Research on the integrated electric exploration system for coal mines and its application
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摘要: 为解决现有煤矿电法探测技术存在的电测深、电剖面、电透视需分多次施工且采集数据量少等方面的不足, 借鉴并行电法数据采集思路, 应用“矩形波型”电极布置方式结合“多装置数据提取”技术, 设计一种电法集成勘探系统。实验结果表明：应用该系统可一次布线、一轮供电完成电测深、电剖面、电透视等多种电法施工方式的原始数据采集工作, 提取出多种电法工作方法和装置类型的测量数据, 综合处理得到多种地电场的三维勘探结果, 同时相同施工条件下多种成果相互对比, 提高物探成果解析的精细度和可靠性。研究成果对现有的传统直流电法、高密度电法、并行电法、电透视法等电法技术取长补短、融合创新、集成应用, 实现工作面煤岩层富水性的高效、精细、立体探测。Abstract: In order to overcome the shortcomings of the existing electrical prospecting technology in coal mines, such as multiple construction of electrical sounding, electrical profile and electrical penetration and a scarcity of data collected, an integrated electrical prospecting system is successfully designed, absorbing the idea of parallel electrical data acquisition, and applying the "rectangular wave" electrode layout mode combined with the "multi device data extraction" technology. The experimental results show that the system can complete the original data acquisition of electrical sounding, electrical profile, electrical perspective and other electrical construction methods with one-time wiring and one-round power supply, and extract the measurement data of various electrical methods and device types. After a comprehensive process, the 3D exploration results of various geoelectric fields are obtained. At the same time, results under the same construction conditions are compared with each other to improve the precision and reliability of the analysis of geophysical exploration results. The existing electrical methods such as traditional direct current method, high-density method, parallel method and electric perspective method should be integrated to complement each other in an innovative manner, so as to realize efficient, fine and three-dimensional detection of water bearing capacity of coal and rock strata in the working face.
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2021年，《煤炭工业“十四五”科技发展指导意见》中明确指出了我国煤炭行业未来重点领域核心技术攻关包括“采掘工作面顶板水害精细控制疏水治理技术等”[1]。据不完全统计，自2000年至今，煤矿突水事故频发，突水事故高达800多起，死亡人数高达
4000 多人，经济损失高达400多亿元人民币[2-3]。顶板导水裂隙是工作面回采产生的主要导水通道[4]，因此，进行顶板“两带”(垮落带和导水裂隙带)高度探测对于煤炭资源安全高效生产具有重要意义。近年来，国内外专家学者采用钻孔电窥视法、分布式光纤监测、钻孔冲洗液漏失量、声发射等多种技术手段对顶板“两带”发育特征进行了大量的实测研究[5-9]，取得了丰硕的成果。其中，刘英锋等[10]采用钻孔窥视观测和水文观测探测了深埋特厚煤层综放开采的顶板导水裂隙带高度，并结合室内实验等方法分析了导水裂隙带演化特征，发现工作面回采时，顶板导水裂隙带高度呈台阶形发育。郭小铭等[11]依据工作面涌水量数据，研究导水裂隙带高度随工作面长度和采高不同的变化规律，提出“采前背景条件探查、采中水位动态监测、采后综合测试”的煤层开采全过程导水裂隙带高度综合实测方法。Lai Xingping等[12]采用物理模型试验模拟分析了强冲击下的“两带”高度，采用钻孔窥视观测了模型回采期间裂隙的发育特征，同时采用声发射监测佐证了钻孔窥视的结果。
