大平煤矿水库下综采区“三带”发育的探测技术研究.pdf

分类号 U D C 密级 1 9 3 4 3 0 7 学位论文 大平煤矿水库下综采区“三带“ 发育的探测技术研究 作者姓名 指导教师 申请学位级别 周红帅 徐白山副教授 东北大学地质资源与环境研究所 硕士学科类别工学 论文提交日期矽巧卒闲l 碉 论文答辩日期_ 力磷舌目叩目 冀予≯麓鎏 槲颈链腻孙确娜 评阅人彳象根群 。’’／ 王乃剩 东北大学 2 0 0 8 年6 月 L▲■■r f ，’ AD i s s e r t a t i o ni nE n v i r o n m e n t a lG e o p h y s i c s 旧删删I I I I I l l l l l l l l l l l I I I I I I I I I f Y 18 4 4 1 0 7 O nD e t e c t i o no f “ T h r e e z o n e “ d a m a g e c h a r a c t e r i s t i c sa tc o m b i n a t i o n m i n i n ga r e ai n 1 ～ 1o 1 o 1 3 a p i n gC O a lm l n eu n Q e rr e s e r V O l r b yz h o uh o n gs h u a i S u p e r v i s o r A s s o c i a t eP r o f e s s o rX uB a i s h a n N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y J u n e2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 二￡L 恧。 学位论文作者签名 日期 琊引中 厮寄用1 加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年口一年口一年半口 ‘t 』f 学位论文作者繇阀铡中 j 学位论文作者签名㈨匀2 I J l 了 签字日期硼绎钒J 刊． 两年d 导师签名彩参 锄 签字日期．研午调≥7 曰． ■■-【■■『 l ●ou●●、 d tl“l● 东北大学硕士学位论文摘要 大平煤矿水库下综采区“三带“ 发育的探测技术研究 摘要 水体下采煤，其覆岩“三带”以及上覆含水层赋存的构造状态是至关重要的问题。 准确地提供采煤前后顶底板岩层冒落带高度、导水裂隙带高度及其形态变化等信息，是 安全采煤可行性研究和设计的基础。传统方法是以钻探来探明，现在随着技术的发展， 应用地球物理方法与钻探资料结合可以更好的监测煤矿开采过程，识别开采前后覆岩的 破坏情况。 针对水体下覆岩“三带“ 发育状况，本文提出用横纵波地震反射法探测的新型技术 方法。首先，从覆岩“三带“ 的形成出发，分析了导水裂隙带发育的影响因素、发育规 律。其次，应用地震勘探的基本原理，在地震数据采集与处理方面，分析了采集过程以 及影响因素，讨论了反射波对比的基本规则和方法，归纳了断层、裂隙等在地震时间剖 面上的反映特征和识别标志。第三，通过在大平煤矿的具体勘探工作，阐述了横波地震 反射方法探测覆岩“三带”的实践过程，定性分析大平煤矿水库下采煤前后上层覆岩形 变趋势。最后，通过对这一采区的地震资料分析和研究，分析和归纳了断层、裂隙、采 空区在横波地震时间剖面上的反映特征和识别标志，以及在横波、纵波地震时间剖面上 进行层位标定与对比的具体方法，从而解决了利用地震横波反射法在水库冰面上探测地 下构造、裂隙、采空区的关键技术问题。 地球物理方法正进一步取代部分钻探工程，在施工难度大的区域 如水域 探测覆 岩破坏情况，为安全采煤提供了探测的新方法和新技术，也为深入研究类似条件下覆岩 破坏特征提供了参考的理论依据。 关键词地震横波反射法；覆岩；导水裂隙；探测技术 ．I I ． 冬V ●■1_■．1，o 气-1』． 东北大学硕士学位论文 A b s t r a c t O nD e t e c t i o no f T h r e e z o n e d a m a g ec h a r a c t e r i s t i c sa tc o m b i n a t i o n m l n m ga r e ai nD a p i n gC 0 a lm l n eU n d e rr e s e ⅣO l r 一 - 一 A bs t r a c t T h es t r u c t u r a ls t a t eo fo v e r l y i n gt h r e e - z o n e sr o c ki ss i g n i f i c a n ti nt h ep r o c e s so fc o a l m i n i n gu n d e rw a t e r ．