当前国内外学者对导水裂隙带高度的研究做出了很多研究成果。曹始友等[1]采用并行电法对煤层顶板岩层破裂过程进行现场监测，分析垮落带和导水断裂带的动态发育规律。郝钢等[2]在理论分析的基础上，运用UDEC数值模拟软件，模拟了不同层间距上位煤层底板断裂带深度与下位煤层覆岩“两带”高度变化规律。徐祝贺等[3]采用自主研发的模拟试验平台开展多煤层开采覆岩破坏及其自我修复特征研究，并揭示了导水裂隙带高度与工作面宽深比、深厚比的关系，得到了导水裂隙带高度的预测公式。刘国建等[4]借助物理相似材料试验及UDEC数值模拟对浅埋薄基岩开采条件下工作面覆岩破断规律进行系统研究。冯超等[5]采用经验公式法、理论分析法、FLAC3D数值模拟法以及物理模拟法，分别预测了小保当井田2-2煤层采动条件下导水裂隙带发育高度并对其结果进行对比验证。以上作者运用理论计算、数值模拟以及现场实测等多个方面研究导水裂隙带高度。

本文旨在通过结合数值模拟和并行电法，系统地研究导水裂隙带的高度分布特征。运用数值模拟对顶板覆岩破坏进行研究[6-8],对比两种方法的结果，可以更全面地了解导水裂隙带的内部结构及其对采动的响应，为地下工程的可持续发展提供科学依据。这一综合研究对于提高煤矿开采效率、降低地质灾害风险具有深远的意义。

1、工程地质条件

230106工作面位于新集二矿二水平1煤组2301采区东翼，为第二个1上煤开采工作面。设计西起2301采区辅助运输上山，向东施工至1上煤80 m防水煤柱线，南邻230102工作面，阶段煤柱平均10 m.北至1上煤-680 m底板等高线，北部为1煤组未动用区。工作面设计标高-603.9～-683.2 m,可采走向长平均778 m,平均倾向长175 m.1煤、1上煤呈倾向NNE的单斜构造，倾向N16°W～N40°E,倾角2～14°,平均8°.老顶为中细砂岩，厚11.0～23.8 m;直接顶为中砂岩，厚16.4～35.9 m.

2、覆岩破坏规律数值模拟

2.1数值模型和力学参数

根据230106工作面采矿工程地质条件，采用FLAC3D数值计算软件建立数值计算模型见图1,该模型x向(走向)宽度360 m,模型y向(倾向)长度200 m,回采宽度100 m,工作面四周留设100 m的保护煤柱以消除边界效应的影响，沿煤层走向在100 m处开挖，开挖步距10 m,共开挖20步。根据工作面周边钻孔取芯资料，结合岩样岩石力学参数室内实验，确定数值模型各岩层的力学参数见表1.

2.2最大和最小主应力分布及演化特征

根据FLAC3D模拟软件介绍，在FLAC模拟中拉应力为正值，压应力为负值。其中最大和最小主应力云图的作用是判断是否存在拉应力和岩体发生拉伸破坏。从图2中的最大主应力分布云图可知，随着工作面从左向右推进，在覆岩岩体内产生了抛物线型的应力带，而在煤壁的前方和工作面后方产生一定的应力集中，推进40 m时最大主应力为0.83 MPa,推进80 m时为0.81 MPa,推进120 m时为1.08 MPa,推进160 m时为1.14 MPa,推进200 m时为1.86 MPa.随着推进深度的增加，最大主应力值呈上升趋势。在重复采动条件下，最大主应力的变化可能对导水裂隙带的形成和演化产生影响。

推进40 m时最小主应力为28.33 MPa,推进80 m时为29.27 MPa,推进120 m时为30.95 MPa,推进160 m时为32.99 MPa,推进200 m时为32.15 MPa.最小主应力值呈上升趋势，且在推进深度为160 m时有较大的增幅。

图1数值计算模型(单位：m)