随着我国煤炭生产重心进一步向西北部地区转移，煤层开采高度和强度逐渐增加，工程地质条件愈加复杂[13-14]。尤其是作为我国煤炭“应急保障”的新疆基地准南煤田，煤层分布广泛且厚度多大于20 m[15-16]，因此，巨厚煤层开采条件下顶板“两带”发育和覆岩破断特征研究对于该区域矿井水害防治具有重要作用。
田成东[17]采用数值模拟和室内试验，对巨厚煤层开采覆岩破坏规律进行了分析，发现煤层采高较大时，其自由空间大，垮落带岩块受垮落时冲击作用会发生二次破断。马莲净等[18]分析了辽宁老虎台矿特厚煤层分层综放开采覆岩破坏规律，发现与坚硬、中硬覆岩相比，软弱覆岩条件下巨厚煤层综放开采 “两带”发育范围小。崔峰等[19]采用物理模型实验，结合钻孔电窥视、微震监测与数值模拟相结合的方法，分析了覆岩裂隙的分布特征与“两带”发育规律，结果表明：重复采动条件下覆岩内的裂隙数量基本随深度呈递增趋势。朱伟等[20]对山西潞安矿区的“两带”进行了实测，认为相较于综放开采，分层开采的裂隙带高度显著降低，通过增加分层层数，可以有效降低导水裂隙带最终高度。来兴平等[21]采用FLAC 有限元软件研究了特厚煤层相邻工作面开采覆岩运移规律，发现采空区覆岩随工作面回采呈现“增大−稳定”的拱形破坏。
以往的研究多针对巨厚煤层开采条件下顶板“两带”发育特征，而针对分层开采条件下顶板“两带”实测鲜有涉及。由于准南煤田煤炭资源禀赋，且其巨厚煤层上方存在一层可采煤层，采用下行式开采方式[22-23]。因此，进行该区域“两带”实测和覆岩破断特征研究对于该区域和相似开采条件矿井煤炭资源安全高效开采具有极其重要的作用和意义。
笔者以新疆准南煤田硫磺沟煤矿(9-15)08工作面为背景，采用钻孔水文观测、钻孔电窥视等方法，实测分层开采条件下覆岩“两带”发育特征，通过数值模拟，分析巨厚煤层分层开采覆岩运移及破断特征，探究巨厚煤层分层开采覆岩结构模式，以期为新疆基地准南煤田巨厚煤层开采及相似矿井的回采设计提供指导和依据，为巨厚煤层开采条件下防治水设计提供技术支撑。
1 矿井概况及探测钻孔布置
硫磺沟煤矿位于新疆昌吉市，其含煤地层为侏罗系中统西山窑组，主采4-5煤和9-15煤，煤层开采顺序采用下行式开采，开采深度为300~978 m[24]。其中，4-5煤平均厚度为6.8 m，开采方式为综采放顶煤开采，9-15煤平均厚度为31.5 m，开采方法为分层放顶煤开采，共计3个分层。9-15煤底板以粉砂岩、泥岩为主，两煤层中间岩层以粉砂岩、泥岩为主，4-5煤顶板以粉砂岩为主。以(9-15)08工作面为例，其走向长
1713.2 m，采用“刀把式”工作面布置，里段面倾向长130 m，外段面斜长165 m[25]。该工作面位于(4-5)02、(4-5)06工作面采空区下部，其中—后段布置了(9-15)06工作面回采9-15煤上分层，采高为16.8 m。研究区各工作面平面位置如图1所示。![]()
图 1 研究区钻孔布置及其对应覆岩条件Figure 1. Borehole arrangement and corresponding overburden in the Liuhuanggou Coal Mine in Xinjiang为进一步研究(9-15)08工作面开采过程中“两带”发育结果，在研究区不同位置布置4处“两带”地面探查钻孔，采用钻孔冲洗液漏失量观测、钻孔水位观测和钻孔电窥视技术进行“两带”探查。根据(9-15)08工作面采高及上覆采空区情况，(9-15)08工作面回采期间可分为3个阶段，如图1a所示，分述如下。
阶段Ⅰ：该阶段主要为(9-15)08工作面分层开采0~544 m范围，平均采高为26.7 m，9-15煤工作面上方无大面积4-5煤工作面采空区，如图1b所示。其中，D1孔布置在距切眼267 m，轨道巷内侧10 m处。
阶段Ⅱ：该阶段主要为(9-15)08工作面分层开采544~700 m范围，平均采高为26.7 m，此时，工作面回采进入(4-5)02工作面采空区下方，且4-5煤采高为6.8 m，如图1c所示。其中，D2孔布置在距切眼660 m，轨道巷内侧10 m处。
阶段Ⅲ：该阶段主要为(9-15)08工作面分层开采700 m至终采线，采高为12.5 m。(9-15)08工作面位于(4-5)02工作面采空区和(9-15)06工作面采空区下方，覆岩包含两层工作面采空区。此时，(9-15)06工作面已经开采了9-15煤上分层，采高为16.8 m。在该阶段布置了D3和D4孔，其中，D3孔位于4-5煤和9-15煤采空区范围内，而D4孔布置在(9-15)08工作面外侧，用于探测4-5煤回采后9-15煤上分层开采的导水裂隙带发育高度，如图1d和图1e所示。
2 顶板覆岩导水裂隙带探测
2.1 钻孔水位埋深及冲洗液漏失量观测
根据各探查钻孔在回采期间钻孔水位及冲洗液漏失量观测结果，分述如下。
由图2可知，当D1孔深小于114 m时，冲洗液漏失量为0~2.9 m3/(h·m)，水位埋深小于15 m，表明该区段没有受到采动影响产生裂隙。钻孔深度大于114 m时，漏失量突然上升至16.9 m3/(h·m)，水位降至孔底，在孔深为114~153 m时，水位和漏失量变化发生异常，表明钻孔钻进至该区域时，进入导水裂隙带范围。此外，结合钻孔电窥视结果表明：在该深度范围内，垂向裂隙和斜向裂隙发育，且随着孔深增加，裂隙数量增加。
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图 2 D1钻孔水位埋深及冲洗液漏失量观测结果Figure 2. Observed groundwater level depth and drilling fluid leakage in borehole D1当深度为253.8 m时，冲洗液全漏失，且有倒吸现象，表明在该层位存在离层空腔。当钻孔深度达268.82 m后，水位下降速度加快，该区域岩性为中粒砂岩，岩体较破碎。当钻孔深度至272 m时，钻孔冲洗液不返水。结合钻孔电窥视结果发现：在272.2~272.8 m时，岩层下沉且裂隙极其发育，岩体间裂隙宽度大，横向贯通裂隙多，表明钻孔钻进至该区域时进入工作面垮落带。
导水裂隙带及垮落带的高度分别按下式计算：