T h e r e f o r e ，i ti sf o u n d a t i o no fc o a lm i n i n ga n dd e s i g n t op r o v i d ea c c u r a t e i n f o r m a t i o no fc a v i n gz o n ea n dw a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n eb e f o r ea n da f t e rm i n i n g ． N o w a d a y s ，an e w m e t h o dc o m b i n i n gg e o p h y s i c sa n dd r i l l i n gi sm o r ce f f i c i e n tt h a nt r a d i t i o n a l d r i l l i n gw a y t om o n i t o rc o a lm i n i n gp r o c e s sa n di d e n t i f yd e m a g es i t u a t i o no fo v e r l y i n gr o c k a f t e rm i n i n g ． T h i st h e s i sp r o p o s e st h en e wm e t h o do fPw a v ea n dSw a v es e i s m i cr e f l e c t i o nt od e t e c t s i t u a t i o no fr o c ki n “ T h r e e - z o n e ”a r e a ．T ob e g i nw i t h ，i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dd i s t r i b u t i n g r e g u l a r i t yo fw a t e rf l o w i n gf r a c t u r ez o n ea r ea n a l y s e di nt e r mo fo v e r l y i n gr o c kf o r m a t i o ni n t h et h r e e - t o n ea r e a ．F u r t h e r m o r e ，a p p l y i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo fs e i s m i cw a v ep r o p a g a t i o n ， t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r o c e s sa n di n f l u c i n gf a c t o r so fd a t ac o l l e c t i o n ，d i s c u s s e st h eb a s i c r u l e sa n dm e t h o d so fc o n t r a s t i n gt h er e f l e c t e dw a v e s ，a n ds u m su pt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d r c c o g n i s e ds i g n so ft h ef r a c t u r ei nt h es e i s m i ct i m es e c t i o n ．T h i r d l y , b a s e do nt h ed e t a i l e d e x p l o r a t i o ni nD a p i n gc o a lm i n e ，t h i sp a p e rc l e a r l y d e s c r i b e st h ep r o c e s so fe x p l o r i n g o v e r l y i n gt h r e e - z o n er o c kb ys h e a rw a v es e i s m i cr e f l e c t i o n ，a n dq u a l i t a t i v e l ya n a l y s e s d e f o r m i n gt r e n do ft e r r a n eu n d e r r e s e r v o i ra f t e rm i n i n g ．A tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa n d r e s e a r c ho fs e i s m i cd a t ai nt h em i n i n ga r e a ，t h ep a p e ra n a l y s e sr e f l e c t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n d r e c o g n i s i n gs i g n so ff a u l t s ，f r a c t u r e sa n dm i n e d - o u ta r e ai n t h et i m es e c t i o n ．C o n s e q u e n t l y , t h e k e yt e c h n i c a lp r o b l e m sa r es o l v e dt od e t e c tu n d e r g r o u n df r a c t u r e so fm i n e d - o u ta r e au n d e r r e s e r v o i r sb ym e a n so f S - w a v es e i s m i cr e f l e c t i n gm e t h o do nt h ei c e C u r r e n t l y , g e o p h y s i c a lm e t h o di sr e p l a c i n gd r i l l i n ge n g i n e e d n gp a r t l y ．