0 引 言
煤炭资源开采后，覆岩将发生移动、变形、破断，且在岩层中产生采动裂隙，最终自上而下形成“三带”[1-3]。 采空区覆岩破坏规律及导水裂隙带高度和垮落带(下称“两带”)的探测是煤矿安全开采及采空区上方地表土地二次开发利用的热点问题之一，不仅对矿井水害防治[3]、生态环境脆弱地区水资源的保护[4-5]、水下安全采煤[6-7]、矿井瓦斯灾害防治[8-9]及煤层气资源开发利用等有重要意义，而且对指导采空区充填灌注治理施工与采空区上方地表土地二次开发利用至关重要。
采动覆岩的宏观断裂失稳和破坏与其变形时内部微裂隙的分布以及微裂纹的产生、扩展和聚集密切相关，其变形破坏过程实际上就是内部裂纹产生、扩展、相互作用直至贯通破坏的动态演化过程[10-11]。 因此，岩体内裂隙发育状况的探测、统计和分析是系统研究采动条件下岩体断裂破坏内在本质规律的关键。 对于采动覆岩裂隙分布规律与导水裂隙带高度的研究，国内外众多学者开展了大量工作，取得了众多有益的结论，其中，以刘天泉等根据大量的实测数据总结并写入《“三下采煤”规程》(下称《规程》)的垮落带和导水断裂带发育高度经验公式[12-13]和钱鸣高提出的采动裂隙分布“O 型圈”理论[14]最为代表，同时文献[15-19]众多学者采用理论分析、相似模拟、数值计算、现场钻探与物探实测[21-22]等方法对充分开采条件下采动裂隙、导水裂隙带高度进行了探测与研究。 上述研究主要是针对充分采动条件下宏观的变形破坏规律，而对非充分采动条件下覆岩变形与岩体内部细观裂隙扩展、产状及分布规律的研究较少。 条带开采作为我国建筑物及水体下主要采煤方式，自1967 年抚顺胜利矿利用充填条带法进行市区下采煤以来，先后在抚顺、阜新、蛟河、峰峰、鹤壁、平顶山等多个矿区进行了开采的试验与实践[23]，取得了很多有益成果。 条带开采技术已比较成熟，但是目前鲜有非充分采动下采动裂隙及“两带”高度相关方面研究[24]，为此，开展深埋煤层非充分采动下覆岩破坏规律研究，对于完善基础理论及指导现场生产意义重大。
笔者以济宁煤田某煤矿为试验矿井，采用传统经验公式、钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔电视探测3 种方法，定量探测了采动岩体裂隙场内裂隙的宽度、倾角和产状分布及其发育特点，为该类矿井水害与瓦斯防治提供了重要依据。
1 工作面概况
济宁煤田某矿井年产240 万t，采用立井分水平开拓(主井、副井、风井)，中央并列式通风，条带短壁式综合机械化一次采全高采煤工艺，顶板自然垮落法管理，338 工作面宽度50 m，走向长度650 m，两侧煤柱宽度各100 m。 开采下二叠系山西组3上煤层，平均采高2.8 m，煤层埋深538 ～595 m。 试验在338 工作面上方布置1 个探测孔，终孔层位以进入3上煤层底板不小于5 m 为标准，具体钻孔布置如图1 所示。
图1 探测钻孔布置示意
Fig.1 Diagram of drill hole arrangement
2 传统经验公式计算
2.1 覆岩岩性特征
研究区含煤地层为二叠系山西组砂泥岩地层，煤层直接顶板以砂质泥岩、泥岩为主，厚度6.30 ～15.70 m，平均厚度10.79 m，局部夹薄层粉细砂岩，偶见中粗砂岩，局部见泥岩或粉砂岩伪顶一层，厚0.20～0.53 m，裂隙发育。 直接顶岩石饱和抗压强度23.70～51.50 MPa，平均为 34.14 MPa。 直接顶之上发育有厚层中粗砂岩，局部为粉、细砂岩，厚度11.20～19.49 m，平均厚度16.33 m，岩石饱和抗压强度 42.50 ～94.3 MPa，平均为 65.62 MPa。 采空区上覆岩层28 组岩样物理力学性质试验结果见表1。
表1 场地岩石物理力学性质指标统计
Table 1 Statistical of physical and mechanical properties of site rocks
注：数据表达式为最小～最大平均值 。
2.2 “两带”高度计算
根据前述分析，采空区直接顶板为砂质泥岩、泥岩，饱和单轴抗压强度平均为34.14 MPa，属于中硬易软化岩石，采空区导水裂隙带范围以厚层的中粗砂岩和粉砂岩为主，按厚度加权平均岩石饱和单轴抗压强度大于40 MPa，为坚硬岩。
1)垮落带高度计算。 按照《规程》[13]采空区直接顶板为中硬覆岩条件下的垮落带高度可按式(1)计算，即
