作者；张毅
在现实矿井生产开采中，工作面上覆岩层的破坏程度对矿井安全产生重要影响，引起了人们的高度重视。张宏伟等针对同忻煤矿特厚煤层综放开采的覆岩破坏高度进行了研究，得出覆岩破坏高度为采高的10.0~11.5倍，关键层的破断控制着覆岩破坏的发育。顾秀根等对综放条件下垮落直接顶“两带”分布高度进行了研究，认为散体状态的直接顶在某一时刻形成的“散体
拱”结构构成了不规则垮落带和规则垮落带的分界线，不规则垮落带分布的高度取决于拱的高度和煤层厚度。康永华等对高水压裂隙岩体综采覆岩破坏规律进行了研究，其覆岩破坏高度明显加大，破坏程度异常剧烈，与坚硬顶板覆岩破坏相似。众多国内外学者专家对覆岩结构特征进行了分析，根据不同的地质特征得到了相应的结论，地质条件和开采工程的复杂性决定了覆岩破坏特征的多变性，对工作面防水、防瓦斯等具有重要指导意义。
本文以老虎台矿83002工作面为背景，分别采用EH-4物理探测、数值模拟及微震监测对83002工作面回采后的覆岩破坏形态进行分析观测，确定了覆岩破坏高度与采出厚度之间的关系，确定了覆岩破坏的离层空间。研究成果可指导下一分层83003工作面的安全开采并为类似条件下特厚煤层分层开采的安全提供重要借鉴。
1 工程背景
老虎台矿西部区域煤层属于巨厚煤层，煤层厚度为94～104 m，内部含有多层夹矸，煤层采用分层开采。目前正在开采83003工作面，煤层标高- 748.2~- 833.5m，煤层厚度平均11.8 m，倾角150~320，属于四、五分层，采用综合机械化放顶煤开采，其上覆紧邻工作面为83002已采工作面，下部为五分层煤层及煤层底板。岩层性质比较单一，由地表到底板依次为砂砾岩、绿色页岩、油页岩和凝灰岩。为保证83003工作面生产安全，加强对水灾害防治，在工作面开采前需对其覆岩破坏高度进行了充分研究，即对83002已采工作面回采结束后覆岩形态特征进行充分了解，来指导83003工作面安全回采。
83002已采面煤层标高为- 825~- 744 m，厚度平均11.6 m，倾角150~320，属于四、五分层，采用综合机械化放顶煤开采。该工作面东邻73001已采面，西至矿田边界，上部为83001、78002已采面，北部为83001已采面，如图1。基本顶为采空区冒落煤岩堆积物，即顶板为
83001等已采面冒落煤岩堆积物，主要由油母页岩组成；底板为泥岩。
2 覆岩结构破坏的EH -4物理探测
2.1EH -4探测原理 煤层被开采后形成采空区，破坏了原有的应力平衡状态。多数采空区在重力和地层应力作用下，顶板塌落，形成垮落带、裂隙带和弯曲带，使得采空区及其上覆岩层的地球物理特征发生了显著变化，主要表现为：煤层采空区垮落带与完整岩层相比，岩性变得疏松、密实度降低，其内部充填的松散物的电阻率明显高于周围介质，在电性上表现为高阻异常；煤层采空区裂隙带与完整岩层相比，岩性没有发生明显的变化，但岩层中发育的裂隙充入空气致使导电性降低，在电性上也表现为高阻异常；煤层采空区垮落带和裂隙带若有水注入，使得松散裂隙区充盈水分达到饱和程度，会引起该区域的电导率迅速增加，表现为其电阻率值明显低于周围介质，在电性上表现为低阻异常。这种导电性差异使得EH -4大地物理探测在覆岩破坏上的应用提供了良好的前提。
2.2 EH -4探测布置
采用EH -4大地测量对83003工作面回采前上覆岩层进行物理探测，即探测83002工作面回采结束后的覆岩垮落结构。在83003工作面共布置了2条测线，如图2所示，其中1号测线沿工作面走向（东西向）布置，测线长740 m，测点间距20 m；2号测线沿工作面倾向（南北向）布置，测线长度460 m，测点间距20 m，采用天然电磁信号进行测试。
2.3探测结果
