電法測試技術在覆巖破壞監測中應用?

高召寧鄭志偉應治中

(1.安徽理工大學能源與安全學院,安徽省淮南市,232001; 2.安徽理工大學煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室,安徽省淮南市,232001)

★煤炭科技·地質與勘探★

電法測試技術在覆巖破壞監測中應用?

高召寧1,2鄭志偉1應治中1

(1.安徽理工大學能源與安全學院,安徽省淮南市,232001; 2.安徽理工大學煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室,安徽省淮南市,232001)

介紹了電法測試技術在覆巖破壞監測中的應用。從煤層開采引起的覆巖破壞的一般規律出發,分析了覆巖破壞與其電阻率和供電電流之間的關系,設計了現場探測覆巖破壞的方案,并進行了煤層開采覆巖裂隙演化規律和覆巖破壞范圍的動態探測。通過對采動過程中覆巖視電阻率和電極供電電流的綜合分析,得出1116(1)工作面開采后采空區上方0～13 m為垮落帶,13～43.5 m為裂隙帶。研究成果為煤礦安全生產提供了直觀有效的技術參數。

煤層開采 電法測試技術 覆巖破壞 視電阻率 供電電流 動態監測

1 試驗工作面概況

顧橋礦1116(1)工作面位于北一上山采區中下部,周圍1117(1)、1115(1)和1117(3)工作面已回采完畢,1115(3)工作面正在回采。1116(1)工作面上平巷標高為－398～－394 m,下平巷標高為－416～－406 m。工作面傾斜長217.6 m,走向平均長2687.9 m。1116(1)工作面開采11－2煤層,煤層結構復雜,含1～2層夾矸,夾矸厚度平均在0.3 m左右。煤層厚度沿走向在1.0～3.4 m之間變化,平均厚度2.6 m,傾角3°～10°。1116(1)工作面煤層上方存在一層炭質泥巖偽頂,厚度0～0.3 m;直接頂為0～4.5厚的泥巖、11－3煤線、砂質泥巖和粉砂巖;老頂厚度16.9～24.0 m,為中細砂巖。工作面采用走向長壁綜合機械化采煤法,全部垮落法管理頂板。

根據布置在1116(1)工作面回風平巷中的兩個監測鉆孔揭露的巖層柱狀以及巖石的物理力學試驗得出,1116(1)工作面上覆巖層中砂巖占39.93%,粉砂巖占36.41%,砂質泥巖占20.93%,鮞狀泥巖占0.69%,粘土巖占8.9%,單軸抗壓強度大于40 MPa的巖層占總厚度的61%以上,單軸抗拉強度為2.99～6.006 MPa,巖層的內摩擦角為42.8°～58.7°。總體來看,11－2煤層頂板巖層屬于中硬—硬巖類型。

2 電法測試原理及覆巖破壞特征的解釋依據

2.1 探測方法技術原理

對1116(1)綜采工作面上覆巖層因采動引起的變形和破壞的探測采用的是并行電法測試技術。數據采集儀器為并行電法儀,其特點在于任一電極供電,可在其余所有電極同時進行電位測量,可清楚地反映探測區域的自然電位、一次供電場電位的變化情況。通過單點電源場法(AM法)和異性點電源場法(ABM法)裝置自動順次切換電極,取得大量的電法數據,不僅可實現所有現行的直流高密度電法探測數據反演,而且可進行高分辨的電阻率法反演。

2.2 覆巖破壞特征的解釋依據

巖體的結構特征是影響電阻率的主要因素之一,通常巖性不同則電阻率值不同,即使是同一巖層,因其結構發生變化時,電阻率值也會發生改變。對于煤層頂板來說,一般情況下,煤層電阻率值相對較高,砂巖次之,黏土巖類最低。當巖層發生變形與破壞時,如果巖層不含水,則其導電性變差,局部電阻率值增高;如果巖層含水,水充填于巖體的裂隙中使其導電性增強,相當于在巖體中存在局部低電阻體。

監測過程中由于各個電極接觸不同的巖層,其巖性不同,造成各層巖層電阻率值有所差異。但是對于確定的回采工作面,其上覆巖層同一層的巖性在監測范圍內變化不大,也就是說同一巖層的巖性對其電阻率的影響不明顯,因此影響巖體結構特征變化的是采動對覆巖的破壞作用。當工作面開采過程中其上覆巖層在采動作用下,其受力狀態發生了改變,在覆巖中出現了應力增高區、應力降低區和應力恢復區,當工作面推進時這3個區不斷前移,從而使得覆巖中的裂隙產生、擴展、演化、貫通,隨著3個區的變化而變化,直接作用的結果是巖體的電阻率值隨著工作面推進表現出不同特征。