表1煤岩体岩石力学参数

从图2的最大和最小主应力的分布云图中可知，随着推进深度的增加，采空区或者工作面两侧和上部出现应力集中的现象，从而出现覆岩发生剪切破坏、拉伸裂隙的现象。最大主应力和最小主应力的变化趋势可能导致导水裂隙带高度的变化。在重复采动条件下，最大和最小主应力的综合作用可能导致导水裂隙带高度的复杂演化。

2.3塑性区分布及演化过程

图3为工作面推进不同距离时模型中塑性区分布云图。随着工作面的推进，煤壁和直接顶出现了塑性区和塑性破坏区，顶板出现了少量的拉伸破坏区，大部分为剪切破坏区。初期工作面推进40 m,塑性区破坏高度11 m.这阶段以剪切破坏为主，塑性区破坏主要发生在工作面前沿，可能是由于初次开挖导致的应力集中和裂隙形成。工作面推进至80 m时，塑性破坏区高度增至22 m,塑性破坏区域扩展，表明开挖对地下结构产生了更大的影响，可能有更多的岩石受到剪切应力，出现更大范围的裂隙。开挖长度达到120 m,塑性破坏区高度增至40.1 m.破坏形态仍以剪切为主，且观察到拉伸破坏的增加，这可能与不同方向上的应力变化有关。随着开挖的持续，塑性破坏区域继续扩展，可能伴随岩体内部的断裂和塑性变形。工作面推进至140～160 m的过程中，覆岩中导裂带高度为46.3 m,在这个阶段，覆岩中出现导裂带，这可能是由于开挖引起的应力集中和岩石的断裂。导水裂隙带的形成可能对地下水的渗透性产生影响。随着工作面继续推进至180 m,塑性区高度突然增至51.5 m.这可能是由于一些不稳定性的地质过程，如断层活动或岩体崩塌，导致了地下结构的急剧变化。最终，工作面推进至200 m,覆岩的破坏高度达到52 m,且顶板整体破坏形状为马鞍形，马鞍形的整体破坏形状可能是由于工作面推进导致的局部结构变形，可能受到岩体内部裂隙分布和地质条件的影响。

3、现场井下实测

目前，现场实测的主要方法有钻孔冲洗液法、钻孔注压水法、钻孔声像法、震波CT法、瞬变电磁法及并行电阻率法等。其中，并行电阻率法具有测试工程施工简单、采集效率高、成本低、判定结果准确及动态效应强等特点。钻孔电法探测使用的仪器为并行电法仪，该仪器的最大优势在于任一电极供电，可在其余所有电极同时进行电位测量，可清楚地反映探测区域的自然电位、一次供电场电位的变化情况，采集数据效率比传统的高密度电法仪更高，是电法勘探技术的又一次飞跃，是国内率先使用的方法。

图2不同回采距离的最大和最小主应力分布云图

图3不同推进距离塑性分布云图

3.1钻孔设计参数及施工要求

根据1煤地质资料、巷道条件和观测时间要求，工作面导水裂隙带高度观测钻孔的观测位置宜设在工作面的风巷，与工作面采空区之间留设有合理宽度的隔离煤柱。在230106工作面风巷停采线附近F4点处，钻场向工作面采空区方向施工导高观测钻孔。监测断面位于巷道见方位置，主要是考虑“见方来压”现象，一般在见方位置处覆岩破坏最为严重，破坏高度最大。对230106工作面覆岩变形与破坏特征观测实施井下钻孔观测方式，可获得采前50 m、采中和采后50 m范围内的岩层变形规律及其特征。在井下工作面施工裂高监测孔2个，均位于风巷F4点附近钻场内，监测钻孔设在钻场内。在风巷F4点附近钻场内，共设计2个电法观测孔。各孔设计和实际参数如表2和表3所示。