83003工作面EH -4探测深度达到了-1 378 m。电阻率范围在10~ 890 Ω．m之间。由于83003工作面标高为-830 m，因此选取- 900 m以上的数据进行分析，探测结果如图3、图4。
83003工作面上覆岩层电阻率在10~ 890 Ω．m之间。电阻率总体变化趋势是由浅至深电阻率逐渐增大，工作面东侧电阻率显著高于西侧。工作面西侧电阻率在10~ 300Ω ．m之间，大部分处于200 Ω．m以下；工作面中部和东侧电阻率多处于200 Ω．m以上；工作面东侧-150~- 240 m之间出现了局部高阻区，电阻率达到了650 Ω．m；工作面东侧- 300~- 500 m之间存在较大的高阻区，电阻率为600~ 900Ω ．m；在工作面中部- 400~- 500 m、- 600~- 760 m之间存在纵向大面积高阻区，电阻率为450~ 810 Ω．m。
选取沿83003工作面走向测线的剖面图，结合剖面图的地层结构（图3a），与EH -4进行对比（图3b），该区域地层结构为：①砂砾岩层，+79~- 310 m，厚度为389 m；②绿色页岩层，- 310~-597 m，厚度为287 m;③油页岩层，- 597~- 720 m，厚度为123 m；④煤层，- 720~- 808 m，厚度为88 m；⑤凝灰岩层，-808 m以下。因此，在沿83003工作面走向上覆岩层中存在结构变化区域。工作面东侧上覆岩层中砂砾岩与绿色页岩交界面（- 240~- 280 m）上方出现的高阻区，判断此处存在离层空间。- 300~- 500 m范围内的电阻率异常高值区，判断此范围岩体结构受到了采动破坏。- 600~-760 m处电阻率异常高值区表明该处岩体破坏较其上方更为严重，判断为采动影响下油页岩与绿色页岩之间（- 600 m）产生离层。
因此，确定83003工作面上覆岩层受采动影响，煤层上方370 m左右处出现覆岩离层，即离层主要出现于F1断层处。
在83003工作面回风顺槽南侧存在科研挖-1钻孔（图4a），在运输顺槽南侧存在83 -1钻孔（图4a）。科研挖-1钻孔孔口标高为+79 m，钻孔揭露的地层特征为：①砂砾岩层，+79~- 216 m，厚度为295 m;②绿色页岩层，- 216~- 536 m，厚度为320 m；③油页岩，- 536~-667 m，厚度为131 m；④煤层，- 667~- 721m，厚度为44 m；⑤凝灰岩层，- 721 m以下。83 -1钻
孔孔口标高为+79 m，钻孔揭露的地层特征为：①砂砾岩，+79~- 338 m，厚度为417 m；②绿色泥岩层，- 338~- 610 m，厚度为272 m；③油页岩层，- 610~-720 m，厚度为110 m；④煤层，-720~- 818 m，厚度为98 m；⑤凝灰岩层，- 818 m以下。
综合以上EH -4探测分析结果，83003工作面采动覆岩离层范围为煤层上方340~370 m，即离层结构位于F1断层。
2.4 覆岩层结构分析
83003工作面所在区域地层由上往下分别为砂砾岩、绿色页岩和油页岩。其中砂砾岩距离煤层240~ 350m，砂砾岩之下的绿色页岩厚80~180 m，距离煤层80~120 m。绿色页岩之下的油页岩厚80~120 m。砂砾岩与绿色页岩之间以F1断层为界。根据对上覆岩层“三带”分析和EH -4探测结果，确定83003工作面上覆岩层结构如图5所示。
在83003工作面开采前，83002工作面上覆岩层产生了垮落带和裂隙带。垮落带和裂隙带位于油页岩层内。绿色页岩、砂砾岩都处于弯曲下沉带中。EH -4探测确定的高阻区位于绿色页岩和砂砾岩的交界面。推测是由于上部坚硬的砂砾岩变性相对较小，而下部软弱的绿色页岩变形量较大，二者之间的变形量不同，于是在其岩层交界面产生离层。
3 覆岩结构破坏数值模拟分析