工作面推進中巖層的電性在縱向和橫向上發生的變化,代表了覆巖破壞和裂隙發育特征。因此,通過測取覆巖不同高度處巖層電阻率變化來分析其變形與破壞規律,這是電法監測覆巖破壞的地質基礎。導水裂隙帶發育僅為一定高度以下巖層電阻率所發生的變化,每次測試時以采動未影響到的巖層電阻率分布作為基礎,通過動態測試可以從時空規律上直觀分析巖層的破壞過程和規律。另一方面巖層的彎曲、變形和破壞也會造成布置在巖體中電極的供電電流大小發生變化,綜合分析巖層電阻率值和各個電極供電電流大小的變化,最終確定采動過程中導水裂隙帶和垮落帶的發育高度。

3 覆巖破壞高度電法測試

3.1 現場施工方案的設計

根據研究內容和巷道實際情況,在1116(1)工作面回采至回風巷1530 m處和1720 m處分別布置1＃和2＃監測孔,其方向朝著工作面回采方向,鉆孔布置見圖1。1＃鉆孔中共布置53個電極,電極間距為2 m,1＃電極在上,53＃在下,距孔口0.8 m。2＃鉆孔內共布置46個電極,電極間距為2 m,46號電極距離孔口0.8 m。鉆孔技術參數見表1。

3.2 探測成果分析

3.2.1 視電阻率剖面分析

以工作面1＃監測孔中為便,監測孔不同位置時采動作用下覆巖視電阻率觀測剖面圖見圖2。

圖2(a)為回采工作面距孔口194 m時上覆巖層視電阻率監測剖面圖。由于工作面距監測孔較遠,采動尚未對上覆巖層產生影響,故可將此時監測的結果作為后續監測結果的對比依據。此階段回采時,上覆巖層的電阻率分布在100～800Ω·m范圍內,為正常巖層電性特征的反映。

圖2(b)為回采工作面距孔口72 m時視電阻率監測剖面圖。此時回采已影響到監測區。與回采工作面距孔口194 m時上覆巖層視電阻率值相比,其局部電阻率值高達1000～4000Ω·m,表明頂板巖層在采動作用下發生了一定的變形和破壞,使得監測區內巖層的視電阻率升高。同時,在工作面前方約35 m內,頂板巖層電阻率值顯著升高,分析認為是采動引起的超前支承壓力所致。

圖1 1＃和2＃監測孔剖面示意圖

表1 監測孔參數表

圖2(c)為回采工作面距孔口37 m時視電阻率監測剖面圖。由圖可見在采空區上方的頂板相比工作面正上方或前方的頂板其巖層的視電阻率顯著增高,且視電阻率變化有時增高有時降低,處于一種不穩定的狀態,這表明采空區上方的頂板破壞劇烈,而且破斷巖塊形成的結構隨工作面推進存在著穩定—失穩—再穩定的變化過程中。

圖2(d)為回采工作面距孔口16 m時視電阻率剖面圖,此時大部分頂板巖層位于采空區上方。整個監測剖面以高電阻率值分布為主,在剖面下部高阻區表現尤為集中。

圖2 工作面1＃監測孔中不同位置視電阻率觀測剖面圖

對比分析探測剖面的電阻率分布情況得出,隨工作面的開采,在采空區上方13 m范圍內巖層的電阻率值整體較高,有的甚至達到幾千歐姆·米以上,超過回采工作面距孔口194 m時上覆巖層視電阻率值的10倍左右,且上下溝通特征明顯,為典型的巖層破壞特征;距煤層頂板13～43.5 m段的巖層其電阻率值變化不均勻,局部達到幾千歐姆·米,且上下溝通,而在有的部位巖層的電阻率值在1000Ω·m以下,其電阻率值雖較為明顯增加但并未表現出破壞特征。距煤層43.5 m以上的巖層其電阻率值未見普遍的上升或下降,相對穩定。

3.2.2 供電電流分析

在監測孔內距孔口104～70 m段布置著1＃～17＃電極,隨著煤層開采,此段內電極的供電電流總體上經歷了由高到低再高的變化過程,供電電流在50～90 m A范圍內變化。說明該段巖體整體性較好,供電情況良好,電極與所在層位的巖體耦合效果好。

