張玉軍，張風(fēng)達(dá)，張志巍，孫 林，李友偉

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013）

0 引 言

我國中東部淺部煤炭資源日益枯竭，伴隨開采深度逐漸增加，煤炭資源的安全開采受奧陶系灰?guī)r水威脅日趨嚴(yán)重。 煤層開采導(dǎo)致底板局部巖體發(fā)生塑性變形而喪失阻隔水能力，煤層底板破壞深度是帶壓開采評價以及奧灰水害治理層位確定的重要內(nèi)容。 近年來，國內(nèi)學(xué)者針對煤層底板破壞深度監(jiān)測開展了大量研究［1-4］。 朱術(shù)云、段宏飛等［5-6］采用應(yīng)力應(yīng)變傳感器對煤層底板破壞深度進(jìn)行了實測研究；張平卿［7］采用“一發(fā)雙收”探頭進(jìn)行了底板破壞深度的超聲波探測；孫建等［8］統(tǒng)計了煤層采動過程中底板巖體的微震事件，研究指出傾斜工作面煤層底板呈“勺形”破壞形態(tài)；劉超等［9］通過微震監(jiān)測得出底板巖體破裂事件主要集中在超前支承壓力增大區(qū)和采空區(qū)應(yīng)力低值區(qū)；劉志新等［10］提出了環(huán)工作面電磁法觀測系統(tǒng)，用于監(jiān)測工作面底板突水危險性；宋文成等［11］采用雙端封堵測漏裝置對底板破壞深度進(jìn)行了探測；王瑩等［12］通過對比采動前后覆巖電阻率變化，研究覆巖破壞特征；筆者等［13-14］綜合采用鉆孔漏失量觀測法和鉆孔窺視法對覆巖破壞高度進(jìn)行監(jiān)測；王厚柱等［15］采用直流電法對近距離煤層重復(fù)采動底板破壞深度進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測的下行開采過程中采空區(qū)下的煤層底板破壞深度小于預(yù)計值；王朋朋等［16］借助微震監(jiān)測和承壓水水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，為研究底板突水危險性提供新途徑；文獻(xiàn)［17-19］針對不同地質(zhì)采礦條件采用微震方法對底板破壞深度、裂隙演化進(jìn)行了監(jiān)測。 綜合分析，國內(nèi)外學(xué)者針對煤層底板破壞、底板突水危險性進(jìn)行了較為全面的監(jiān)測，但是多為一種或兩種手段進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容相對較為單一。 從煤礦水害的精細(xì)化研究角度出發(fā)，距離煤層底板距離不同，采動破壞程度也存在較大差異，不僅底板采動導(dǎo)水裂隙能夠誘發(fā)水害事故，甚至產(chǎn)生微小裂隙甚至應(yīng)力變化底板巖體也極易導(dǎo)通隱伏構(gòu)造，從而誘發(fā)底板突水事故。 目前，關(guān)于該方面的研究相對較少。

為此，基于底板鉆孔注水試驗、鉆孔窺視、光纖感知測試和瞬變電磁4 種方法的基本原理與特點，提出了點-線-面全空間多參量協(xié)同監(jiān)測模式，并對煤層底板采動擾動破壞程度進(jìn)行重新劃分，結(jié)合現(xiàn)場工程實測案例進(jìn)行了驗證。

1 全空間多參量協(xié)同監(jiān)測模型的構(gòu)建

綜合煤層底板破壞深度各監(jiān)測方法的基本原理并結(jié)合采動煤層底板破壞特征，考慮采動破壞底板裂隙的可視化和導(dǎo)水性、采動底板應(yīng)力應(yīng)變、采動底板物性變化等多參量特征，優(yōu)選了鉆孔注水、鉆孔窺視、鉆孔分布式光纖感知和瞬變電磁4 種探測方法，以點-線-面全空間和動靜結(jié)合的方式，監(jiān)測獲取采動底板破壞深部和特征，并實現(xiàn)多種監(jiān)測方法的互相驗證。