表2监测断面钻孔设计参数

表3“两带”监测断面电法实际钻孔安装参数

3.2电法观测数据处理与分析

3.2.1垮落带发育高度分析

图4(a)为2022年2月18日工作面距离监测孔口168 m,从2月18日的电阻率结果来看，钻孔控制范围内岩层的视电阻率整体上较低，主要分布在800～1 000Ω·m的范围内。然而，钻孔顶部附近的整体视电阻率相对较高，经分析推测可能是由于在钻孔安装注浆过程中，钻孔顶部的浆液在凝固沉降后未能完全注实，从而导致钻孔顶部电极耦合较差。此外，钻孔其他部分的整体视电阻率特征与煤系地层中砂岩、细砂岩的视电阻率值特征相一致，进一步证明整体探测结果的可信性。

图4(b)为4月11日的电阻率观测结果图，当回采工作面距离孔口116 m时，在成果剖面图中标定的红色圈定区域显示出视电阻率值开始升高，达到2 500Ω·m.这表明在这个位置，受到采动应力超前影响，该区域的岩层出现了一定程度的破裂。这个电阻区域距离回采工作面水平距离约46 m,表示最大超前影响距离为46 m.

图4(c)为4月27日的电阻率观测结果图，回采工作面到孔口距离由77 m推进至62 m.回采工作面已经开始进入1号钻孔测线下方。在工作面回采的过程中，采动应力逐渐增大，导致顶板上方及前方岩体裂隙继续发育。在1号钻孔控制范围内，岩层电阻率值普遍上升，分布范围约为2 000Ω·m.

截至5月9日，回采工作面已将距监测孔口的距离推进至15 m,如图4(d)所示。在观测段内，回采工作基本完成，大部分顶板岩层位于采空区的上方。随着工作面的回采，采动应力的作用逐渐增大，导致采空区上方及前方岩体裂隙不断发育，表现出明显的破坏特征。特别是在煤层顶板垂高17 m以下的区域，电阻率呈现较高集中分布的情况，这表明在采空区形成一定步距后，应力集中导致了较大的破坏程度。顶板近煤层岩体出现冒落，垮落带充分发育，且顶部岩体位移量较大。相反，在垂高17 m以上的区域，电阻率值分布呈不均匀状态，显示出垮落带的发育特征。这些观测结果指示着在工作面回采过程中，岩体受到了明显的变形和破裂作用，尤其是在采空区的影响下，引发了顶板的垮落和岩体位移。

监测周期内，1号钻孔控制高度在17 m以下范围岩层视电阻率背景值为900Ω·m左右，经开采垮落后部分区域视电阻率值变为4 500Ω·m及以上，增高幅度为背景视电阻率值的5倍左右，为典型垮落带判定特征，由此判断监测周期内1号孔控制范围内煤层顶板垮落带发育高度为17 m.

3.2.2导水裂隙带发育高度分析

图5(a)为2月18日回采工作面距离2号监测孔孔口168 m电阻率结果图，工作面开采对钻孔控制范围内岩层的影响较低，该日结果可以作为整个探测的背景结果，后期探测结果可以根据2月18日结果进行对比分析，从而判断顶板覆岩破坏特征。从2月18日视电阻率结果可以看出，钻孔控制范围内岩层视电阻率整体阻值较低，大部分分布范围在800～1 000Ω·m,整体视电阻率特征符合煤系地层中砂岩、细砂岩视电阻率值特征，表明整体探测结果可信。

图4 1号孔电阻率变化图

图5(b)为4月17日观测电阻率结果图，回采工作面距离孔口97 m位置时，成果剖面图中红色圈定区域视电阻率值开始出现升高，达到2 500Ω·m,表明受采动应力超前影响，该部分区域岩层出现一定程度的破裂。该高阻区域距离回采工作面水平距离约52 m,即最大超前影响距为52 m.

