本文创新点

本文构建了煤层底板采动破环全空间多参量协同监测模式，并依据监测结果从裂隙导水性、拉伸剪切应变、采动岩层物性等多参量角度，将传统“下三带”理论中的煤层底板采动导水破坏带划分为导水裂隙带、应力应变带、物性差异带，为煤层底板带压开采突水危险性评价和注浆治理层位选择提供依据。

作者简介张玉军研究员

张玉军，博士，研究员，硕士生导师，中国煤科首席科学家，现任中煤科工开采研究院有限公司（天地科技股份有限公司开采设计事业部）安全与生态环境研究所副所长。获孙越崎青年科技奖、全国煤炭企业建功立业优秀大学毕业生。中国煤炭学会煤矿开采技术鉴定委员会委员、吉林省应急管理厅专家库专家、山西省煤炭学会千人智库高级专家。《煤炭科学技术》、《矿业安全与环保》、《中国安全科学学报》青年编委。主持国家自然科学基金面上项目项，主持和参与国家项目、科技支撑项目、中国工程院咨询项目、集团科技创新等基金项目0余项，主持和参与煤炭企业合作项目余项。14项成果获省部级科技进步奖，其中一等奖项，二等奖4项。发表论文50余篇，SCI/EI检索1篇，参与编写专著部；授权发明专利0余项；参与修订了《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》。

作者

张玉军１,２,３，张风达１,２，张志巍１,２，孙林１,２，李友伟１,２

单位

1.中煤科工开采研究院有限公司；.天地科技股份有限公司开采设计事业部；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室扫码阅读全文摘要

为全面获取采动煤层底板破坏演化及层次性特征，采用钻孔注水试验法（点）、钻孔窥视法（点）、钻孔分布式光纤监测法（线）、瞬变电磁法（面）4种方法，构建了煤层底板全空间点-线-面协同监测模式；根据煤层底板采动破坏程度，从裂隙导水性、拉伸剪切应变、采动岩层物性多参量角度，将将传统的“下三带”中的煤层底板采动导水破坏带划分为导水裂隙带、应力应变带、物性差异带；以平朔矿区9煤工作面为实测对象，监测获取了采动煤层底板全空间、动静态、多层次变形破坏特征。研究结果表明：点-线-面多参量协同监测方法在监测空间上可实现点线面动静结合监测，在监测内容上可满足直接或间接获取裂隙发育特征、导水性、应变变形以及物性等多参量的要求。钻孔注水试验法和钻孔窥视法为直接监测裂隙发育特征的方法，获取的导水破坏带高度为1.75ｍ；采用钻孔分布式光纤监测法可动态监测裂隙发育特征，分析得出在工作面推进至钻孔附近，底板局部岩体出现拉伸破坏，工作面推过钻孔一段距离，底板岩体拉伸程度继续增大、但破坏深度基本保持稳定，实测得出应力应变带高度为5.15ｍ；采用瞬变电磁法可对比获取采前、采后底板岩体物性变化特征，分析得出物性差异带高度为～7ｍ，较好地验证了底板采动破坏层次性划分特征。

研究背景

我国中东部浅部煤炭资源日益枯竭，伴随开采深度逐渐增加，煤炭资源的安全开采受奥陶系灰岩水威胁日趋严重。煤层开采导致底板局部岩体发生塑性变形而丧失阻隔水能力，煤层底板破坏深度是带压开采评价以及奥灰水害治理层位确定的重要内容。近年来，国内学者针对煤层底板破坏深度监测开展了大量研究。朱术云、段宏飞等采用应力应变传感器对煤层底板破坏深度进行了实测研究；张平卿采用“一发双收”探头进行了底板破坏深度的超声波探测；孙建等统计了煤层采动过程中底板岩体的微震事件，研究指出倾斜工作面煤层底板呈“勺形”破坏形态；刘超等通过微震监测得出底板岩体破裂事件主要集中在超前支承压力增大区和采空区应力低值区；刘志新等提出了环工作面电磁法观测系统，用于监测工作面底板突水危险性；宋文成等采用双端封堵测漏装置对底板破坏深度进行了探测；王莹等通过对比采动前后覆岩电阻率变化，研究覆岩破坏特征；笔者等综合采用钻孔漏失量观测法和钻孔窥视法对覆岩破坏高度进行监测；王厚柱等采用直流电法对近距离煤层重复采动底板破坏深度进行监测，监测的下行开采过程中采空区下的煤层底板破坏深度小于预计值；王朋朋等借助微震监测和承压水水位监测数据，为研究底板突水危险性提供新途径；有文献针对不同地质采矿条件采用微震方法对底板破坏深度、裂隙演化进行了监测。综合分析，国内外学者针对煤层底板破坏、底板突水危险性进行了较为全面的监测，但是多为一种或两种手段进行监测，监测内容相对较为单一。从煤矿水害的精细化研究角度出发，距离煤层底板距离不同，采动破坏程度也存在较大差异，不仅底板采动导水裂隙能够诱发水害事故，甚至产生微小裂隙甚至应力变化底板岩体也极易导通隐伏构造，从而诱发底板突水事故。目前，关于该方面的研究相对较少。