1.1 監(jiān)測方法基本原理

1.1.1 鉆孔注水試驗法

鉆孔注水量變化反映了底板巖層滲透性或裂隙發(fā)育狀況的變化，對比采動前后的鉆孔注水量可獲取煤層底板采動導(dǎo)水破壞深度。 該方法主要借助雙端堵水器進(jìn)行實現(xiàn)，整個觀測儀器由雙端堵水器、連接管路、控制臺3 部分組成，如圖1 所示。 雙端堵水器由2 個起脹膠囊和注水探管組成。 連接管路有2條：起脹管路和注水管路。 控制臺也是對應(yīng)2 個：起脹控制臺和注水控制臺。 一般每1 m 為一個觀測段，通過高壓氣管將壓力輸入雙端堵水器兩端的膠囊，在一個相對封閉的空間進(jìn)行注水，測取該空間的漏失量。 測定完成后，停止注水，并釋放雙端堵水器的氣壓；繼續(xù)向鉆孔底板深部推進(jìn)1～2 m，再次重復(fù)雙端堵水器充氣→注水→停水→放氣步驟，從而獲取不同層位的底板破壞程度。

圖1 雙端堵水器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of double end water plug

1.1.2 鉆孔窺視法

鉆孔窺視法是將自帶光源的防水高清攝像探頭放入已施工的底板鉆孔，逐段捕獲鉆孔中不同深度的地質(zhì)構(gòu)造、裂隙發(fā)育、水位等全景圖片和視頻，從而為底板采動破壞裂隙演化特征和發(fā)育深度定量化確定提供直觀的圖像信息和資料。

1.1.3 鉆孔分布式光纖監(jiān)測法

鉆孔分布式光纖監(jiān)測法主要采用基于布里淵散射原理分布式光纖感測技術(shù)來實現(xiàn)底板巖層變形監(jiān)測。 布里淵光時域反射技術(shù)是利用分析光纖中后向散射光的方法測量光纖傳輸損耗和各種結(jié)構(gòu)缺陷引起的結(jié)構(gòu)性損耗，通過顯示損耗（散射）與長度的關(guān)系來測量外界信號場分布于光纖下的擾動信息。 將分布式光纖通過PVC 管放入底板破壞深度觀測鉆孔，采用鉆孔注漿將光纖與鉆孔巖壁耦合起來。 在監(jiān)測過程中，通過采集采動過程中變形數(shù)據(jù)可連續(xù)獲取煤層底板不同深度的底板破壞情況［20-21］。

1.1.4 瞬變電磁法

瞬變電磁法是探測介質(zhì)電阻率的一種方法，從而獲取底板裂隙發(fā)育特征。 一般情況下分別在工作面回采前后，在鄰近巷道按10 m 點距、以0 ～90°全角度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)去噪處理、時深轉(zhuǎn)換處理，得到各測線視電阻率斷面圖。

1.2 全空間多參量協(xié)同監(jiān)測思路

1）監(jiān)測空間上實現(xiàn)點-線-面、動靜結(jié)合監(jiān)測。采用鉆孔注水試驗并結(jié)合鉆孔窺視的手段，可獲取某一位置、某一深度的采動煤層底板裂隙發(fā)育和導(dǎo)水特征，該裂隙發(fā)育特征為靜態(tài)分布特征（單一時刻的）；采用光纖感知測試技術(shù)可獲取某一位置、不同深度、離工作面不同距離、不同回采階段的煤層底板變形特征，該特征為動態(tài)分布特征；采用瞬變電磁法，則可獲取整個回采工作面不同位置、不同深度的采動煤層底板裂隙發(fā)育特征，該裂隙發(fā)育特征為靜態(tài)分布特征。

