基于網絡并行電法的頂板“三帶”發育研究*

徐 磊，李希建,田 波，游先中

(1.貴州大學礦業學院， 貴州 貴陽 550025； 2.復雜地質礦山開采安全技術工程中心， 貴州 貴陽550025； 3.貴州大學 瓦斯災害防治與煤層氣開發研究所， 貴州 貴陽 550025；4.貴州五輪山煤業有限公司， 貴州 納雍縣 553309)

基于網絡并行電法的頂板“三帶”發育研究*

徐 磊1,2,3，李希建1,2,3,田 波4，游先中4

(1.貴州大學礦業學院， 貴州 貴陽 550025； 2.復雜地質礦山開采安全技術工程中心， 貴州 貴陽550025； 3.貴州大學 瓦斯災害防治與煤層氣開發研究所， 貴州 貴陽 550025；4.貴州五輪山煤業有限公司， 貴州 納雍縣 553309)

為認識近距離煤層群首采層開采后的頂板“三帶”發育規律，以貴州五輪山煤業有限公司五輪山煤礦1805工作面為研究區域，利用網絡并行電法對1805工作面8煤頂板“三帶”演化過程進行動態監測分析，獲得了8煤頂板上覆巖層變形與破壞發育規律。結果表明：1805運輸巷距離底板垂高32.1～35.8 m為裂隙帶，裂隙帶最大發育高度為35.8 m；7.1～ 8.7 m范圍里為冒落帶，頂板巖層35.8 m以上巖層電阻率值穩定，為彎曲下沉帶。研究對象在貴州省乃至西南地區具有代表性，研究結論可指導類似條件礦井的“三帶”管理。

網絡并行電法；電阻率；裂隙帶；冒落帶；彎曲下沉帶

0 引 言

近距離煤層群開采后，其頂板上覆巖層會變形與破壞[1￣2]，形成“三帶”(垮落帶、導水裂隙帶和整體彎曲帶)，頂板裂隙水與鄰近煤層瓦斯的涌入嚴重影響工作面回采工作，因此需要針對頂板的覆巖破壞情況進行觀測[3￣7]，劃分頂板“三帶”，為礦井防治水及瓦斯治理工作提供參考數據。本文以貴州省五輪山煤業1805回采工作面作為研究對象，利用網絡并行電法對1805工作面頂板“三帶”進行研究，觀察裂隙帶的發育程度及對“三帶”(即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶)高度進行劃分[8￣10]，獲得1805工作面頂板上覆巖層變形與破壞發育規律，為其安全回采提供技術支撐，也為類似開采條件的煤礦提供指導。

1 鉆孔布置及數據采集

1.1 現場觀測鉆孔布置

根據實際情況，選擇1805運輸順槽作為施工巷道，煤層平均厚度為1.8 m，冒落巖石碎脹系數取1.2，平均煤層傾角為10°，頂板巖石普氏硬度6～8，屬中硬巖層，根據公式計算出冒落帶高度最大值為9.13 m，根據公式計算出裂隙帶最大高度為36.8 m。觀測鉆孔開孔位置選擇在1#鉆場頂板，開孔高度為2.4 m，所以冒落帶設計終孔高度距煤層頂板7 m，裂隙帶設計終孔高度距煤層頂板35 m，從1#鉆場向1805采空區方向施工2個觀測孔，各觀測孔的方位與傾角見鉆孔參數見表1，鉆孔布置見圖1。

圖1 監測鉆孔位置分布

1號探測孔用于檢測頂板導水裂隙帶發育過程，布置64個間距為1.0 m的電極，由上至下分別標號為1～64，實際控制范圍沿巷道方向平距為16.5 m，控制垂高為58 m。2號鉆孔布置電極數32個，電極間距1.0 m，1號電極在終孔位置，32號電極位于開孔端，距離孔口3.5 m，主要用于觀測煤層頂板垮落帶高度，其控制范圍沿巷道方向平距為14.3 m，控制垂高19.5 m。

1.2 數據采集

1805工作面1號和2號孔測試系統于2016年12月28日安裝完畢，2016年12月28日第一次進行孔中電法數據采集，截止2017年1月6日,工作面回采過孔口6.3 m完成最后一次采集。

2 視電阻率剖面分析

頂板巖層受采動影響后，巖層結構發生相應的變化，引起巖層電阻率值發生變化，不同日期的電阻率測試結果對比可以看出其相對變化的過程。根據探測剖面的電阻率分布特征對8煤頂板巖層變形與破壞規律進行分析，以及判定垮落帶、裂隙帶發育高度值。

2.1 巖層電阻率背景值分析

圖2為2016年12月28日孔中視電阻率剖面，工作面回采位置距孔口10 m，監測孔下方電阻率由冷色至暖色調分布，分別代表0～1000Ω·m，此時工作面回采位置距離監測位置最遠，頂板巖層受采動影響較弱，將此次視電阻率剖面作為背景值進行分析。

圖3所示剖面中6-3煤以下15 m范圍內高低阻區域有一定變動，說明煤層采動引起的視電阻率響應正逐漸顯現，這也反映出該層位附近受到采動影響，巖層發育裂隙。

2.2 巖層變形破壞分析

從圖4、圖5電阻率剖面中可見，在已回采的工作面頂板上方15～35 m段阻值明顯升高，分析為煤層采動過后周期應力集中所致，推斷高電阻率值區域巖層裂隙發育明顯，巖層結構受到破壞。判定8煤頂板導水裂隙帶高度為33.6 m。與此同時，在靠近8煤層附近，由于工作面回采位置逐漸接近測試鉆孔，孔口附近安裝的電法傳感器逐漸對煤層采動引起的直接頂板巖層應力集中響應敏感，靠近孔口附近區域，巖層電阻率明顯升高，為煤層采動引起，初步判定垮落帶高度為7.1 m。