E s p e c i a l l yi nt h e a r e aw h e r ei ti sd i f f u c u l tt oc o n s t r u c t ，i tp r o v d e san e wt y p eo fm e t h o df o rt h ed e t e c t i o no f o v e r l y i n gr o c kd a m a g e ，a n dm e a n w h i l ea f f o r d sr e f e r e n c e da c a d e m i cs u g g e s t i o n sf o rs i m i l a r r e s e a r c h ． K e yw o r d s s e i s m i cS w a v er e f l e c t i o nm e t h o d ，o v e r l y i n gr o c k ，w a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dZ o n e ， e x p l o r i n gt e c h n o l o g y ．I I I ．- ‘中o lJ白 J ， l ，- ■ 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I I 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 选题依据与研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状、发展动态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 国外研究概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 国内研究概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 主要探测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 研究内容及解决思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 第2 章“三带“ 中的导水裂隙带发育规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．1 综采区覆岩“三带“ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 导水裂隙带发育规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 ．1 水体下开采的特殊性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．2 导水裂隙带发育的影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 ．3 导水裂隙带发育规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 第3 章地震勘探基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 地震地质模型基本分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 ．1 理想弹性介质、粘弹性介质、塑性介质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．1 ．2 各向同性介质和各向异性介质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 ．3 均匀介质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．2 均匀、各向同性、理想弹性介质中的三维波动方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．2 ．1 弹性波传播方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 ．2 ．2 纵、横波波动方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．3 地震波传播的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．4 地震波的频谱⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 ．Ⅳ． 东北大学硕士学位论文目录 3 ．4 ．1 傅立叶展式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．4 ．2 地震波频谱的特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．4 ．3 地震信息取样间隔选择的基本依据取样定理⋯⋯⋯⋯⋯．．