2）監(jiān)測內(nèi)容上實現(xiàn)直接或間接獲取裂隙發(fā)育等多參量特征。 從監(jiān)測內(nèi)容方面，采用鉆孔注水試驗法獲取采動煤層底板不同層位的巖體漏失量，間接獲取煤層底板裂隙發(fā)育情況和導(dǎo)水性；采用鉆孔窺視法直接獲取采動煤層底板不同層位的裂隙發(fā)育特征；采用分布式光纖探測法，獲取采動煤層底板應(yīng)變變化量，間接分析煤層底板破壞特征，即裂隙發(fā)育特征，尤其是微小裂隙的發(fā)育特征。 采用瞬變電磁法，獲取采動煤層底板巖體因采動影響導(dǎo)致的物性差異，間接獲取煤層底板采動擾動范圍。

1.3 全空間多參量協(xié)同監(jiān)測模式

基于上述設(shè)備監(jiān)測原理和思路，構(gòu)建了如圖2和圖3 所示的煤層底板采動擾動破壞范圍的全空間多參量協(xié)同監(jiān)測模式。 采用鉆孔注水試驗法和鉆孔窺視法，進(jìn)行底板裂隙分布的點式、靜態(tài)監(jiān)測；采用分布式光纖探測，線式、動態(tài)地獲取底板拉伸或剪切變形，根據(jù)變形量判斷底板破壞特征；采用瞬變電磁法進(jìn)行面式、靜態(tài)獲取底板巖體因采動引起的物性變化，用于分析煤層底板采動擾動破壞范圍，從監(jiān)測內(nèi)容上方法上，4 種監(jiān)測方法可實現(xiàn)煤層底板變形破壞的多參量協(xié)同監(jiān)測；從探測方法上，4 種監(jiān)測方法獲取的底板破壞或擾動破壞程度從縱向上是逐漸遞進(jìn)的；從監(jiān)測空間上，可以看出鉆孔注水試驗法、鉆孔窺視法、分布式光纖探測法和瞬變電磁法可全空間獲取煤層底板變形破壞特征，而且范圍是逐漸增大的；從監(jiān)測特性上，4 種監(jiān)測方法可實現(xiàn)煤層底板破壞的動靜態(tài)監(jiān)測。 協(xié)同監(jiān)測模式為采動煤層底板破壞范圍的層次性劃分提供了依據(jù)。

圖2 底板破壞深度全空間多參量協(xié)同監(jiān)測模式Fig.2 Full-space multi-parameter cooperative monitoring mode of bottom damage depth

圖3 點-線-面全空間多參量監(jiān)測布置方式Fig.3 Multi-parameter monitoring arrangement in line-plane

2 基于全空間多參量監(jiān)測采動煤層底板破壞的層次性劃分

傳統(tǒng)的“下三帶”理論將煤層底界面至含水層頂界之間的巖層劃分為底板采動導(dǎo)水破壞帶、底板阻水帶和承壓水導(dǎo)升帶，劃分僅僅依據(jù)沖洗液漏失量單一指標(biāo)確定。 然而，我們通過上述不同監(jiān)測方法獲取的反映煤層底板破壞程度的信息則存在較大的差異。 注水試驗和鉆孔窺視是確定煤層底板采動導(dǎo)水破壞深度的重要手段，可直接獲取了采動裂隙的寬度、長度等參數(shù)以及導(dǎo)水特性；底板巖石受采動應(yīng)力影響，應(yīng)變達(dá)到程度決定了底板巖體發(fā)育的裂隙的導(dǎo)水性能，光纖探測法則主要通過獲取底板采動應(yīng)力應(yīng)變來較好地捕捉微小裂隙發(fā)育特征；受采動影響后的巖體由于其內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變變化，采用瞬變電磁法則可獲取底板采動后巖體導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性差異變化，其物性差異相比于應(yīng)力應(yīng)變變化更為靈敏［22］，同時考慮到物探體積效應(yīng)等影響，因此可獲取相比于應(yīng)力應(yīng)變更大范圍的底板采動影響范圍。