$$ {H_{\mathrm{w}}} = H - {h_1} $$ (1) $$ {H_{\mathrm{k}}} = H - {h_2} $$ (2) 依据式(1)和式(2)计算了D1孔9-15煤导水裂隙带及垮落带高度，分别为320和161 m，则裂采比和垮采比分别为11.98和6.02。
结合图3中D2孔的探测结果可知：D2孔孔深小于137 m时，水位埋深基本稳定在45 m，孔深超过137.65 m时，水位突降至孔底，且漏失量大幅增加，结合电窥视结果来看，在137.6~138.2 m孔段有多条斜向裂隙发育，岩块较为破碎。钻孔施工至291.47 m深度时，孔内观测不到水位，冲洗液全漏失，不返水，岩心破碎程度高，呈短柱状或碎块状，同时钻孔电窥视显示，在孔深296.8~297.4 m岩石破碎严重，深度297.2 m处有岩块缺失。结合2个结果，最终确定钻孔在137.65 m深度进入导水裂隙带，291.47 m深度进入垮落带。计算可知：D2孔9-15煤导水裂隙带高度为290.35 m，垮落带高度为136.35 m。
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图 3 D2钻孔水位埋深及冲洗液漏失量观测结果Figure 3. Observed groundwater level depth and drilling fluid leakage in borehole D2由图4可知，D4孔水位突变点孔深分别为70.58、112.67、181.79和244.91 m。其中，当孔深为70.58 m时，水位急剧下降后恢复，表明该区域为原生裂隙发育。当孔深为112.67 m时，水位降低后保持稳定，漏失量增加。而孔深大于181.79 m时，漏失量阶段性增大，水位降至孔底，岩心发育斜向裂隙，钻孔电窥视结果表明该深度范围内斜向裂隙发育，且随着深度增加，裂隙数量逐渐增加，表明D4孔钻至181.79 m深度时进入导水裂隙带。当D4孔钻至289 m时，冲洗液全漏失，且无水位，岩心多为短柱状，结合钻孔电窥视发现：岩石破碎严重，裂隙宽度较大，有缺心现象，表明深度为289 m时进入工作面垮落带。据此，计算可得D4孔导水裂隙带高度为213.21 m，垮落带高度为107 m。
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图 4 D4钻孔水位埋深及冲洗液漏失量观测结果Figure 4. Observed groundwater level depth and drilling fluid leakage in borehole D4由于D3孔揭露4-5煤和9-15煤采空区，在施工时发现D3钻孔冲洗液漏失量呈阶梯状增长。D3孔水位埋深及冲洗液漏失量观测结果如图5所示。孔深为0~117 m，冲洗液漏失量稳定，水位逐渐降低。局部天然裂隙发育使得漏失量突然增大，随后恢复。孔深为117.68~225.00 m时，漏失量主要在5~15 m3/(h·m)波动，钻进至120.06 m深度漏失量突增，水位降至孔底，131 m深度冲洗液全漏失，判断进入导水裂隙带。
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图 5 D3钻孔水位及冲洗液漏失量观测结果Figure 5. Observed groundwater level depth and drilling fluid leakage in borehole D3在D3孔钻进至170 m附近时冲洗液全漏失，水位小幅下降，结合D4孔探测结果来看，此处为9-15煤下分层导水裂隙带顶端，如图5所示。当孔深为225~263 m时，漏失量增至10~18 m3/(h·m)，水位降至孔底以上0~10 m，此时受9-15煤上分层开采影响，覆岩裂隙较为发育。其中，D3孔孔深至263.5 m处，水位降至孔底，继续钻进观测不到水位，判断为9-15煤钻至垮落带顶部。据此计算可得D3孔导水裂隙带高度为269.94 m，垮落带高度为125.50 m。
2.2 钻孔观测结果
根据上述探查孔探查结果，各钻孔9-15煤的裂采比和垮采比计算见表1。
表 1 钻孔导水裂隙带及垮落带高度探查结果Table 1. Borehole-revealed heights of hydraulically conductive fracture and caving zones孔号 08工作面采高/m 采空区高度/m 总采高/m 9-15煤采高/m 距4-5煤距离/m 导水裂隙带高度/m 垮落带高度/m 裂采比 垮采比 D1 26.7 0 26.7 26.7 40 320.00 161.00 11.98 6.02 D2 26.7 6.8 33.5 26.7 40 290.35 136.35 10.87 5.10 D3 12.5 23.6 36.1 29.3 31 269.94 125.50 9.21 4.28 D4 16.8 6.8 23.6 16.8 22 213.21 107.00 12.69 6.37 由表1可知，巨厚煤层综放开采时，工作面顶板覆岩为天然地层，采高大，采后覆岩破坏高度大，导水裂隙带发育高度大。以D1孔为例，9-15煤裂采比为11.98，垮采比为6.02，显著高于覆岩存在采空区的情况。而D2孔除覆岩存在4-5煤采空区外，其他条件和D1孔一致，但9-15煤裂采比和垮采比相对较小，表明4-5煤回采后围岩体破裂变形，对9-15煤开采时导水裂隙带继续向上发育具有一定的抑制作用。此外，D3孔总采高最大，但其裂采比和垮采比最小，这是由于4-5煤开采和9-15煤上分层开采导致覆岩被重复扰动，裂隙较为发育，且覆岩破坏严重，顶板覆岩表现出“软弱”层特性[26]，抑制了导水裂隙带和垮落带的发育，使得其9-15煤的裂采比和垮采比最低。值得注意的是，D4孔采高小于D2孔，但其裂采比和垮采比大于D2孔，这可能是由于4-5煤与9-15煤在 D4孔位置处间距较小，近距离多煤层开采时，导水裂隙带高度相对较大[27]。