2 l 3 ．5 波的转换与绕射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．6 横波勘探与纵波勘探的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．2 3 第4 章地震数据采集与处理技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．1 地震数据采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 ．1 ．1 地震地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 ．1 ．2 资料采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 地震资料的地质解释⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．2 ．1 地震剖面与地质剖面的对应关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．2 ．2 地震反射标准层具备的条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 4 ．2 ．3 时间剖面的对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．2 ．4 时间剖面的解释⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 第5 章地震横波反射法探测“三带“ 发育的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 5 ．1 勘探区位置及自然地理条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 5 ．1 ．1 勘探区位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 5 ．1 ．2 自然地理条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 ‘5 ．2 地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．2 ．1 井田地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．2 ．2 含煤地层及煤层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．2 ．4 物性地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 5 ．3 工作目的与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 5 ．3 ．1 地质任务⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 5 ．3 ．2 工作方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 5 ．4 地震资料处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 5 ．5 地震资料解译⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯；⋯．4 5 5 ．5 ．1 ．解释方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．5 ．2 解释过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯4 6 ．V , - ’ ／一a 一 毫，兮．■ kI，，●●_-、 东北大学硕士学位论文 目录 5 ．5 ．3 地震剖面分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 第6 章结论⋯⋯⋯j ．。⋯．．- ．．二羔二⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 0 f 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 致j 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 ．V I ． ～。 ，“t ● |l、0j，勺 k∥毒 ▲．-；；；i鸟 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 水下采煤其覆岩“三带“ 发育的高度及形态与上覆含水层及水体赋存的状态对安 全开采至关重要。以往对覆岩“三带“ 发育高度的观测受钻探施工难度影响和钻探深度 限制，仅为几个点的测试成果，不能全面解决问题。从采面设计及开拓生产的角度来看， 需要地质成果有更高的精度和分辨率，并尽可能准确地提供顶底板“三带’’发育的高度、 活断层状态等信息，以往方法很难做到。应用地球物理方法与钻探资料结合可以较好的 监测煤矿开采过程，并跟踪探测，根据采区纵、横向变化的剖面成果，识别开采前后覆 岩的破坏情况。