綜合分析，發(fā)現(xiàn)煤層底板自受采動影響，從多參量角度考慮上而下具有更加明顯的層次性特征，而3 種監(jiān)測方法依據(jù)其探測原理獲得的底板采動影響范圍呈現(xiàn)依次增大的特點。 因此，根據(jù)不同參量指標(biāo)并結(jié)合傳統(tǒng)“下三帶”理論，提出將傳統(tǒng)的“下三帶”中的底板采動導(dǎo)水破壞帶進(jìn)行精細(xì)化層次劃分，從裂隙導(dǎo)水性、拉伸剪切應(yīng)變、采動巖層物性3方面，由上而下劃分為導(dǎo)水裂隙帶、應(yīng)力應(yīng)變帶和物性差異帶，這“三帶”的范圍逐漸增大，合稱采動破壞帶。 導(dǎo)水裂隙帶為底板受采動影響的、可導(dǎo)水的裂隙發(fā)育范圍；應(yīng)力應(yīng)變帶為底板受采動影響而發(fā)生拉伸剪切應(yīng)變范圍，不僅包含導(dǎo)水裂隙還包含不具備導(dǎo)水性能的微小裂隙；物性差異帶為受采動影響導(dǎo)致的底板巖體而發(fā)生的物性改變的范圍，相比于應(yīng)力應(yīng)變更大范圍。 新定義的采動破壞帶范圍大于傳統(tǒng)的底板采動導(dǎo)水破壞帶，局部涵蓋了底板阻水帶，具體如圖4 所示。

圖4 煤層底板受采動影響分帶模型Fig.4 Stratified zoning of coal seam floor affected by mining

3 全空間多參量協(xié)同監(jiān)測方案

試驗監(jiān)測區(qū)平朔礦區(qū)位于寧武煤田北部，地層由老到新分別為奧陶系、石炭系、二疊系、新近系、第四系。 含煤地層為石炭系太原組、本溪組及二疊系山西組，主采太原組9 煤，實測的110 工作面傾向長度為248.5 m，平均埋深377.0 m，煤厚為11.9 m，傾角5°，底板以粉砂巖、泥巖、中細(xì)砂巖為主。 奧灰含水層距離煤層底板約50 m，工作面回采過程中存在底板突水危險。 基于多參量全空間監(jiān)測原理，綜合考慮研究區(qū)地質(zhì)采礦條件，分別采用鉆孔注水法、鉆孔窺視法、分布式光纖探測法和瞬變電磁法進(jìn)行了底板破壞監(jiān)測。

共布置2 個注水孔在距巷口450 m 位置，待工作面推過設(shè)計鉆孔位置5 d 后，施工該組鉆孔并進(jìn)行注水試驗和鉆孔窺視觀測。 布置2 個分布式光纖探測孔在距巷口900 m 的位置，待工作面推進(jìn)至距離設(shè)計鉆孔位置100 m 時，施工該組鉆孔并埋設(shè)光纖傳感器并開始觀測，直至工作面推過鉆孔位置100 m 后結(jié)束觀測。 瞬變電磁法探測共進(jìn)行2 次，首次觀測在工作面推進(jìn)至距離采區(qū)輔運大巷（圖5）1 000 m 時，末次觀測為工作面回采結(jié)束，具體布置方案如圖5 所示（1、2 號孔為注水試驗孔，3、4 號孔為分布式光纖探測孔；鉆孔是在111 工作面軌道平巷向110 工作面采空區(qū)的底板方向施工的；鉆孔的傾角是以煤層為水平方向，將斜向110 工作面采空區(qū)底板的角度作為標(biāo)識）。

圖5 監(jiān)測鉆場布置示意Fig.5 Schematic layout of monitoring drill yard

4 全空間多參量監(jiān)測效果分析

4.1 注水試驗和鉆孔窺視法

采用雙端堵水器對煤層底板不同深度的注水量進(jìn)行監(jiān)測分析，同時采用鉆孔窺視儀對底板采動裂隙發(fā)育特征進(jìn)行探測，獲取煤層底板裂隙發(fā)育特征和導(dǎo)水性如圖6 所示。