式中：Hm为垮落带最大高度；∑M 为累计采高。
研究区采高2.8 m，由式(1)计算，可得垮落带高度6.51 m～10.91 m，为采高的2.32～3.90 倍。
2)导水裂隙带高度计算。 按照《规程》[13]，采空区为坚硬覆岩条件下的导水裂隙带高度可按式(2)计算，即
式中：Hli为导水裂隙带最大高度。
由式(2)计算，可得导水裂缝带发育高度为43.34～61.14 m，为采高的 15.48～21.84 倍。
3 钻孔冲洗液法探测
钻孔冲洗液法是测定导水裂隙带发育高度的传统方法，通过观察钻进过程中钻孔冲洗液的漏失量、钻孔水位变化及在钻进过程中的各种异常现象(如掉钻、卡钻、埋钻、吹吸风、瓦斯涌出等现象)，经分析综合确定导水裂隙带和垮落带的发育高度。
3.1 钻进过程整体描述
施工探测钻孔1 个，采用回转钻进工艺，开孔孔径ø150 mm，钻探揭露土层厚度266.72 m，钻进至272.96 m 后下入 ø127 mm 套管，其后变径为 ø108 mm 取心施工至565.87 m 终孔。
钻孔施工至435.00 m 冲洗液出现小幅度漏浆现象，经局部处理，恢复正常，初步判断该处为地层原生裂隙所致。 钻进至494.20 m，冲洗液漏失量大幅度增加，水位埋深随之加大；钻进至515.70 m 浆液全孔漏失，孔口不返水，钻孔水位接近终孔水位埋深。 在504.42～533.00 m 区段岩心采取破碎，岩心中发育多处近垂向裂隙，551.10 ～557.93 m 区段岩体破碎堆积松散，卡钻严重，取心困难。
3.2 钻孔冲洗液漏失量与简易水文观测分析
将钻进过程冲洗液漏失量、孔内简易水位观测的水位与钻孔深度埋深关系如图2、图3 所示。
图2 钻孔冲洗液漏失量与钻孔深度关系
Fig.2 Curves of relationship between loses of drilling fluid and drilling depth
由图2、图3 可知，钻孔施工至494.2 m 以前，钻孔冲洗液消耗变化不大，总体趋于平稳，局部轻微波动，单位时间漏失量为 0.98 ～2.18 L/min，平均为1.56 L/min；每米进尺浆液漏失量为101 ～244 L/m，平均为150 L/m；孔内水位随钻孔深度的增加由27.1 m平稳增加至59.6 m。 494.2 m 以后冲洗液漏失量突然大幅度增加，单位时间漏失量平均增加至70.16 L/min，为之前的45 倍；每米进尺浆液漏失量平均增加至1 897 L/m，为之前的12.6 倍，孔内水位明显下降至117.35 m。 515.7 m 浆液全漏失后，单位时间漏失量最大达到176.83 L/min，每米进尺浆液漏失量达到4 191 L/m，孔内水位降至415.68 m。 从图2、图3 中可见，单位时间、单位进尺漏失量与孔内水位的变化趋势基本一致。 因此判断494.2 m 为导水裂隙带顶点位置。
图3 钻孔水位与钻孔深度关系曲线
Fig.3 Relation curve between borehole water level and borehole depth
3.3 钻孔岩心采取率与岩石质量指标分析
由于钻孔进入垮落带之前，冲洗液早已完全漏失。 垮落带的顶点应根据钻进过程的异常现象、地层岩性及岩心破碎情况确定。 本次探测将钻孔岩心采取率和岩石质量指标RQD 如图4 所示。
图4 岩心采取率、RQD 与钻孔深度关系曲线
Fig.4 Relation curve of core recovery，RQD and borehole depth
由图4 可知，钻孔在 551.35 ～559.55 m 时，卡钻严重，取心困难，岩心破碎，采取率低。 初步确定551.35 m 为垮落带顶点。 根据前述分析，导水裂隙带以上地层岩心平均采取率70.4%，RQD 为62.4%；裂隙带岩心采取率为67.1%，RQD 为42.0%；垮落带岩心采取率为15.0%，RQD 为6.0%。
3.4 钻进速度分析
将钻进速度与钻孔深度关系曲线如图5 所示。由图5 可知，进入基岩至511 m 之前区段，钻进速度维持在6.6～12 mm/min，平均为 10.4 mm/min，总体趋于平稳，局部存在轻微波动；511 m 以后区段钻进速度变化显著，钻进过程时快时慢，钻进速度为7.9～80 mm/min，平均为 32.5 mm/min。 559.55 m 以后速度降低为23.2 mm/min，逐渐恢复平稳，表明进入采空区底板。 导水裂隙带平均速度是其上覆岩层的3.11 倍。 511 m 至 559.55 m 段钻进忽快忽慢，主要原因是采动后形成的离层裂隙与局部完整岩块交错分布所致，随着进入垮落带地层破碎程度的增加，卡钻现象愈加严重，造成底部钻进速度有所降低。