地球物理方法正进一步取代钻探方法，在施工难度大的区域 如水域 检测覆岩破坏情况，为安全采煤提供了探测的新方法和新技术，也为深入研究类似条件 下覆岩破坏特征提供了参考的理论依据和实例。 1 ．1 选题依据与研究意义 煤炭工业是我国国民经济的支柱产业，据统计，从1 9 5 0 年至今，我国已开采了1 0 0 多亿吨煤。5 0 多年的开采活动，至使易采煤炭资源日益枯竭，开采条件越来越困难，为 了能源的可持续发展，“三下“ 铁路下、水体下、建筑物下 采煤方式势在必行。水 体下采煤问题与其他问题相比，往往具有重大的潜在危险性。 水体下采煤的保护对象主要是矿井本身，其目的是防止溃水、溃泥、溃砂或超限涌 水，避免井巷遭受破坏，保证安全生产；其次是对有经济价值的水体及其附属设施进行 保护，以免遭受井下开采的不良影响。如果采场导水裂隙带的顶部波及到地表水和地下 含水层，地表水和地下水就会涌入采区，如果水量较大，将会发生淹矿的重大工程事故。 据有关统计，我国已发生突水事故数百次，直接经济损失数十亿元。 煤层开采后，覆岩必然发生破坏与移动，稳定后的上覆岩体按其破坏的程度，大致 可分为三个不同的开采影响带冒落带、裂隙带和弯曲带，即为“三带“ ，其发育高度 是能否导致采区水体渗漏的重要依据之一，关系到煤矿生产的安全。“三带“ 高度及其 形态的研究是合理确定开采边界的基础，是矿井水体下采煤安全生产的关键。特别对于 近水平厚煤层矿井的开采，合理确定开采边界，不但是煤矿安全生产的问题，更是提高 开采上限，扩大矿井储量，延长矿井服务年限，提高经济效益的有效途径。 对“三带”的探测，以往传统方法是以钻探为主要手段，它具有直观、准确等优势， ．1 ． 毒。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 但工程费用较大，钻探深度较为有限，同时测试成果仅为几个点的资料，常常受到较大 的限制，且不能全面地反映覆岩破坏的整体情况，在水库内钻探将会造成事故隐患。因 此，有效而经济地利用地球物理方法对水体下采空区覆岩“三带”域进行勘探和作出评 价，并提出适宜的防治措施有着良好的经济效益和社会效益。 “三带“ 发育高度的研究，至今仍处在理论探索和实践经验积累之中。本论文在研 究水体下煤矿采空区上覆岩层的地质与地球物理特征的基础上，结合横、纵波地震反射 法和E H ．4 在采前、采中、采后的勘探工作，研究辽宁省铁法煤业 集团 有限责任公司 大平煤矿水库下综采区“三带’’发育的高度及其形态分布。通过研究，为水体下安全采 煤提供了探测的新方法和新技术，经过实践验证，方法有效、可靠。 1 ．2 国内外研究现状、发展动态 覆岩运动和破坏是一个复杂的地质现象，其影响因素众多，对其研究存在很大的难 度。几十年来，国内外学者对其进行了大量的研究，取得了宝贵的成果和经验，但仍然 存在许多问题，目前仍处在经验积累和理论探索之中1 1 9 l 。 1 ．2 ．1 国外研究概况 国外对覆岩破坏的理论进行了长期研究，并各自根据本国实际制订了相关规程与规 定。英国矿务局早在1 9 6 8 年就颁布了海下采煤条例，对覆岩的组成、厚度、煤层采厚 以及采煤方法等作了相应的具体规定日本曾有1 1 个矿井进行过海下采煤，海下采煤 的水患防治措施严密，安全规程针对冲积层的组成与赋存厚度作出了允许与禁止开采规 定；俄罗斯于1 9 7 3 年出版了确定导水裂隙带高度方法指南；1 9 8 1 年颁布了有关水体下 采煤的规程，根据覆岩中粘土层厚度、煤厚、重复采动等条件的变化来确定安全采深。 但这些规定与规程大多是统计经验而没有深入的理论与方法研究。特别是综放开采在国 外经过了数十年的试验和发展，但由于受各方面因素的影响，从2 0 世纪8 0 年代中期开 始，其发展势头逐渐衰弱，目前仅有东欧极少数矿仍在使用。其主要原因有受客观条 件的限制，适合放顶煤开采的煤层少，受严格的安全规程和放顶煤技术自身弱点的制约， 环境保护方面的要求，传统综采的效益优势制约，对覆岩破坏高度的研究方法和有效手 段很少1 2 3 , 2 4 , 2 5 1 。基于上述原因，从而导致了在该条件下进行各项研究成果的缺乏。 1 ．2 ．2 国内研究概况 我国早在2 0 世纪5O 年代就开始了水体下采煤的研究和实践。近几十年来，我国已 ．2 ． 专 毒 ■l，；；-}J， 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 在不同条件下成功的进行了大量的开采实践，理论上也有了很大的发展，对覆岩的移动、 破坏规律有了比较深入的认识jt 犬体分为兰个阶段 1 2 0 世纪6 0 年代以前，国内煤炭资源开采的重点多集中在开采技术条件较好的 地区，但己有了水体下采煤的尝试，对导水裂隙带高度的研究基本上处于认识阶段，主 要从岩层移动造成的地表沉陷等地质灾害出发，定性分析煤岩层的地质环境条件，进而 利用经验法或类比法对导水裂隙带高度进行初步预测。其特点为以煤岩层赋存条件为主 要研究内容，研究方法主要为定性描述和分析。 2 2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代，为适应水体下采煤技术的迫切需要，开展了大量 的用专门的观测孔来研究开采导水裂隙带高度，并就观测孔中水位变化及水的漏失量等 方法，提出了有效和无效导水裂隙的区分，同时进行试验性研究工作，特别是相似材料 模拟技术也得到了较快发展。