從圖6a 中可以看出，靠近煤層底板的巖性為泥巖、泥質(zhì)石灰?guī)r，整體漏失量相對較小，而距離煤層底板約6 m 范圍為11 煤，該煤層含少量方解石脈，夾矸多為泥巖，原生裂隙相對較為發(fā)育，整體漏失量較大，最大為1.72 L／min。 據(jù)鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)，該層巖體裂隙相對發(fā)育。 距煤層底板17.68 m 處為泥巖，該層位受泥質(zhì)成分影響，滲透性能相對較差，距離煤層底板18.64 m 處的采動裂隙巖體漏失量為0.82 L／min。 而距煤層底板21.75m 處的采動裂隙巖體漏失量明顯減小，其漏失量為0.42 L／min。 結(jié)合鉆孔注水漏失量趨勢來看，判斷煤層底板采動破壞深度為18.64～21.75 m。 同時，從圖6 中鉆孔窺視圖可以看出，鉆孔深度20 m 位置的底板采動裂隙分布特征為較為明顯的剪切裂隙，鉆孔探測深度26 m 左右的同樣產(chǎn)生較大傾角的剪切裂隙。 考慮該處鉆孔傾角等因素，確定煤層底板破壞深度為20.02 m，與采動裂隙巖體漏失量基本吻合。 綜合分析認(rèn)為該處受采動支承壓力影響，煤層底板破壞深度為20.02～21.75 m。

同理，從圖6b 中可以看出，區(qū)域煤層底板漏失量較大的區(qū)間主要集中在孔深12 ～26 m，鉆孔漏失量介于1.24～1.64 L／min，對應(yīng)煤層底板破壞深度為9.72～18.05 m。 距離煤層底板15.28 m 的巖體漏失量最大，說明該處煤層底板破壞較為嚴(yán)重。 距煤層底板19.44 m 漏失量相對較小，說明該層位底板巖體完整性相對較好。 綜合分析認(rèn)為該處煤層底板破壞深度為18.05～19.44 m。

圖6 110 工作面注水量監(jiān)測變化Fig.6 Monitoring change map of water injection of 110 working face

4.2 分布式光纖監(jiān)測

分布式光纖監(jiān)測孔在每個鉆孔內(nèi)分別安裝金屬基索狀光纜和5 m 金屬基索狀高強(qiáng)定點感測光纜，兩根光纜底部U 型回路熔接串聯(lián)，具體布設(shè)安裝方案如圖7 所示。 將金屬基索狀光纜和5 m 金屬基索狀高強(qiáng)定點感測光纜2 種光纖放入底板施工的鉆孔中，并進(jìn)行水泥漿封堵，與底板巖體較好地耦合在一起。監(jiān)測鉆孔與工作面不同距離的光纖變形參數(shù)，通過反演計算獲取底板變形破壞程度，具體如圖8 所示。

圖7 光纖監(jiān)測孔設(shè)計示意Fig.7 Design of Optical Fiber Monitoring Hole

圖8 應(yīng)變曲線和巖層柱狀圖對應(yīng)示意Fig.8 Schematic illustration of strain curve of and histogram of rock stratum