图5 钻进速度与钻孔深度关系曲线
Fig.5 Relationship curve between drilling speed and drilling depth
4 孔内电视裂隙数字化探测
数字式光学成像技术是基于全景图像和数字技术的数字式光学成像系统，全景图像覆盖了360°的钻孔孔壁，而数字技术则提供了强有力的形成、显示和处理全景图像的能力。 该系统可对钻孔中地质体的颜色、组成、颗粒结构、形态、节理、裂隙等各种特征和细微变化实时观测、监控和记录。
4.1 “两带”高度的探测
观测得到的孔壁图像横向按照N—E—S—W—N 顺序展开，竖向按深度自动拼接，精度至毫米。 探测自280 m 开始，至553.3 m 结束，实际探测段长度为 273.3 m(图6)。 孔深 492.5 ～495.5 m 彩色图片显示(图6a)，在493.55 m 处存在横向裂缝，裂缝宽度较大约35 mm，该位置与钻探过程漏水位置接近，判断孔深493.55 m 为导水裂隙带的顶点位置。孔深 533.5 ～ 536.5 m(图6b)及 538.2 ～ 541.2 m(图6c)孔内电视显示发育有宽度不等采动离层裂隙，局部数组裂隙形成破碎带。 孔深550 ～553 m孔内电视图片显示(图6d)，551.1 m 以下岩体随机堆积而成，纵横向裂缝均有发育，无法辨认单一裂缝的产状，空隙率大，判断551.1 m 为垮落带顶点。
图6 孔内彩色电视观测图片
Fig.6 Color TV observation picture in hole
4.2 采动裂隙的数字化分析
4.2.1 裂隙产状分析
由于孔深450 m 以上覆岩裂隙基本不受采动影响，为此重点研究450 m 深度以下覆岩裂隙。 经统计，试验钻孔450 m 以下共发育裂隙127 条，裂缝形态各异、倾角大小不一，绘制了节理裂隙的产状云图(图7)和节理裂隙倾斜玫瑰图(图8)。 由图8 可知，裂隙主要向NEE 方向倾斜。 初步分析，是由于地层由东北向西南倾斜，倾向233°，且工作面走向布置为北东向西南方向，与地层夹角约15°。 工作面采用俯采，先开采采空区顶板首先发生断裂，造成采动裂缝主要发育方向为NEE。
根据裂隙倾角大小绘制出裂缝倾角与裂隙数量统计曲线(图9)，由图9 可知，在所统计的127 条裂隙中，倾角小于 30°的占 31%，倾角 30°～40°的占20%，40°～50°占 13%，50°～60°占 13%，60°～70°占9%，大于 70°占 14%。 根据统计可知，30°～60°的裂隙58 条，占统计的46%，比例较高，由此可知，采动覆岩发育以斜裂缝为主。
图7 节理裂隙产状云图
Fig.7 Joint and fissure occurrence nephogram
图8 节理裂隙倾斜玫瑰图
Fig.8 Joint oblique rose diagram
图9 采动覆岩裂隙倾角分布曲线
Fig.9 Distribution curve of mining overburden fissure dip angle
4.2.2 裂隙深度分布特征分析
对钻孔深450 m 以下裂隙与破碎带分布位置与发育宽度进行统计(图10)，由图10 分析如下：
1)埋深 450 ～493 m(标高-412 ～-455 m)弯曲带底部43 m 范围内，发育裂缝29 条，地层以原生微小节理裂隙为主，裂缝宽度一般为3 ～25 mm，平均约为7 mm，个别裂缝宽度较大。 裂缝内部多为原生充填物，钻进过程浆液消耗量略有波动，未发生明显变化，说明裂隙扩展长度有限，连通性不好，判断该范围内主要为地层原生节理裂隙，对地表后续变形无明显影响。
2)埋深493～526 m(标高-455—-488 m)裂隙带上部33 m 范围内，发育裂缝43 条，地层裂缝主要为采空区覆岩移动形成，裂缝宽度多数为10 ～35 mm，平均约为12 mm，个别裂缝宽度达75 mm，局部数组裂隙发育为小破碎带，该范围裂缝内部多充填采动岩体破碎过程产生的碎屑及钻探岩屑，钻进过程冲洗液消耗与上部地层相比发生显著变化，浆液全部漏失，说明部分裂缝发育较长，裂缝间连通相对较好。 由于该段裂隙宽度有限，且内部多有充填物，对采空区地表后续变形影响总体较小。
