采煤面覆巖破壞視電阻率動(dòng)態(tài)變化分析

鄭雷雷，桂 昊

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001)

1 引言

煤層開采后頂板覆巖在采動(dòng)影響下發(fā)生變形與破壞，產(chǎn)生裂隙、垮落等不規(guī)則冒落，使采場周圍圍巖的應(yīng)力場發(fā)生改變，從而產(chǎn)生彎曲下沉帶、導(dǎo)水裂隙帶、垮落帶[1，2]。研究覆巖發(fā)育規(guī)律與特征是煤礦安全生產(chǎn)非常重視的問題，準(zhǔn)確確定煤層開采后覆巖破壞的高度及其發(fā)育特征對煤礦水害防治、瓦斯抽采及提高煤層開采上限提供了重要的指導(dǎo)意義[3]。目前，關(guān)于覆巖破壞高度的探測主要以實(shí)測為主，例如地面鉆孔法、井下鉆孔注水測試法、地球物理探測方法等，數(shù)值模擬及鉆孔電視可驗(yàn)證其探測結(jié)果的可靠性[4]。相比較于其他方法，地球物理方法具有可靠性強(qiáng)、成本低、準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)，利用該方法獲取地下真實(shí)的物性參數(shù)，其結(jié)果可直觀、可靠為防治井下災(zāi)害服務(wù)[5，6]。

已有文獻(xiàn)對頂板覆巖變形與破壞的研究有很多，并且都具有一定的研究成果[7]。張平松等通過改進(jìn)單孔測試方法，采用孔巷電阻率法對覆巖破壞過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試，根據(jù)覆巖破壞時(shí)巖層電阻率值的動(dòng)態(tài)變化分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化特征，獲得覆巖變形與破壞的發(fā)育規(guī)律，以及“垮落帶、導(dǎo)水?dāng)嗔褞А卑l(fā)育高度值[8]。李俊庭等通過經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬2種方式，對工作面采空區(qū)頂板垂直“三帶”高度進(jìn)行綜合分析研究，發(fā)現(xiàn)采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的“三帶”高度與數(shù)值模擬有較高的似合度，驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)公式的可靠性[9]。徐磊等利用網(wǎng)絡(luò)并行電法對工作面頂板“三帶”演化過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測分析，獲得了頂板上覆巖層變形與破壞發(fā)育規(guī)律[10]。

本文通過布置地電場觀測系統(tǒng)，采用電阻率法對內(nèi)蒙古某礦3－1煤層首采工作面開采過程中頂板覆巖變形與破壞發(fā)育特征進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測研究，并判斷頂板導(dǎo)水裂隙帶和垮落帶高度。采用電阻率法測試技術(shù)對煤層頂板巖體視電阻率變化進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)觀測，獲取的數(shù)據(jù)信息量大、速度快、探測深度靈活，應(yīng)用效果明顯，可為以后進(jìn)行覆巖的變形與破壞研究做一些有益的建議。

2 覆巖破壞電法探測基本原理

電法探測是通過在煤層頂板中施工電極裝置孔，通過埋設(shè)不同電極距的電極后對周圍巖體的電性參數(shù)進(jìn)行采集與處理，根據(jù)煤層開采過程中頂板不同巖層之間的導(dǎo)電性、介電性變化分析覆巖的變形與破壞，這是電法探測覆巖破壞的地質(zhì)基礎(chǔ)。導(dǎo)水裂隙帶和垮落帶發(fā)育是一定高度的巖層電阻率的變化，采用電阻率法探測時(shí)，可以實(shí)時(shí)觀測巖層電阻率在橫向和縱向上的變化，從時(shí)空規(guī)律的基礎(chǔ)上直觀地分析巖層的破壞過程和發(fā)育特征[11，12]。

一般來說，不同巖性巖體的電阻率值是有一定差別的，同一巖層在不同的高度，由于地下復(fù)雜的沉積環(huán)境，使得電阻率值也是不一樣的。對于頂板覆巖的巖體，通常黏土巖、頁巖、泥巖等巖體的電阻率值較低，一般在數(shù)十歐姆米；煤層及砂巖的電阻率值較高，電阻率值在數(shù)十至數(shù)千歐姆米，這些參數(shù)是判斷覆巖破壞的基礎(chǔ)。受采動(dòng)影響，巖體的電阻率值會(huì)發(fā)生周期性變大或變小，覆巖巖體在應(yīng)力的作用下逐漸出現(xiàn)變形、離層、裂隙發(fā)育等現(xiàn)象。隨著工作面的推進(jìn)，頂板周期來壓期間，上覆巖層在周圍圍巖應(yīng)力和自身重力作用下發(fā)生變形破壞，離層裂隙發(fā)育，電阻率值表現(xiàn)為升高；在頂板周期來壓后，發(fā)生垮落，應(yīng)力釋放，離層裂隙閉合，電阻率值有所降低；隨著采動(dòng)應(yīng)力的影響，離層或裂隙繼續(xù)發(fā)育，直至形成裂隙帶和垮落帶[13～15]。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