1）3 號監(jiān)測孔。 3 號監(jiān)測孔的數(shù)據(jù)變化和巖層柱狀圖的對應(yīng)如圖8a 所示，在工作面推進(jìn)至鉆孔11 m 之前，應(yīng)變曲線整體無變化，圍繞初始值波動；當(dāng)推進(jìn)至距離鉆孔11 m 處時，孔口處砂質(zhì)泥巖和10 號煤底板表現(xiàn)為拉應(yīng)變，最大值約3×10-4，11 號煤上部受超前應(yīng)力影響初步顯現(xiàn)壓應(yīng)變，最大應(yīng)變約-4×10-4；當(dāng)工作面推進(jìn)至鉆孔附近時，深部巖層相應(yīng)顯現(xiàn)出拉應(yīng)變，平均應(yīng)變約2×10-4，應(yīng)變曲線呈現(xiàn)平臺狀，說明深部巖層存在拉伸破壞區(qū)，對應(yīng)距離為鉆孔斜長的15～35 m 處；工作面推進(jìn)超過鉆孔8 m 時，深部巖層的應(yīng)變曲線由拉應(yīng)變變?yōu)槌跏紵o應(yīng)變狀態(tài)，推測原因是在采動應(yīng)力影響下鉆孔錨固體已經(jīng)破碎，和光纖的耦合性能變差，導(dǎo)致鋼絞線光纖發(fā)生回彈所致。 由圖8a 可知，底板以下彈性模量較小的巖層依次為：砂質(zhì)泥巖層、10 號煤層、泥巖層、11 號煤層、砂質(zhì)泥巖層，在垂深6.79 m 范圍內(nèi)的底板巖層內(nèi)，光纖的平均應(yīng)變超過了4×10-4，可以認(rèn)為該范圍內(nèi)的巖層已經(jīng)產(chǎn)生破壞。 該范圍內(nèi)下方的巖層為細(xì)粒砂巖層和砂質(zhì)泥巖層，巖層內(nèi)部的平均應(yīng)變?yōu)?×10-4，未超過破壞所需的應(yīng)變1×10-3，但認(rèn)為該處巖層受到了工作面開采的擾動影響，也發(fā)生了輕微破壞現(xiàn)象。

2）4 號監(jiān)測孔。 4 號監(jiān)測孔的數(shù)據(jù)變化和巖層柱狀圖的對應(yīng)如圖8b 所示，在工作面推進(jìn)至鉆孔11 m 之前，應(yīng)變曲線整體無變化，圍繞初始值波動，在工作面推進(jìn)至距離鉆孔11 m 處時，孔口處砂質(zhì)泥巖、10 號煤、泥巖層由于底板隆起表現(xiàn)為拉應(yīng)變，最大應(yīng)變約2.7×10-3，砂質(zhì)泥巖層受超前應(yīng)力影響初步顯現(xiàn)壓應(yīng)變，最大應(yīng)變約-5.5×10-4；在工作面推進(jìn)至距離鉆孔6 m 處時，深部的11 號煤、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖層在垂直應(yīng)力的作用下也表現(xiàn)為拉應(yīng)變，平均應(yīng)變約3×10-4，隨著工作面不斷推進(jìn)至距離鉆孔附近時，深部的11 號煤、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖層的拉應(yīng)變曲線進(jìn)一步增大，對應(yīng)距離為鉆孔斜長的30～60 m 處，平均應(yīng)變約5×10-4；工作面超過鉆孔8 m 時，采空區(qū)下部的深部巖層拉應(yīng)變繼續(xù)增大，平均應(yīng)變約為8×10-4，對應(yīng)鉆孔斜長60 m 之后的巖層基本無應(yīng)變變化，沒有受到開采擾動的影響。 由圖8b可知，四號孔的底板以下彈性模量較小的巖層依次為：砂質(zhì)泥巖層、10 號煤層、泥巖層、11 號煤層、砂質(zhì)泥巖層，在垂深18.32 m 范圍內(nèi)的底板巖層內(nèi)，光纖的最大應(yīng)變?yōu)?.6×10-3，平均應(yīng)變?yōu)?.3×10-3，可以認(rèn)為該范圍內(nèi)的巖層已經(jīng)產(chǎn)生破壞。 該范圍內(nèi)下方的細(xì)粒砂巖層高度為6.83 m，屬于彈性模量較大的巖層，巖層內(nèi)部的平均應(yīng)變?yōu)椋? ～8）×10-4，未超過破壞所需的應(yīng)變10-3，但認(rèn)為該處巖層受到了工作面開采的擾動并發(fā)生輕微破壞。