综上所述：分层开采在一定程度上预先破坏了覆岩的岩体结构，而使得下组煤层开采时，顶板应力集中程度降低，导致覆岩变形破坏扰动范围相对较小，从而抑制导水裂隙带高度向上发育。且分层数量增加，覆岩破坏程度逐渐加剧，岩体力学性质降低且裂隙增多，形成厚度较大的类软弱层，导水裂隙带高度和增长速率逐渐变缓，因此，巨厚煤层分层开采会对导水裂隙带的发育有一定的抑制作用，基于实测结果，导水裂隙带发育形态如图6所示。
3 多煤层下行式开采导水裂隙带数值模拟
3.1 工程地质模型
本研究采用离散元软件对工作面开采过程中导水裂隙带发育特征进行研究。以硫磺沟煤矿(9-15)08工作面参数和条件为背景，模型尺寸为
1200 m×400 m×440 m，模型侧面及底面设置固定边界，模型顶面施加垂向荷载以模拟覆岩自重。其中，4-5煤平均埋深354 m，9-15煤埋深376 m。根据GB/T 23561.1—2024《煤和岩石物理力学性质测定方法》，选取研究区各观测孔岩样加工并进行常规基本物理力学指标测试，岩层及节理的力学参数测试结果和选取见表2。表 2 煤岩体物理力学参数Table 2. Physical and mechanical parameters of coal-rock masses岩性 平均厚度/m 密度/(kg·m−3) 体积模量/GPa 剪切模量/GPa 黏聚力/MPa 抗拉强度/MPa 内摩擦角/(°) 法向刚度 切向刚度 粉砂岩 32 2430 ~2560 4.8~7.0 3.2~6.5 2.2~3.8 2.3~4.5 26~30 3.6~5.2 0.9~2.2 9-15煤 32 1360 ~1510 1.7~3.1 1.2~2.8 1.5~2.9 0.4~2.2 25~32 0.8~1.9 0.3~1.5 粉砂岩 24 2430 ~2550 4.4~7.1 4.2~6.5 2.7~4.1 2.7~3.5 27~29 2.2~5.7 1.3~3.8 4-5煤 7 1330 ~1490 1.3~2.6 0.8~2.3 1.7~3.2 0.4~2.1 25~33 0.7~2.3 0.4~1.1 粉砂岩 9 2530 ~2730 5.1~9.6 4.3~7.1 2.6~4.8 3.4~7.6 28~33 3.2~5.6 1.5~4.2 粗砂岩 12 2430 ~2650 4.3~7.1 3.6~6.8 4.3~6.6 2.8~4.1 29~36 1.6~3.3 0.9~2.7 粉砂岩 24 2450 ~2710 5.6~7.3 4.8~5.9 2.9~4.7 2.9~4.3 27~31 1.4~3.8 0.7~2.6 中砂岩 6 2420 ~2630 7.7~10.6 6.4~9.4 2.9~5.6 3.5~6.4 29~35 2.2~5.9 1.1~3.6 泥岩 18 2350 ~2650 1.6~3.2 0.9~2.7 1.2~2.9 1.2~2.2 29~33 1.3~2.6 0.5~1.9 细砂岩 36 2450 ~2660 7.3~9.4 5.8~7.3 2.8~4.2 4.3~5.8 29~33 1.6~2.9 1.0~2.3 粉细砂岩互层 30 2540 ~2680 6.2~8.1 5.3~7.5 2.5~4.1 2.4~4.3 28~32 1.8~3.2 0.8~2.1 细砂岩 48 2430 ~2700 7.4~9.6 5.5~7.8 3.2~4.9 2.8~5.6 29~33 1.5~3.1 0.8~2.5 粉砂岩 48 2450 ~2690 5.7~7.2 5.1~6.3 2.7~4.1 2.4~3.8 26~30 1.1~2.3 0.5~1.6 中砂岩 18 2530 ~2730 8.0~11.2 6.3~8.1 3.4~6.2 3.7~5.6 28~32 1.3~3.5 0.8~2.3 粉细砂岩互层 63 2510 ~2710 6.7~7.4 5.3~6.3 3.4~4.9 3.0~4.0 27~32 1.5~2.9 0.5~1.1 粗砂岩 15 2530 ~2820 5.1~6.9 4.2~5.2 5.3~6.7 2.6~4.2 28~36 1.4~2.4 0.4~2.3 泥岩 9 2260 ~2720 1.5~2.6 1.3~2.3 2.2~3.7 1.5~2.5 28~33 0.1~0.9 0.2~0.6 泥质粉砂岩 9 2350 ~2730 4.7~8.6 4.9~6.7 2.5~4.5 2.4~3.7 27~32 1.1~2.0 0.3~0.8 本次数值模拟主要针对4-5煤以及9-15煤下行式开采时覆岩结构变化及导水裂隙带高度，数值模拟结果采用Photoshop进行素描，标定和获取导水裂隙发育网络及其高度[28]，模型模拟结果如图7所示。
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图 7 覆岩导水裂隙带高度发育过程Figure 7. Evolutionary process of the heights of hydraulically conductive fracture zones in the overburden3.2 数值模拟结果分析
图7a为(4-5)02工作面和(9-15)06工作面开采结束后覆岩导水裂隙带高度发育特征，其中，(4-5)02工作面导水裂隙带高度为70 m。随着(9-15)06工作面开采，(4-5)02工作面垮落带内覆岩进一步垮落，形成离层空腔，且导水裂隙带高度向上发育。此时(9-15)06工作面导水裂隙带高度为200 m。随着(9-15)08工作面开采，4-5煤顶板产生离层区域，顶板下沉且裂隙闭合。(9-15)08工作面回采750 m时，4-5煤顶板覆岩向下垮落，覆岩裂隙发育增多，(9-15)08工作面导水裂隙带高度为280 m，如图7b所示。(9-15)08工作面开采结束后，顶板覆岩裂隙数量明显增多，4-5煤上方的离层空间继续增大，下位岩层向下垮落，且在高位岩层形成新的离层空间，最大导水裂隙带高度为285 m，如图7c所示。
由图7和表3可知：前2个开采阶段导水裂隙带高度增长较快，分层开采后导水裂隙带增长速度变缓。数值计算得出的导水裂隙带发育高度与现场实测的结果最大相对误差为6.20%，计算结果较为可靠。