距孔口68～50 m段布置的18＃～28＃電極其供電電流隨煤層的開采經歷了升高—降低—再升高—再降低的變化過程。說明18＃～28＃電極所在的巖層在工作面開采過程中經歷了壓縮階段、斷裂階段以及斷裂巖塊的后運動階段。在壓縮階段,巖體中部分裂隙閉合,各電極供電電流相應增大;當巖體進入破裂階段,由于裂隙的產生、演化和貫通,使得巖體的電阻增大,則與巖體接觸的各電極供電電流減小;當巖體破壞以后,由于斷裂的巖塊相互擠壓形成了砌體梁結構,在工作面的推進過程中,前、后斷裂巖塊其回轉下沉的方向相反,在回轉過程中使前、后巖塊在某一時刻成為一體,這時與巖層接觸的電極其供電電流增大,隨后隨回采工作面繼續推進,擠壓為一體的斷裂巖塊又在下部分開,巖體的電阻增大,相應的電極供電電流減小。總的來看,與這一段巖層接觸的電極其供電電流波動較大,但與1＃～17＃電極的供電電流相比,電流值偏小。

距孔口20～0 m段布置的43＃～53＃電極,其供電電流隨回采工作面推進變化趨勢一致,工作面推至距孔口47 m時,電流值從40 m A以上降至20 m A以下。隨工作面繼續推進,電流持續下降,到工作面推至距孔口附近時,電流發生突變,降至幾個毫安,說明巖層已完全破壞,進入了冒落帶,總的來看,與這一段巖層接觸的電極其供電電流隨回采工作面推進經歷了持續降低至穩定的變化過程。

綜合巖層視電阻率和電極供電電流觀測結果,可以認為由于煤層開采在1116(1)工作面采空區上方0～13 m形成了垮落帶,13～43.5 m左右段為裂隙帶。

4 結論

(1)根據采動過程中工作面前后上覆巖層變形破壞經歷支承壓力壓縮區、離層發育區及重新壓實區這一特征,建立了回采工作面開采前、后的電觀測模型,得出了1116(1)工作面在采動作用下,其垮落帶高度約13 m,導水裂隙帶高度為43.5 m。

(2)巖體視電阻率和電極供電電流隨覆巖的破壞程度而變化,一般情況下,覆巖破壞越劇烈,巖體視電阻率越大,電極供電電流越小,反之,巖體視電阻率越小,電極供電電流越大。同時,受巖性的制約,不同層位巖性的巖層其巖體視電阻率和電極供電電流也存在明顯差異。

(3)實測結果表明,根據回采過程中上覆巖層巖體視電阻率和電極供電電流的時空變化,可以較為清晰地判斷出巖層結構破壞及裂隙發育,能較為準確地劃定覆巖垮落帶和裂隙帶的范圍,有利于工作面突水預防措施和瓦斯治理方案的制定。

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Application of testing technology of electrical method on monitoring overburden failure

Gao Zhaoning1,2,Zheng Zhiwei1,Ying Zhizhong1
(1.College of Energy and Security,Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui 232001,China; 2.The Co-constructing MOE Key Laboratory by Province of Mining Safety and High Efficiency, Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui 232001,China)

The author introduced the application of testing technology of electrical method on monitoring overburden failure.According to the general rule of overlying rock fracture caused by coal mining,the relationship between the overlying rock fracture and its resistivity and supply current was analyzed,the scheme of on-site detection for overburden failure was designed,and the evolution law of overlying rock fracture and overlying rock destructive range were detected dynamically.Based on the comprehensive analysis of apparent resistivity and electrode supply current of overlying rock in the process of mining,the results showed that the range of 0～13 m above goaf was caving zone and the range of 13～43.5 m above was fractured zone in No.1116(1) working face.The research achievements provided intuitive and effective technical parameters for mining safety.

coal mining,testing technology of electrical method,overburden failure,apparent resistivity,supply current,dynamic monitoring

TD325 P631

A

高召寧(1971－),男,陜西藍田人,教授,主要從事煤礦開采教學和科研工作。

(責任編輯 張毅玲)

國家自然科學基金委員會與神華集團有限公司聯合資助項目(51174255),國家自然科學基金項目(51074003,51274008),中國博士后科學基金資助項目(2012T50567)