我国许多矿区在裂高现场观测资料和试验研究的基础上， 结合煤层的采出厚度、岩体的强度类型等，总结出不同覆岩类型条件下，煤层采出厚度 与冒高、裂高的相关关系式，并以此来指导实际生产。总体上说，该阶段仍处在经验积 累阶段，其研究特点为以上覆岩体地质环境为主要研究内容，但岩体力学环境已开始 日益受到重视；以导水裂隙带高度与岩体强度类型之间的关系为研究重点；研究方法己 二 ≯ ，． 从定性描述和分析向定量化研究迈出了可喜的一步。，，‘ 3 2 0 世纪8 0 年代以来，随着国民经济对能源需求的不断增长，许多水体下积压 的煤炭资源 如淮河下、微山湖下等 ，相继进入了建设和开发阶段。在借鉴国内外经验 的同时，大规模开展了对水体下 包括含水层下 覆岩破坏发育规律和防水煤 岩 柱留设 的研列3 2 1 。我国开展了许多水体下采煤的专题性研究，取得了不少突破性进展。其研究 特点为①理论上更先进，开始引入现代统计数学、损伤力学、断裂力学、弹塑性力学、 流变力学等理论和现代测试技术及计算机技术②研究内容更广泛，除重点研究地质构 造、地层岩性、水文地质特征、岩体结构等地质条件外，还广泛研究了与覆岩移动变形 有关的原岩应力场，在深入研究岩体力学特性、时间效应的基础上，对裂隙带的演变过 程进行动态分析；③研究方法更先进，广泛应用物理模拟和数值模拟方法，使研究的深 度不仅仅局限于覆岩移动变形、破坏现象等方面，而且从覆岩变形破坏过、影响因素等 方面去探讨覆岩破坏的形成机理，并在此基础上进行预测。④探测手段更加多样，在确 定覆岩破坏高度的方法上除了传统的“钻孔冲洗液法“ 外，近年来还发展了各种探测手 段，如浅层地震法、电测深法、无线电波钻孔透视法、超声成像测井法、微震监测法、 彩色钻孔电视探测法等。我国于1 9 8 5 年制订了建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱 ．3 ． 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 留设与压煤开采规程，详细规定了导水裂隙带在各类条件下的计算公式及导水裂隙带 形态的描述，也己获得了微山湖下、淮河下、渤海湾地区水域下、华东、华北、东北地 区巨厚流砂层下，以及许多矿区的含水 砂 层下压煤开采的成功范例，为解放上亿吨煤 炭储量提供了丰富经验【1 6 , 2 1 , 2 2 ] 。 从总体上看，目前对水下导水裂缝带发育规律研究成功的探测技术仍较少。这方面 问题亟待解决，其研究意义和经济效益较大，有必要进行深入研究。 1 ．3 主要探测方法 锤击横、纵波二分量共偏移距地震反射法，E H ．4 大地电导率法。 横波地震是一种人工地震方法。其分辨率之高，近地表勘探接近于地质雷达的探测 精度，能显示高倾角的地层层面、断层面、滑坡滑动面及裂隙。同时能够确认地层是否 松散和局部含水状况。其勘探特殊地质问题的能力，远高于一般常规的单一纵波地震。 对于勘探深度，工程应用上只要激发能量足够，勘探深度可超过千米，深部地球物理勘 探中深度可达到下地幔。本次勘探深度，仅用锤击就已超过5 0 0 m 以上。纵波对煤层及 大断层具有敏感性，横波对高角度和含水体等小异常敏感，两者可综合各自优势对比查 明小的地质异常位置及赋存特点。 用纵波数据首先确定煤层及不同时代地层界线位置及大的构造关系，然后再用横波 资料解释裂隙、采空冒落带等微细地质异常。最后综合各种探测资料，通过大量的试验 处理及处理成果的分析对比，进一步研究大平煤矿采空区覆岩“三带’’受采动影响的前 后变化情况及地层分布状态。因此，采用横波地震方法是研究大平煤矿水库下覆岩“三 带“ 发育状况的主要有效方法。 1 ．4 研究内容及解决思路 应用地球物理方法来确定大平煤矿水库下综采区覆岩“三带’’发育的高度及变 化趋势，为本论文的研究内容。主要解决思路首先，通过地质调查确定工作区基本地 质概况，收集相关地质资料，综合分析并提出解决地质任务的方案。选择地震反射波法、 大地电磁法进行综合物探，探测大平煤矿采煤前后上覆岩层形变特征及趋势。其次，全 面考虑各方面制约因素设计工作计划，从野外数据采集到室内数据整理，以及最后的成 果剖面的解译。本文从理论上系统地阐述解决方法，并应用到实践，取得较好的成果。 1 研究“三带“ 中的导水裂隙带发育规律、影响因素以及综放开采条件下覆岩 。4 ．7 ． 0 7 j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 破坏高度与采厚的关系。 ． 2 从浅层地震勘探基本原理出发，‘分析地震波的运动学、动力学特征，对地震 波在不同界面传播形式重点剖析，对横波、纵波、转换波与绕射波进行分析比较。 3 在地震波数据采集和处理技术方面，分析总结了地震反射标准层具备的条件， 反射波对比的基本原刚，实际的对比方法以及时间剖面的解释原则。 4 以理论研究为基础，结合辽宁省大平煤矿的勘探实例阐述地球物理方法在覆 岩“三带’’形变趋势探测中的实用性和有效性。为深入研究类似条件下覆岩破坏特征提 供了参考的理论依据。 - 5 - 东北大学硕士学位论文第2 章“三带”中的导水裂隙带发育规律 第2 章“三带’’中的导水裂隙带发育规律 2 ．1 综采区覆岩“三带“ 综合机械化放顶煤采煤方法简称综放法，其实质是在缓倾斜特厚煤层中，沿煤层底 部布置一个长壁工作面，用综合机械化方法进行回采，并利用矿山压力的作用或辅以人 工松动方法，使工作面上方的顶煤破碎，在工作面支架后方 或上方 放落【1 6 1 ，运出工作 面。． 煤层赋存于成层分布的煤系地层中。