2m,计算得到压力拱2拱高h 2=111．9m,煤层埋深约177m;因此,工作面开采后覆岩会形成稳定的压力拱结构,覆岩破坏不会与地表裂隙贯通,地表潜水不会直接与井下工作面贯通㊂3．3㊀覆岩破坏大地电磁探测3．3．1㊀探测原理及方案设计大地电磁法是以天然电磁场为场源来研究地球内部电性结构的电磁法勘探技术㊂本次采用CAN -II 型便携大地电磁探测仪(图10),其上一代CAN -I 型仪器已成功用于覆岩破坏探测[20]㊂升级的CAN -II 型仪器在硬件设计上采用能采集微弱信号的新型传感器,将接收到反应岩层密度㊁电阻率㊁孔隙率㊁胶结程度等性质的各类信号和场源信号变化信息,利用试验测试数据形成的模型,通过加权复合叠加成综合数值,并正演成连续曲线,软件处理时,针对曲线幅值㊁均匀度㊁平温度㊁疏密程度㊁幅值变化幅度等要素进行对比识别,利用大量测试数据和分析处理软件,反演成岩层剖面[21-22]㊂图10㊀CAN -II 型大地电磁探测仪Fig．10㊀CAN -Ⅱmagnetotelluric instrument结合20313工作面地形及开采计划,在地表设置A,B,C 三条大地电磁观测线,其中B,C 线垂直于工作面走向方向,A 线位于采空区走向的中心且平行工作面的推进方向,设置探测点的间距为10m㊂2018-05-02进行了首次观测,5月5日工作面开始生产调试,8月5日对A,B,C 三条线进行了复测,此时该区域下方煤炭已采出㊂20313工作面大地电磁探测点布置如图11所示㊂3．3．2㊀探测结果分析从上述3条探测线中选取B 线开采前后的CAN 型综合值剖面云图进行分析(图12),0~400m 分别对应测点B1~B41㊂297第3期杨达明等:高强度开采覆岩岩性及其裂隙特征图11㊀20313工作面大地电磁探测点布置Fig．11㊀Magnetotelluric measuring point layout in panel20313首先将工作面综合柱状与开采前CAN型综合值云图(图12(a))进行对比分析,由钻孔柱状煤层埋深约177m,对应图12(a)中相应埋深位置有横向黄色带状区域,且该区域被上下两条连续曲线夹持,说明该区域即为煤层位置,上下连续曲线区域即为煤层顶底板位置㊂通过对煤岩层走势观察,在145~165m区域煤岩层走势突然向上,且越靠近地表,等值线越密集且出现很多团状等值线,在该位置岩层更破碎;判断此处为一正断层,通过对比工作面回采地质图得到证实㊂在高程1395~1430m区域I,II,III 位置,存在3个较大的团状曲线,该区域岩层稳定性较差,各区域之间存在破碎带㊂水平165~400m,对应高程1405~1455m区域内岩层完整性显著优于0~165m岩层㊂总体上:①高程1305~1375m岩层完整性较好,靠近地表的岩层约70m范围内岩层完整性差,对照工作面综合柱状图,该范围内以新生界岩层为主;②断层上盘侧岩层较下盘侧稳定性差㊂图12㊀工作面开采前后CAN型综合值云图Fig．12㊀CAN-type comprehensive value cloud map before and after working face mining㊀㊀图12(b)为工作面开采后CAN型综合值云图,对比采前探测结果,等值线密度增大㊁闭合现象明显增多,说明采后岩层的完整性遭到破坏;总体上断层上盘侧岩层破坏较下盘侧更为严重,其中区域I,II,III位置曲线云图变化最为明显,说明开采后该区域岩层塌陷严重㊂自煤层顶板至高程1405m范围内,由下到上曲线云图的密度和闭合现象减少,说明靠近煤层的岩层破坏更严重,与实际采动覆岩破坏规律一致㊂在断层下盘侧,高程1405~1465m,曲线基本以平滑层状分布为主,说明该区域岩层破坏程度小;397。