圖2 裂高孔電阻率觀測剖面(2016年12月28日)

圖3 裂高孔電阻率觀測剖面(2016年12月29日)

圖4 裂高孔電阻率觀測剖面(2016年12月30日)

圖6剖面中在已回采的工作面左上方頂板15～35 m段阻值明顯升高顯著，相比背景電阻率值，在6-4煤層與6-3煤層之間，本日電阻率剖面中巖層電阻率值升高顯著，已達到1000Ω·m以上。說明該部位巖層受采動影響，已經逐步發生離層，裂隙發育進一步擴大，判定8煤頂板導水裂隙帶高度為32.1 m?？卓诟浇?煤層直接頂板電阻率值進一步升高，達到背景電阻率值的5～7倍，反映巖層應力進一步集中，裂隙發育范圍逐漸擴大，判定垮落帶高度為7.5 m。

圖7、圖8監測剖面中高阻區發生了明顯的變化，相對背景電阻率值，本次監測剖面中幾個關鍵區域電阻率值升高10倍以上，達到1000Ω·m以上，結合該兩日煤層回采位置分析，認為煤層采動引起的巖層變形與破壞基本已充分顯現，從與前幾天的連續監測結果對比而言，本次剖面中裂隙帶高度和垮落帶高度都有一定的上升，高電阻率區域范圍進一步擴大，反映巖層裂隙發育明顯。判定導水裂隙帶發育高度為35.4 m，垮落帶高度為7.9 m。

圖9、圖10監測區內巖層變形與破壞由高強度活動逐漸向穩定變化，期間電阻率數據因采動應力及巖性等多因素影響呈現出復雜的變化現象，可視為一種正常的巖層活動過程。監測段已回采完畢，絕大部分頂板巖層位于老空區上方。從監測剖面可知，此時主要為高電阻率值分布，高阻區集中于剖面下部，應力集中破壞程度高，垮落帶發育較充分，上部巖體位移量較大，裂隙區進一步發育。對比分析判定導水裂縫帶頂界面高度為35.8 m，垮落帶頂界面高度為8.7 m。

根據覆巖破壞電阻率值典型特征，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：

(1) 垮落帶高度范圍為7.1 ～ 8.7 m。該段巖層電阻率值變化不均勻，總體達到1000Ω·m以上，為破壞區。

(2) 裂隙帶高度范圍為32.1 ～ 35.8 m。電阻率值并沒有呈現均勻變化，上下溝通特征明顯，為破壞導通區。

(3) 頂板巖層35.8 m以上巖層電阻率值穩定，為彎曲下沉帶。

圖6 裂高孔電阻率觀測剖面(2017年01月01日)

圖7 裂高孔電阻率觀測剖面(2017年01月02日)

圖8 裂高孔電阻率觀測剖面(2017年01月03日)

圖9 裂高孔電阻率觀測剖面(2017年01月04日)

圖10 裂高孔電阻率觀測剖面(2017年01月05日)

3 覆巖破壞過程

通過視電阻率剖面連續對比分析，隨著工作面的不斷推進，監測區內的巖體變形破壞階段明顯可分為4個階段：

階段Ⅰ(回采位置距孔口10 m以前)，該期間回采位置處于監測區，覆巖變形破壞不明顯，整體處于相對穩定階段；

階段Ⅱ(回采位置距孔口10 m推進至距孔口3 m)為覆巖彎曲變形及離層階段，變形主要發生在軟巖層或原生裂隙較發育的砂巖層；

階段Ⅲ(面回采位置從距孔口3 m推進至距孔口0 m)，本階段為巖體破壞階段，監測區內的巖體發生了較大變形和位移，破壞了巖體的結構，并產生了大范圍的裂隙區，局部區域巖體開始垮落；

階段Ⅳ(回采位置通過孔口-1 m以后)，本階段巖體大部分位于工作面老空區上方，應力集中區對巖體破壞作用最強，變形破壞作用繼續增強，裂縫帶進一步發育，底部巖體失穩垮落。

4 結 論

根據監測區視電阻率的連續變化分析，隨著工作面回采的不斷推進，監測視電率剖面表現出一定規律，視電阻率的變化動態反映了煤層頂板煤巖體結構受到集中應力破壞的情況，表現為視電阻率持續升高，隨著工作面推進，高阻區逐漸向孔口移動。視電阻率時高時低為工作面正上方及前方受周期應力作用，巖體壓實或松散時的表現。在工作面回采位置的后方冒落步距內，頂板巖體冒落具有一定滯后效應，表現在工作面后方視電阻率在回采通過時并不立即轉變為高電阻率值而是具有一定滯后性及周期性。

(1) 垮落帶高度：范圍為7.1～8.7 m，參考計算得出監測孔范圍內1805工作面運輸順槽的裂采比范圍為4.6～5.6。

(2) 導水裂縫帶高度：范圍為32.1～35.8 m。計算得出監測孔范圍內1805工作面運輸順槽的裂采比范圍為20.7～23.1。

(3) 頂板巖層35.8 m以上段巖層電阻率值未見普遍上升或下降，為彎曲下沉帶。

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貴州省重大應用基礎研究項目(黔科合JZ字[2014]2005)；貴州省教育廳項目(黔教合KY字(2013)112).

徐 磊(1991-),男,貴州黔西南人,碩士，主要從事煤礦安全方面研究，Email：306246800@qq.com。