煤層開采后覆巖破壞規律研究新方法

高田娃

（安徽理工大學地球與環境學院，安徽 淮南232001）

0 引言

為了研究傾斜長壁工作面高強度開采條件下覆巖破壞“兩帶”發育規律，及時獲得煤層開采后上覆巖層的變形、破壞相關參數，劉莊煤礦在171301工作面采用了電阻率法動態監測技術觀測覆巖破壞冒落帶、導水裂隙帶發育高度[1]，根據171301工作面觀測鉆孔的施工進度，裂高觀測孔中電纜及電極于4月1日安裝完畢，4月10日起開始數據采集，共采集了26次數據。

1 電阻率法動態監測技術原理

1.1 地球物理條件

巖體的電阻率隨著巖體破壞程度的加大而遞增。在垮落帶范圍內，電阻率變化最大，甚至失去了導電能力；在裂隙發育帶中電阻率變化較大，明顯降低了巖體的導電性；在彎曲帶及破壞帶的邊緣電阻率變化較小。基于破壞前后的物性差異，通過在采煤工作面覆巖中預埋入電極傳感器，動態、連續的觀測工作面覆巖的物性變化參數，分析煤層開采過程中覆巖變化及破壞規律，從而對覆巖破壞“兩帶”高度進行判定。

1.2 觀測系統構成

電阻率法動態監測系統由井下觀測系統和井上控制系統兩部分組成。井下觀測系統以頂板鉆孔為基礎，鉆孔可布置在工作面風機巷，沿工作面推進方向上，鉆孔方位斜指向工作面內，鉆孔傾角40~60度，孔深可根據本礦區最大經驗裂高來設計，原則上要控制最大巖體破壞區為宜。

鉆孔施工后，布置采集系統，采集系統分為電極、電纜、電法儀主機、電源，通訊系統裝置。電極數和極距根據探測的深度和精度要求進行調整，所選用的電極和電纜通過模具形成一體，最后將電纜和電極埋入至鉆孔中并以水泥漿耦合。地面系統控制系統由計算機及控制軟件、調制解調器組成，地面控制系統與井下多個采集分站通過礦用遠程控制電話網絡發送指令和傳送數據。

2 現場施工

根據探測任務及施工條件，裂高觀測孔布置在171301風巷，觀測孔相關參數見表1。

表1 現場監測鉆孔參數表

3 采集數據及處理分析

3.1 視電阻率

5月12日工作面回采位置距孔口185m，由于工作面距離鉆孔較遠，圍巖無采動影響，此次視電阻率剖面可作為背景值，其值基本在10-500Ω·m范圍，為正常巖層電性特征反映。

圖1 6月28日視電阻率觀測結果剖面圖

圖1為6月18日工作面回采位置剛進入監測區時（距孔口112m）孔中視電阻率剖面，剖面中在已回采的工作面頂板上方阻值明顯升高，且高阻區分布范圍較大。與背景電阻率值相對，其局部電阻率值達1000-3000Ω·m，是背景值的3-5倍以上，表明工作面頂板煤巖體發生一定的破壞或位移，使得監測區視電阻率升高，結合背景圖分析，高阻區上邊界距煤層距離為66.5m，將其推斷為導水裂縫帶發育頂界面，下部高阻區距離煤層19.5m，推斷其為垮落帶發育范圍。

圖2為6月28日工作面距離孔口位置56m時孔中視電阻率監測剖面。由圖可見在離工作面較遠的老空區頂板相比工作面正上方或前方阻值明顯增高，表明后方頂板巖體發生破壞；工作面上方和前方巖體在人工支護下減緩了破壞進程，且受超前集中應力影響，存在周期壓力等現象，視電阻率變化有時增高有時降低，處于一種不穩定的狀態。由這次監測結果分析頂板巖體裂隙發育區頂界面距離煤層距離為67m左右，垮落帶高度為20m左右。

圖3為7月8日工作面距離孔口位置8m時孔內電阻率剖面，監測段已基本回采完畢，絕大部頂板巖層位于老空區上方。此時整個監測剖面主要為高電阻率值分布，且在剖面下部高阻區比較集中。表明在老空區形成一定步距后，應力集中破壞程度高，頂板近煤層巖體冒落，垮落帶發育較充分，頂部巖體位移量較大，裂隙區進一步發育。對比分析導水裂縫帶頂界面高度為66.7m左右，垮落帶高度為21.6m。

圖3 7月8日視電阻率觀測結果剖面圖

3.2 供電電流

供電電流的大小反映電極和孔周圍巖層耦合質量以及巖層的電性條件，當巖體結構破壞后且沒有低阻介質（如泥漿、礦井水）充填時，電流將明顯減小，反之當巖體壓實尤其是軟巖如泥巖或有低阻介質存在時電流將增大。因此也可根據電流的變化來評價采動對頂板巖體的破壞影響。

圖4為5月12日工作面回采位置距離孔口分別為185m時裂高孔中電流監測結果，此時覆巖未受采動影響，電流測量值可作為背景值。

圖4 裂高孔5月12日孔中電流監測結果剖面圖

圖5 裂高孔7月8日孔中電流監測結果剖面圖

圖5為7月08日工作面回采位置距離孔口8m時裂高孔中電流監測結果，為最后一次電流測量值。對比可以發現：7月8日所得電流與背景值相比，電流值整體變小，相對來說在8#～50#共43個電極所在位置電流降低明顯，而在52#～57#、62#～63#電極及孔頂的1#～7#電極的電流相對較大，即表現為兩端高中間低的特征，中間供電電流發生變化的電極所在位置推斷為巖體結構變化區，垮落帶和裂縫帶中的巖體均可導致供電電流降低，裂縫帶與垮落帶界線不明顯，但可劃定裂縫發育區頂界面（圖5中已標出），其高度距煤層距離為66m左右。

4 結論

171301工作面覆巖破壞“兩帶”劃分的依據以視電阻率值及供電電流的變化為基礎，結合本區地層特點，通過不同時期測試結果對比分析得出如下結論：

（1）煤層采動過程中，頂板煤巖體受應力作用破壞后表現為視電阻率值不斷升高，并且隨著工作面向孔口推進，高阻區也逐漸向孔口移動。

（2）受周期應力作用，工作面正上方及前方的巖體壓實或松散時表現為視電阻率時高時低。在工作面回采位置的后方垮落步距內，頂板巖體垮落具有一定滯后效應，工作面后方視電阻率值在回采通過時并不立即轉變為高阻而具有一定滯后性及周期性。

（3）根據覆巖“兩帶”電阻率值典型特征，結合區域基本地質條件，分析認為不同時期該煤層開采破壞后垮落帶高度范圍為19.5～21.6m。該段巖層電阻率值整體較高，有的甚至達到幾千，即超過背景電阻率值10倍以上，為典型的巖層破壞特征；導水裂縫帶高度范圍為65.0～67.0m。該段巖層電阻率值變化不均勻，局部達到幾千以上，且上下溝通特征明顯，為破壞導通區。局部巖層電阻率值在1000以下，其電阻率值顯著增加但未表現出破壞特征；頂板巖層67m以上段巖層電阻率值未見普遍的上升或下降，相對穩定，其為彎曲下沉帶特點。

（4）參考6~7月份工作面回采實測剖面的采高為4.37～5.1m，計算得出171301工作面的冒采比范圍為3.94～4.46，裂采比范圍為13.14～15.22，具體計算結果見表2。

表2 171301工作面裂高孔覆巖變形破壞計算參數表

［1］建筑物、水體、鐵路及井巷煤柱留設與壓煤開采規程[J].煤炭工業出版社，2000,6.