为此，基于底板钻孔注水试验、钻孔窥视、光纤感知测试和瞬变电磁4种方法的基本原理与特点，提出了点-线-面全空间多参量协同监测模式，并对煤层底板采动扰动破坏程度进行重新划分，结合现场工程实测案例进行了验证。

内容概要

1全空间多参量协同监测模型的构建1.1监测方法基本原理1.1.1钻孔注水试验法图1双端堵水器结构示意1.1.钻孔窥视法

钻孔窥视法是将自带光源的防水高清摄像探头放入已施工的底板钻孔，逐段捕获钻孔中不同深度的地质构造、裂隙发育、水位等全景图片和视频，从而为底板采动破坏裂隙演化特征和发育深度定量化确定提供直观的图像信息和资料。

1.1.3钻孔分布式光纤监测法

钻孔分布式光纤监测法主要采用基于布里渊散射原理分布式光纤感测技术来实现底板岩层变形监测。

1.1.4瞬变电磁法

瞬变电磁法是探测介质电阻率的一种方法，从而获取底板裂隙发育特征。

1.全空间多参量协同监测思路

１）监测空间上实现点-线-面、动静结合监测。

２）监测内容上实现直接或间接获取裂隙发育等多参量特征。

1.3全空间多参量协同监测模式

图底板破坏深度全空间多参量协同监测模式

图3点-线-面全空间多参量监测布置方式

基于全空间多参量监测采动煤层底板破坏的层次性划分

图4煤层底板受采动影响分带模型

3全空间多参量协同监测方案

图5监测钻场布置示意

4全空间多参量监测效果分析4.1注水试验和钻孔窥视法

图工作面注水量监测变化

4.分布式光纤监测

图7光纤监测孔设计示意

图8应变曲线和岩层柱状图对应示意

4.3瞬变电磁法图工作面9煤00号和号测点采前和采后视电阻率剖面对比4.4协同监测综合分析

图工作面底板采动扰动破坏层次性分带实测

结论

１）分析了钻孔注水试验法、钻孔窥视法、光纤感知测试技术、瞬变电磁法的基本原理和特性，从“点-线-面”、动静结合以及多参量指标依据的角度，构建了采动煤层底板破坏深度全空间多参量协同监测模式。

２）分别从导水裂隙发育特征、底板应力应变特征、物性差异特征进行分析，根据煤层底板采动破坏程度将煤层底板受采动影响岩层按层次性特征，划分为导水裂隙带、应力应变带和物性差异带。

３）以平朔9煤某工作面为实测对象，分析得出该工作面导水破坏带为1.75ｍ、应力应变带为5.15ｍ、物性差异带为～7ｍ，较好地验证了底板采动破坏层次性划分特征。

引用格式张玉军，张风达，张志巍，等.采动煤层底板层次性破坏特征全空间多参量协同监测［J］.煤炭科学技术,0,50（）：86-94.ZHANGYujun，ZHANGFengda，ZHANGZhiwei，etal.Full-spacemulti-parametercooperativemonitoringoffailurehierarchycharacteristicsofminingcoalseamfloor［J］.CoalScienceandTechnology，0，50（）：86-94.

来源：煤炭科学技术丨初编：煤小青

责编：集团公司团委

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