4.3 瞬變電磁法

基于全區(qū)各測點不同角度視電阻率對比，以視電阻率25 Ω·m 作為采前、后對比分析的標(biāo)準(zhǔn)。 圖9 中各個角度及各個測點采前采后視電阻率剖面特征對比表明（圖9 中角度為以110 工作面煤層底板角度取為0°，順時針旋轉(zhuǎn)的角度），9 號煤層底板受采動影響，視電阻率變化呈現(xiàn)出由采動前的相對高阻轉(zhuǎn)化為采動后的相對低阻反映。 基于各角度視電阻率剖面揭示的采動影響視電阻率轉(zhuǎn)換臨界位置的垂直深度在22～27 m。 因此，綜合110 工作面9 煤采動前后瞬變電磁法探測結(jié)果顯示，9 煤底板受采動影響破壞范圍區(qū)間在22～27 m。

圖9 110 工作面9 煤200 號和400 號測點采前和采后視電阻率剖面對比Fig.9 Comparison of apparent resistivity profiles between pre-mining and post-mining of measuring point No.9 coal 200 and 400 in No.110 working face

4.4 協(xié)同監(jiān)測綜合分析

由注水試驗和鉆孔窺視結(jié)果，在底板22 m 以淺范圍內(nèi)巖層受采動應(yīng)力作用，發(fā)生劇烈的塑性變形而破壞嚴(yán)重，此范圍內(nèi)底板巖體發(fā)育導(dǎo)水裂隙，超過這一深度底板巖層受礦壓擾動程度減弱，巖體雖發(fā)生微型破裂但導(dǎo)水性明顯減弱甚至不導(dǎo)水。 由鉆孔光纖感知結(jié)果出，煤層底板22 m 以淺范圍應(yīng)變值較大，此范圍內(nèi)巖體導(dǎo)水性較好，受底板采動應(yīng)力遞減傳遞的影響，在垂深22 ～25 m，巖體受采動影響較小，表現(xiàn)為低應(yīng)變值，一般會發(fā)育微小裂隙，但其導(dǎo)水性要遠(yuǎn)小于淺部底板巖體。 因此，光纖感知法的監(jiān)測范圍更能清楚直觀地反映出煤層底板受開采擾動深度的有限性和底板采動變形破壞隨深度增加遞減的現(xiàn)象。 由瞬變電磁監(jiān)測點視電阻率在底板空間分布規(guī)律可知，受采動影響底板巖體變形規(guī)律呈現(xiàn)由淺至深逐漸減小的現(xiàn)象，其采動影響物性差異分界線在距離底板垂深27 m 左右。

綜合上述監(jiān)測結(jié)果分析可知，110 工作面導(dǎo)水裂隙帶深度為21.75 m、應(yīng)力應(yīng)變帶為25.15 m、物性差異帶為22～27 m，該區(qū)域煤層底板變形破壞特征明顯，“三帶”劃分模型基本保持一致，具體如圖10所示。 應(yīng)力應(yīng)變帶較好地補(bǔ)充了微小裂縫監(jiān)測范圍，物性差異帶進(jìn)一步豐富了底板采動擾動范圍。

圖10 110 工作面底板采動擾動破壞層次性分帶實測Fig.10 Measurement of the sub-band of mining disturbance damage of No.110 working face floor

5 結(jié) 論

1）分析了鉆孔注水試驗法、鉆孔窺視法、光纖感知測試技術(shù)、瞬變電磁法的基本原理和特性，從“點-線-面”、動靜結(jié)合以及多參量指標(biāo)依據(jù)的角度，構(gòu)建了采動煤層底板破壞深度全空間多參量協(xié)同監(jiān)測模式。

2）分別從導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征、底板應(yīng)力應(yīng)變特征、物性差異特征進(jìn)行分析，根據(jù)煤層底板采動破壞程度將煤層底板受采動影響巖層按層次性特征，劃分為導(dǎo)水裂隙帶、應(yīng)力應(yīng)變帶和物性差異帶。

3）以平朔9 煤某工作面為實測對象，分析得出該工作面導(dǎo)水破壞帶為21.75 m、應(yīng)力應(yīng)變帶為25.15 m、物性差異帶為22 ～27 m，較好地驗證了底板采動破壞層次性劃分特征。