表 3 不同阶段导水裂隙带高度对比Table 3. Comparison of the heights of hydraulically conductive fracture zones at different stages覆岩条件 现场实测/m 数值模拟/m 相对误差/% 阶段Ⅰ 213.21 200 6.20 阶段Ⅱ 290.35 280 3.70 阶段Ⅲ 269.94 285 5.60 4 巨厚煤层分层开采覆岩运移及破断特征
上述分析了多煤层下行式开采时覆岩导水裂隙带发育特征，本节基于(9-15)08工作面开采时工程地质条件，仅模拟巨厚煤层(9-15煤)分层开采时的覆岩破坏特征，以进一步揭示巨厚煤层分层开采覆岩运移及破断特征，对巨厚煤层采场事故形成机制、灾害防控具有重要意义[29]。其中，模型尺寸为
1200 m×400 m×440 m，模型边界条件采用四周和底面固定，顶面施加垂向荷载以模拟覆岩自重，岩层及节理的力学参数测试结果和选取见表2。硫磺沟煤矿巨厚煤层采用3个分层放顶煤开采，结合实际工程概况，巨厚煤层从上到下分为3个分层依次开采，为第一分层、第二分层和第三分层，其厚度分别为12、12和8 m，数值模型如图8所示。4.1 覆岩运移及破断特征
第一分层工作面推进50 m时，直接顶较为完整。工作面推进100 m时，直接顶粉砂岩初次破断，之后直接顶随采随落。工作面推进约150 m时，上覆岩层破断呈冒落拱形态，上覆岩层出现离层，4-5煤直接顶破断垮落，如图9所示。
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图 9 第一分层回采时覆岩运移及破断特征Figure 9. Migration and fracture characteristics of the overburden during the mining of the first layer在工作面推进200 m后，直接顶进一步破断变形，工作面周期破断距约为25 m，由于直接顶岩层垮落发生碎胀作用，使基本顶运移变形被限制，基本顶岩层岩块间排列整齐且形成铰接结构。在第一分层开采过程中，随着工作面持续推进，采场岩层垮落充分，煤层覆岩形成“M”形结构。
由图10可知，在第二分层回采时，由于采空区面积增加，在垮落带上方，基本顶破断回转，与前后两端岩块铰接，形成梁式结构。而第三分层回采时，采空面积持续增加，在开采区域形成不规则的冒落拱和高位砌体梁结构，如图11所示。
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图 10 第二分层回采时覆岩运移及破断特征Figure 10. Migration and fracture characteristics of the overburden during the mining of the second layer![]()
图 11 第三分层回采时覆岩运移及破断特征Figure 11. Migration and fracture characteristics of the overburden during the mining of the third layer综上，第一分层回采后，顶板周期性的垮落，形成“M”形的冒落拱(图12a)。第二分层开采过程中，煤层上方基本顶岩体发生二次破断，其中，低位坚硬岩层发生破断垮落，导水裂隙带内的岩层破断向下运移铰接，裂隙发育高度增加，工作面覆岩结构总体呈高位梁式结构(图12b)。在第三分层回采后，导水裂隙带范围增加，原覆岩铰接梁式结构垮断，上部坚硬岩层和关键层向下运移，受自重和覆载的影响，在开采影响范围内压挤形成覆岩拱式结构(图12c)。
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图 12 巨厚煤层分层开采覆岩结构特征Figure 12. Structural characteristics of the overburden during the layered mining of extremely thick coal seams4.2 巨厚煤层分层开采覆岩结构模式
从数值模拟结果来看，巨厚煤层分层开采时，各分层回采时顶部边界为上一分层开采产生的覆岩变形破坏带，垮落带内岩体逐渐垮落，互相之间形成铰接结构，铰接点的连线整体宏观呈连续的“M”形，由于垮落带岩体受上覆岩层向下运移而被逐渐压实，使得垮落带岩体保持上一分层开采时“M”形结构，如图13所示。由煤层顶板基本顶岩层破断回转，岩块两端相互铰接形成梁式结构以承担自重和覆载作用。在第三分层开采后，基本顶破断垮落，低位岩层岩块间铰接作用进一步弱化，无法形成梁式铰接结构，上部坚硬岩层和关键层向下运移，工作面高位覆岩结构呈现高位砌体梁结构。在采动影响范围内，宏观上呈压力拱结构，表明上覆岩层中岩层较为稳定，能够在一定程度上承受上覆荷载[30]。
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图 13 巨厚煤层分层开采“宏观−大−小”结构模式Figure 13. “Macro-large-small” structural pattern of the extremely thick coal seams under layered mining因此，巨厚煤层分层开采覆岩结构总体上呈“宏观−大−小”结构，即其宏观上呈压力拱结构，高位覆岩呈现高位梁式大结构，低位覆岩呈“M”形铰接小结构。此外，受压力拱的作用，围岩体应力较为集中，在开采扰动条件下，易诱发强矿压。而由于高、低位岩层岩体垮落和铰接作用，垮落带内岩体铰接点的连线整体宏观呈连续的“M”形，表明压力拱范围内岩体垮落破碎，应力集中程度较小，能够抑制导水裂隙带高度向上发育，从而降低了矿井顶板水害的风险。
5 结 论
(1)顶板覆岩导水裂隙带探测结果表明：分层开采在一定程度上预先破坏了覆岩的岩体结构，而使得下组煤层开采时，顶板应力集中程度降低，导致覆岩变形破坏扰动范围相对较小，此外，分层数量增加，覆岩破坏程度逐渐加剧，表现出“软弱”层特性，从而抑制导水裂隙带向上发育，发育速率逐渐变缓。