从4月30日回采工作面到孔口距离48 m,回采工作面开始进入测线观测范围内。随着工作面的回采，采动应力影响逐渐加大，导致顶板上方及前方岩体裂隙不断扩展。在这过程中，采空区上方的一部分区域电阻率值显著升高，已初步呈现出电阻率分带的现象，如图5(c)所示。同时，随着工作面回采位置进入2号钻孔控制范围内，受到采动应力的影响，钻孔顶部岩层裂隙逐渐形成上下相连的特征。电阻率结果图显示，高阻特征逐渐向下发展，表明裂隙向下扩展，导水裂隙带逐渐形成。在竖向裂隙发育的同时，层间横向裂隙出现了二次发育现象，导致钻孔顶部较高电阻率值的范围扩大。同时，钻孔下部岩层的电阻率值在大范围区域内呈现上升趋势，表明受到采空的影响，底部岩层逐渐发生垮落，形成垮落带。

截至5月9日，回采工作面到孔口距离15 m.观测段已基本完成回采，钻孔内的电缆几乎完全受损，只有钻孔下部套管内的电极仍能正常供电。煤层顶板绝大部分岩层位于采空区上方。此时整个观测剖面主要呈现高电阻率值分布，部分区域的电阻率值明显上升，达到约4 500Ω·m.电阻率值展现明显的竖直条带状分布，如图5(d)所示。其中，由垂向裂隙发育导致的电阻率值块状特征明显，表明岩层在层间裂隙发育后，垂向裂隙持续发展导致岩层破坏，形成了明显的导水裂隙带等分带特征。

通过仔细观察图5的结果图，4月30日至5月9日，由于下部岩层的垮落影响，钻孔顶部岩层逐渐形成了导水裂隙带，其最大发育高度位于煤层顶板上方的56 m位置。电阻率结果图清晰展示了这一过程，在56 m以上的岩层中，视电阻率值与背景视电阻率值基本相似，暗示这些岩层基本上未受到明显的破坏。然而，与之相反，在56 m以下的范围内，岩层的视电阻率值呈现出2 000～4 500Ω·m的范围分布，并且显示出一定程度的向下延伸，形成了明显的条带状分布。特别值得注意的是在56 m位置，视电阻率值达到了2 000Ω·m,是该位置的背景视电阻率值1 000Ω·m的2倍。按照导水裂隙带的判定标准，即视电阻率值是背景值的2倍，可以明确导水裂隙带的最大发育高度为56 m.

图5 2号孔电阻率变化图

综上1号和2号观测孔的视电阻率结果分析，可以得出1号和2号观测孔电法监测成果基本一致，本次电法监测区域内顶板垮落带发育高度为17.0 m,顶板导水裂隙带最大发育高度为56 m.由1号孔视电阻率成果图得出，在4月11日回采工作面距离孔口116 m时，距离回采工作面水平距离约46 m处电阻率值开始升高；由2号孔视电阻率成果图得出，4月17日回采工作面距离孔口97 m时，距离回采工作面水平距离约52 m处电阻率值开始升高。综合得出该监测区域内1煤采动应力超前影响距最大为52 m.

4、结 语

1)通过数值模拟，得到了不同推进距离下的最大和最小主应力云图。

这些云图清晰地展示了地下结构受到的力学影响的空间分布。在最大主应力的云图中，观察到了明显的受力集中区域，而最小主应力的云图则反映了裂隙带的扩展方向。这些结果为导水裂隙带内部受力特征提供了直观的呈现。通过数值模拟的塑性区分析，成功地确定了导水裂隙带的最大高度为53.2 m.

2)并行电法的应用进一步印证了导水裂隙带的高度分布。

测量结果显示导水裂隙带内存在垮落带，其高度为17 m,垮采比为3.4.导水裂隙带的总高度测定为56 m,裂采比为11.2.探测结果与数值模拟的结果存在一定的一致性。孔内视电阻率法反演结果表明采动应力超前影响距在工作面距孔口97 m时最大，最大为52 m.此探测方法不仅为研究顶板“两带”高度确定了方法，同时为相似条件下煤矿开采覆岩破坏特征研究具有一定的参考价值。

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文章来源:赵江梅,李迎富,宋武.重复采动条件下导水裂隙带破坏高度研究[J].煤,2024,33(08):86-91.