根据83002工作面的物理模型（图1），运用FLAC3d数值模拟软件对不同分层开采后的覆岩破坏发育情况进行分析。数值模拟表明，78001工作面开采后，覆岩破坏高度为143 m，为工作面平均采放高度的7.2倍；78002工作面开采后，覆岩破坏高度为318 m，为工作面累计采放高度的7.5倍；83001工作面开采后，发育至F1断层，裂隙带附近断层面发生了破坏，覆岩破坏高度为473 m，为工作面累计采放高度的7.9倍；83002工作面开采后，覆岩裂隙穿过断层面向上继续发育，覆岩破坏高度为485 m，为工作面累计采放高度(64 m)的7.5倍，如图6所示。
图6中显示覆岩破坏最大高度处于F1断层附近，与EH -4物理探测结果较为吻合，验证了83003工作面上方F1断层处出现离层空间。
4 覆岩结构破坏的微震监测
地下煤层采出后，破坏了采场上覆岩（煤）层的原始应力平衡状态，引起煤岩体应力重新分布。当重新分布后的应力超过岩（煤）极限强度时，必然引起上覆岩（煤）层的横向及纵向变形与破坏。当裂纹扩展到一定规模、岩石接近其破坏强度的一半时，将发生微震；应力越接近岩石的极限强度时，微震事件的次数增多，直至岩石破坏。微震监测技术能够对岩体破裂进行四维时空记录，根据微震事件波形、频度、空间位置、能量等，分析岩层空间运动规律及覆岩结构破坏特征。
图7显示了83002工作面回采过程中微震事件主要分布在煤层底板中，在工作面回采过程中，上覆岩层发生破坏，发生微震的最高位置处于-220 m水平F．断层附近，即砂砾岩和绿色页岩的交界处。说明83002工作面开采过后覆岩破坏高度伸展到砂砾岩和绿色页岩的交界处，与EH -4探测的覆岩结构出现离层空间位置接近，结果相吻合。
83002工作面所采煤层为本层煤的四、五分层，开采结束后共采出煤层厚度约64 m，根据微震分布估算覆岩破坏高度约400~ 440 m，约为采高的6.3~6.9倍，与数值模拟结果相近，两者相互验证。
5结 论
1) EH -4探测表明，83002工作面回采结束产生的垮落带和裂隙带位于油页岩层内。绿色页岩、砂砾岩都处于弯曲下沉带中。高阻区位于绿色页岩和砂砾岩的交界面，在F1断层处产生离层空间。
2)数值模拟表明，83002工作面回采结束后，覆岩破坏高度达485 m，为累计采放高度的7.5倍，F1断层处破坏较明显，验证了EH -4探测结果。
3)微震监测表明，发生微震事件的最大高度在F1断层附近，与EH -4探测相吻合；覆岩破坏高度约400~440 m，约为采高的6.3~6.9倍，与数值模拟基本吻合。
研究成果可指导83003工作面的安全开采，对水灾、有害气体甚至冲击地压的防治提供重要参考依据，同时为其他类似条件矿井开采提供借鉴。摘要：为研究特厚煤层分层开采过程中已采工作面上覆围岩破坏高度，以老虎台矿83002已采工作面为例，分别采用EH -4物理探测、数值模拟和微震监测等多种手段进行分析论证。EH -4探测确定了垮落带和裂隙带位于油页岩层内，高阻区位于绿色页岩和砂砾岩的交界面，F1断层处出现离层空间，数值模拟和微震监测对该结果进行了验证；数值模拟和微震监测综合确定了覆岩破坏高度为400~ 485 m，为累计采高的6.3~7.5倍。研究成果可对下一分层
83003工作面的安全开采进行指导，为类似条件矿井提供借鉴。
6摘要：为研究特厚煤层分层开采过程中已采工作面上覆围岩破坏高度，以老虎台矿83002已采工作面为例，分别采用EH -4物理探测、数值模拟和微震监测等多种手段进行分析论证。EH -4探测确定了垮落带和裂隙带位于油页岩层内，高阻区位于绿色页岩和砂砾岩的交界面，F1断层处出现离层空间，数值模拟和微震监测对该结果进行了验证；数值模拟和微震监测综合确定了覆岩破坏高度为400~ 485 m，为累计采高的6.3~7.5倍。研究成果可对下一分层
83003工作面的安全开采进行指导，为类似条件矿井提供借鉴。