(2)巨厚煤层分层开采模拟结果表明：第一分层开采，顶板周期性的垮落；第二分层开采，基本顶岩体发生二次破断，低位岩层破断垮落，裂隙带内的岩层向下破断铰接；第三分层回采，原覆岩铰接梁式结构垮断，覆岩扰动变形范围增加，受自重和覆载的影响，在开采影响范围内覆岩压挤形成拱式结构。
(3)巨厚煤层分层开采覆岩结构总体上呈“宏观−大−小”结构，即其宏观上呈压力拱结构，高位覆岩呈现高位梁式大结构，低位覆岩呈“M”形铰接小结构。
(4)研究巨厚煤层分层开采覆岩“两带”发育探测及破断特征对巨厚煤层采场事故形成机制、灾害防控具有一定的理论价值。目前研究尚未考虑煤层赋存倾角、地应力等地质因素，关于构造应力条件下倾斜巨厚煤层分层开采“两带”发育探测及破断特征还需进一步探究。
符号注释：
h1为导水裂隙带顶端的垂深；h2为垮落带顶端的垂深；H为探查钻孔孔口到9-15煤顶板的垂直深度；Hk为垮落带高度；Hw为导水裂隙带高度。
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图 1 电法集成勘探系统单边式工作方式
Fig. 1 Schematic diagram of unilateral working mode of the integrated electrical exploration system
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图 2 电法集成勘探系统包围式工作方式
Fig. 2 Schematic diagram of surrounding working mode of the integrated electrical exploration system
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图 3 电测深和电剖面勘探装置数据提取
Fig. 3 Schematic diagram of data extraction of electrical sounding and electrical profile exploration devices
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图 4 电透视勘探装置数据提取
Fig. 4 Schematic diagram of data extraction of electrical sounding and electrical profile exploration device
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图 5 15091工作面电法集成勘探施工布置
Fig. 5 Construction layout of electrical method integrated exploration in working face 15091
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图 6 15091工作面底板视电阻率横向切片
Fig. 6 Slice diagram of apparent resistivity of floor in working face 15091
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[1] 刘盛东, 刘静, 岳建华. 中国矿井物探技术发展现状和关键问题[J]. 煤炭学报, 2014, 39(1): 19-25. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201401004.htm LIU Shengdong, LIU Jing, YUE Jianhua. Development status and key problems of Chinese mining geophysical technology[J]. Journal of China Coal Society, 2014, 39(1): 19-25. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201401004.htm
[2] 虎维岳, 田干. 我国煤矿水害类型及其防治对策[J]. 煤炭科学技术, 2010, 38(1): 92-96. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTKJ201001031.htm HU Weiyue, TIAN Gan. Mine water disaster type and prevention and control countermeasures in China[J]. Coal Science and Technology, 2010, 38(1): 92-96. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTKJ201001031.htm
[3] 薛国强, 于景邨. 瞬变电磁法在煤炭领域的研究与应用新进展[J]. 地球物理学进展, 2017, 32(1): 319-326. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWJ201701045.htm XUE Guoqiang, YU Jingcun. New development of TEM research and application in coal mine exploration[J]. Progress in Geophysics, 2017, 32(1): 319-326. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWJ201701045.htm