图10 裂隙分布位置及宽度曲线
Fig.10 Fracture distribution position and width curves
3)埋深526～551.1 m(标高-488～-513.4 m)裂隙带下部25.1m 范围，发育裂缝54 条，裂缝及空洞为采空区覆岩移动形成，裂缝宽度多数为10 ～130 mm，平均约为25 mm，个别裂缝宽度180 mm，发育多处由数组裂隙形成的破碎带，该范围裂缝内部多充填采动岩体破碎过程产生碎屑及钻探岩屑，钻进过程冲洗液全部漏失，裂缝发育长，裂缝间连通较好。 裂缝多以层状形式分布的离层裂隙和大角度的垂向裂缝。 该范围裂缝是采动引起的主要裂缝发育区域，对采空区地表后续变形存在一定程度影响。
4)埋深 551.1～559.55 m(标高 -513.4 ～-521.9 m)区段该范围内岩体成块状随机堆积，岩体形状不一，堆积松散，空隙大，纵横向裂缝均有发育，无法辨认单一裂缝的产状，该段底部钻孔成孔后不能自稳，塌孔严重，钻具提出后立即塌落。 判断该段为采空区垮落带范围，是采空区地表后续变形的主要根源所在。
5 “两带”高度的综合确定与对比分析
本次探测“两带”高度采用以孔内电视探测为主，以钻孔冲洗液法与传统经验公式计算为辅的探测方法，综合确定导水裂隙带高度为66.0 m，为采高的23.6 倍；垮落带高度8.45 m，为采高的3.02 倍(表 2)。
表2 “两带”高度综合确定
Table 2 Comprehensive determination of “two zones” heights
“两带”高度/m项目传统经验式 钻孔冲洗液法 孔内电视综合确定导水裂隙带 43.34～61.14 65.35 66.00 66.00垮落带 6.51～10.91 8.20 8.45 8.45
钻孔彩色电视观测为全孔段连续实时观测，且能直观对岩体内部裂隙发育情况及分布位置准确定位和定量描述，精度最高，可实现采动裂隙探测的可视化与数字化。 钻孔冲洗液法在钻进过程中为分段进行记录，存在观测滞后情况，导致漏失位置数据存在一定偏差，精确度较孔内电视要低。 传统经验公式法精确度最差，仅能确定“两带”发育高度的大致范围，且对地层结构与岩体强度考虑不足。
根据所研究工作面的尺寸(宽度50 m，走向长度650 m)、采空区的埋深(538 m～595 m)及覆岩特征，依据GB51044—2014 的规定，采空区在工作面走向达到充分采动，在倾斜方向为非充分采动，计算采空区地表充分采动系数仅有0.265。 本次实际探测覆岩破坏高度大于传统经验公式充分采动的计算值，已经达到了《规程》[13]充分采动的高度，原因分析如下：
1)《规程》[13]中的经验公式是基于炮采与普通机采、推进速度在40 m/M 左右的开采前提下获得的，本次研究的338 工作面开采仅用了100 天时间，推进速度195 m/M，开采速度与强度远大于规程[13]中开采情况，导致虽然为非充分采动，但覆岩破坏高度依然较大。
2)《规程》[13]经验公式中的自变量只有煤层采厚一个参数，虽然公式在一定程度上考虑了地层产状和覆岩岩性，但由于每个矿区的具体地质条件、采矿条件、采煤方法皆不同，所以其计算结果一般作为参考数据，需结合其它方法来综合判定。
3)采空区覆岩的地层结构是导致破坏高度大的主要原因，研究区上部约260 m 厚的松散土层提供了巨大荷载，而煤层直接顶上部的巨厚坚硬中粗砂岩作为该区主关键层发生破断为裂隙向上扩展提供了有力条件。
6 结 论
1)通过传统经验公式计算、钻孔冲洗液观测和孔内电视探测，得到缓倾斜(煤层平均倾角6°)、埋深(538 ～595 m)、条带式非充分采动下导水裂缝带高度为66.0 m，为采高的23.6 倍；垮落带高度为8.45 m，为采高的3.02 倍。
2) 采动覆岩裂缝主要发育在采空区底板(559.55 m)以上约33.55 m 范围，裂隙以NEE 向斜裂缝为主。 钻探过程未发生明显掉钻，覆岩内部发育有多处离层裂隙，说明采空区顶板已发生垮落，但垮落尚不充分。
3)将理论计算与现场实测相结合，将定性分析与定量探测相对照，所得结果可靠，可为该矿水害与瓦斯防治提供参考和借鉴，具有一定的实际意义。
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