煤层被开采后形成采空区，破坏了原有的地应 力平衡，采区周围岩体的原始应力失去原来的平衡状态，应力将重新调整直至达到新的 平衡，从而致使覆岩发生破坏与移动。这类运动视具体条件不同而不同，具有显著的个 性与随机性，采空区上覆岩层的变化形式是极其复杂的。在采用综放法开采的工作面， 只要采深达到一定的深度 1 0 0 m 左右 ，覆岩的破坏和移动变形就会出现如图2 ．1 所示的 三个具有代表性的分带冒落带、裂隙带和弯曲带，这就是典型的“三带“ 理论。 图2 ．1 采空区上覆岩层移动分带不意图 1 ．冒落带I I ．裂隙带；I I I ．弯曲带 F i g ．2 ．1Z o n a t i o no ft h eo v e r b u r d e n sm o v e m e n ta b o v ew o r k e d - o u ta r e a I - c a v i n gz o n e ；I I - f r a c t u r e dz o n e H l b e n dz o n e 1 冒落带 冒落带又称垮落带，是指用全部垮落法管理顶板时，回采工作面放顶后引起煤层 直接项板岩层在自重的作用下破碎、冒落、堆积而成的区段，其范围主要由顶板岩层碎 胀性、采矿方法与矿层厚度所决定。垮落带的形成往往是多次的，第一次冒落，充满采 空区的松散岩块在其自重和上覆岩层的垂直位移所产生的压力作用下，逐渐被压实，又 形成一定的自由空间，随着上覆岩层进一步变形引起第二次冒落，如此多次反复后才终 6 ． 东北大学硕士学位论文 o ．。∥，～、％，．．．＼t j ．协蠢 ‘ 第2 章“三带一中的导水裂隙带发育规律 止冒落。根据冒落岩块的破坏和堆积状况，冒落带可区分为不规则冒落和规则冒落两部 分。在不规则冒落部分内，’岩层完全失丢亍原有的层位，在靠近煤层附近，岩石破碎、 堆积紊乱。在规则的冒落带内，岩层基木上保持原有层次，位于不规则冒落带之上。 图2 ．2 垮落带岩层破坏特征 F i g ．2 ．2T h ed e s t r u c t i o nf e a t u r eo ft h et e r r a n eo ft h ei n b r e a kb e l t 注图2 ．2 引自‘大平煤矿水库下试采面综放开采技术研究总结报告 冒落带的高度主要取决于采出厚度和上覆岩石的碎胀系数，通常为采出厚度的3 ～5 倍。薄煤层开采时冒高较小，一般为采出厚度的1 ．7 倍左右。项板岩石坚硬时，冒落带 高度为采出厚度的5 - 6 倍；顶板为软岩时，冒落带的高度为采出厚度的2 。4 倍。实践 中可用式2 ．1 近似估算冒落带高度 。正面m 荔 2 ．1 式中 h 一冒落带高度，m ； m 采出煤层厚度，m ； k 岩石碎胀系数；‘． 口煤层倾角， 在冒落带中，破碎后的岩块呈不规则垮落，排列极不整齐，碎胀系数比较大。岩石 的碎胀系数取决于岩石性质，坚硬岩石碎胀系数较大，软岩碎胀系数较小。碎胀系数值 恒大于1 ，一般在1 ．0 5 “ - - 1 ．8 0 之间，具体参看表2 ．1 。冒落带内岩块之间空隙多，连通性强， 是水体和泥沙溃入井下的通道，也是瓦斯逸出或聚集的场所，是采煤工作面安全生产的 ．7 一 东北大学硕士学位论文第2 章“三带”中的导水裂隙带发育规律 主要威胁。 表2 ．1 岩石的碎胀系数 T a b ．2 ．1e x p a n d i n gc o e f f i c i e n to f r o c ka f t e rf a i l u r e 2 裂隙带 裂隙带又叫导水裂隙带或破裂弯曲带，它是指位于冒落带之上，具有与采空区连 ． 通的导水 或导气 裂隙，但连续性并未受破坏的那一部分岩层，如图2 ．3 所示。裂隙带 的裂隙主要有两种一种是垂直或斜交于岩层的新生张裂隙，它主要是由于冒落带中的 破碎岩石不断压实，上覆岩层弯曲下沉受拉及上位岩层受剪而产生，它可部分或全部穿 过岩石分层，但其两侧岩层基本无相对位移而保持层状连续性；另一种是沿层面的离层 裂隙，离层裂隙主要是因岩层间力学性质差异较大，岩层弯沉不同步所致。煤层上方的 岩层在开采的影响下，一般在回采工作面3 0 - - 一4 0 m 处开始变形，其特点是水平移动较为 剧烈，垂直移动甚微。当工作面推过一定距离之后，才引起垂直位移急剧增加，但各层 位移速度不同，具有越向上移动越缓慢的特点，从而形成层间离层。在水平位移和垂直 位移共同作用下，临近煤层的岩层断裂成岩块，远离煤层的岩层则形成垂直或斜交与岩 层的新生张裂隙。当已断裂的岩层重新受到己冒落矸石的支撑时，各层移动的速度特点 是邻近煤层的岩层运动速度要缓于其上岩层，各层又进入互相压合的过程。裂隙带中 的离层裂隙是贮水和导水的通道。裂隙带之上也有离层裂隙，可以层间贮水和积水，但 因垂直裂隙不发育，故不与下部裂隙沟通。裂隙带的下部，垂向裂隙逐渐发展增强，离 层裂隙与垂向裂隙连通，导水性明显增加，并能向下与采空区连通，故裂隙带又称为导 水裂隙带。导水裂隙带若波及上覆水体，可将上覆水体导入井下。在解决水体下采煤的 ．8 一 ． ’’●‘ ●‘ ’’ ，．、j 。‘’’％一囊． h ．0 ‘P ‘ ● ’ ‘． 东北大学硕士学位论文第2 章“三带”中的导水裂隙带发育规律 可行性问题当中，该带具有重要意义。 ’。‘～‘．；．≯，F 气，≥晤留●‘．。≮一 ab 图2 ．3 裂隙带岩层破坏特征 a ．底部岩层b ．中上部岩层 F i g ．2 ．3T h ed e s t r u c t i o nf e a t u r eo ft h et e r r a n eo ft h ef r a c t u r a t i o nb