[4] 张泓, 夏宇靖, 张群, 等. 深层煤矿床开采地质条件及综合探测: 现状与问题[J]. 煤田地质与勘探, 2009, 37(1): 1-11. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2009.01.001 ZHANG Hong, XIA Yujing, ZHANG Qun, et al. Coal-mining geological conditions and explorations of deep coal deposits: Status and problems[J]. Coal Geology & Exploration, 2009, 37(1): 1-11. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2009.01.001
[5] 董书宁. 煤矿安全高效生产地质保障的新技术新装备[J]. 中国煤炭, 2020, 46(9): 15-23. DOI: 10.3969/j.issn.1006-530X.2020.09.003 DONG Shuning. New technology and new equipment of geological guarantee of safe and efficient production in coal mines[J]. China Coal, 2020, 46(9): 15-23. DOI: 10.3969/j.issn.1006-530X.2020.09.003
[6] 周金, 程久龙, 温来福. 矿井瞬变电磁金属干扰响应特征与校正方法[J]. 中国矿业, 2017, 26(8): 146-149. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGKA201708028.htm ZHOU Jin, CHENG Jiulong, WEN Laifu. Response characteristics of metallic facilities and correction method on mine transient electromagnetic surveying[J]. China Mining Magazine, 2017, 26(8): 146-149. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGKA201708028.htm
[7] 王少飞. 矿井物探技术应用现状与发展展望分析[J]. 江西化工, 2020(2): 307-308. DOI: 10.3969/j.issn.1008-3103.2020.02.118 WANG Shaofei. Analysis on application status and development prospect of mine geophysical exploration technology[J]. Jiangxi Chemical Industry, 2020(2): 307-308. DOI: 10.3969/j.issn.1008-3103.2020.02.118
[8] 刘盛东, 刘静, 戚俊, 等. 矿井并行电法技术体系与新进展[J]. 煤炭学报, 2019, 44(8): 2336-2345. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201908008.htm LIU Shengdong, LIU Jing, QI Jun, et al. Applied technologies and new advances of parallel electrical method in mining geophysics[J]. Journal of China Coal Society, 2019, 44(8): 2336-2345. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201908008.htm
[9] 刘盛东, 吴荣新, 张平松, 等. 三维并行电法勘探技术与矿井水害探查[J]. 煤炭学报, 2009, 34(7): 927-932. DOI: 10.3321/j.issn:0253-9993.2009.07.013 LIU Shengdong, WU Rongxin, ZHANG Pingsong, et al. Three-dimensional parallel electric surveying and its applications in water disaster exploration in coal mines[J]. Journal of China Coal Society, 2009, 34(7): 927-932. DOI: 10.3321/j.issn:0253-9993.2009.07.013
[10] 胡水根, 刘盛东. 电法勘探中并行数据采集与传统数据采集效率的比较研究[J]. 地球物理学进展, 2010, 25(2): 612-617. DOI: 10.3969/j.issn.1004-2903.2010.02.034 HU Shuigen, LIU Shengdong. A comparative study on efficiency about traditional electrical and collateral data collection in electrical prospecting[J]. Progress in Geophysics, 2010, 25(2): 612-617. DOI: 10.3969/j.issn.1004-2903.2010.02.034
[11] 岳建华, 刘树才. 矿井直流电法勘探[M]. 北京: 中国矿业大学出版社, 2000. YUE Jianhua, LIU Shucai. Mine direct current exploration[M]. Beijing: China University of Mining and Technology Press, 2000.
[12] 戴前伟, 陈德鹏, 陈勇雄, 等. 电法勘探中异常响应特征的增强算法及其实现[J]. 煤田地质与勘探, 2013, 41(3): 75-78. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.03.018 DAI Qianwei, CHEN Depeng, CHEN Yongxiong, et al. The enhanced algorithms and its implementation for the abnormal response characteristics in electrical exploration[J]. Coal Geology & Exploration, 2013, 41(3): 75-78. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.03.018
[13] 杨振威, 严加永, 刘彦, 等. 高密度电阻率法研究进展[J]. 地质与勘探, 2012, 48(5): 969-978. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZKT201205014.htm YANG Zhenwei, YAN Jiayong, LIU Yan, et al. Research progress of the high density resistivity method[J]. Geology and Exploration, 2012, 48(5): 969-978. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZKT201205014.htm
[14] 郭鹏飞, 谢雄刚, 白雯, 等. 音频电透视法在防治矿井水患中的应用[J]. 工业安全与环保, 2018, 44(4): 34-36. DOI: 10.3969/j.issn.1001-425X.2018.04.009 GUO Pengfei, XIE Xionggang, BAI Wen, et al. Application of audio frequency electric perspective method in detecting in detecting mine flooding zones[J]. Industrial Safety and Environmental Protection, 2018, 44(4): 34-36. DOI: 10.3969/j.issn.1001-425X.2018.04.009
[15] 郭纯, 李文军, 邢文平. 直流电法探测技术在煤矿防治水方面应用的研究[J]. 河南理工大学学报, 2005, 24(6): 439-442. DOI: 10.3969/j.issn.1673-9787.2005.06.006 GUO Chun, LI Wenjun, XING Wenping. Research of the application of the D. C. detecting technology in mine water prevention and cure[J]. Journal of Henan Polytechnic University, 2005, 24(6): 439-442. DOI: 10.3969/j.issn.1673-9787.2005.06.006
[16] 夏毅民, 尹奇峰, 郑刘根, 等. 并行电法矿井水害探测技术研究与应用[J]. 物探化探计算技术, 2019, 41(6): 813-818. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1749.2019.06.16 XIA Yimin, YIN Qifeng, ZHENG Liugen, et al. Research and application of mine electrical disaster detection technology based on parallel electric method[J]. Calculation Technology Geophysical and Geochemical Exploration, 2019, 41(6): 813-818. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1749.2019.06.16
[17] 张军, 王勇, 秦鸿刚, 等. 矿井音频电透视在矿井工作面探测中的应用[J]. 工程地球物理学报, 2013, 10(4): 551-554. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7940.2013.04.021 ZHANG Jun, WANG Yong, QIN Honggang, et al. The application of audio frequency electric perspective to detection of coal mine work face[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2013, 10(4): 551-554. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7940.2013.04.021
[18] 严加永, 孟贵祥, 吕庆田, 等. 高密度电法的进展与展望[J]. 物探与化探, 2012, 36(4): 576-584. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WTYH201204014.htm YAN Jiayong, MENG Guixiang, LYU Qingtian, et al. The progress and prospect of the electrical resistivity imaging survey[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2012, 36(4): 576-584. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WTYH201204014.htm
[19] 傅良魁. 电法勘探教程[M]. 北京: 地质出版社, 1983. FU Liangkui. Electrical exploration course[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1983.
[20] 李志聃. 煤田电法勘探[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1990. LI Zhidan. Electrical prospecting in coalfield[M]. Xuzhou: China University of Mining and Technology Press, 1990.
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