門克慶井田屬于東勝煤田呼吉爾特礦區(qū)，位于鄂爾多斯高原東北部，陜北黃土高原的北緣，毛烏素沙地的東北邊緣地帶。地形總體趨勢是東北高、西南低，在此基礎(chǔ)上又表現(xiàn)為北高南低，海拔一般1000～1600 m，區(qū)內(nèi)地形起伏不平。3－1煤層所在工作面為礦區(qū)首采工作面，回采煤層為3－1煤，煤厚3.83～5.45 m，平均4.92 m。煤層傾角1～4°，平均2°。該工作面頂板為中硬型頂板，工作面推進(jìn)長度4548 m，工作面長260.4 m。

3.2 現(xiàn)場施工方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場施工條件和巷道實(shí)際情況，將鉆孔位置置于工作面輔助運(yùn)輸巷Y12點(diǎn)附近鉆場，煤層開采前布置觀測系統(tǒng)。本次監(jiān)測共設(shè)計(jì)2個(gè)觀測孔，鉆孔布置如圖1所示。

1＃鉆孔斜長160 m，控制垂高113 m，鉆孔傾角45°，與輔助運(yùn)輸巷夾角0°；2＃鉆孔斜長95 m，控制垂高24 m，鉆孔傾角15°，與輔助運(yùn)輸巷夾角45°。鉆孔技術(shù)參數(shù)見表1。其中1＃鉆孔的作用是控制導(dǎo)水裂隙帶高度，在工作面回采過程中1＃鉆孔將會(huì)優(yōu)先受到擾動(dòng)影響，表現(xiàn)出相應(yīng)的電流及電阻率變化特征。隨工作面地不斷推進(jìn)，2＃鉆孔也將受到超前應(yīng)力影響以及采后頂板巖體結(jié)構(gòu)與受力變化而導(dǎo)致的電性參數(shù)的變化特征規(guī)律。

圖1 鉆孔平面布置

表1 鉆孔技術(shù)參數(shù)

圖2 2018年4月15日1＃和2＃孔視電阻率背景值結(jié)果

3.3 探測結(jié)果分析

3.3.1 背景值分析

在采煤面覆巖破壞高度探測過程中，背景值的采集通常是在鉆孔水平控制范圍外，此時(shí)的背景場電阻率一般無明顯變化，即未受采動(dòng)影響巖層電阻率分布。圖2為1＃孔和2＃孔測試電阻率成像結(jié)果剖面，因測試時(shí)回采工作面距監(jiān)測范圍較遠(yuǎn)，離孔口位置300 m以上，電阻率值總體較低。1＃孔電阻率值分布在0～450Ω·m左右，電阻率分布主要集中在50～300Ω·m，局部小區(qū)域?yàn)?00～450Ω·m；2＃孔電阻率值分布在20～150Ω·m，且電阻率集中分布在40～100Ω·m，分析認(rèn)為局部巖層電阻率的高低變化反映出巖性變化或巖體完整性的不同，可視為正常巖層電性特征反映。

3.3.2 視電阻率分析

(1)1＃孔視電阻率分析。從圖3(a)的視電阻率圖分析可知，2018年6月19日工作面回采位置距離孔口－109.3 m時(shí)，頂板巖層已受到采動(dòng)應(yīng)力影響，在水平方向－110～－90 m和高度60～100 m的范圍內(nèi)電阻率升高，反映裂隙帶已經(jīng)開始發(fā)育；圖3(b)反映在2018年6月28日回采位置距離孔口－38.2 m處時(shí)，水平方向－110～－80 m和高度60～100 m范圍內(nèi)電阻率進(jìn)一步升高，由于回采位置已經(jīng)入鉆孔水平控制范圍內(nèi)，但其主要控制范圍在導(dǎo)水裂隙帶外，因此電阻率變化緩慢；圖3(c)和(d)中在水平方向－110～－80 m和高度50～100 m范圍內(nèi)電阻率顯著升高，其中在垂高106 m處出現(xiàn)電阻率特征分界面，其上下巖層視電阻率出現(xiàn)較大的差異，分析認(rèn)為在垂高50～106 m范圍內(nèi)裂隙普遍發(fā)育，其余范圍受采動(dòng)影響為采動(dòng)應(yīng)力影響區(qū)。

(2)2＃孔視電阻率分析。圖4中水平方向－89～－50 m為工作面內(nèi)煤層部分，－50～0 m為保護(hù)煤柱部分。從圖4(a)的視電阻率結(jié)果圖中可以看出，在距離孔口位置－118.3 m時(shí)，回采位置未進(jìn)入鉆孔水平控制范圍內(nèi)，電阻率基本未變化；圖4(b)反映受超前應(yīng)力影響，工作面內(nèi)煤層頂板部分范圍電阻率值已升高，沿巖層界面等范圍裂隙有所發(fā)育，超前影響范圍距離工作面約60 m；圖4(c)中電阻率變化異常明顯，煤層工作面已進(jìn)入鉆孔控制范圍，反映頂板巖層已開始垮落，導(dǎo)致電極傳感器與周圍圍巖耦合性變差，導(dǎo)致電流變小，電阻率值升高；而鉆孔后半段的電阻率值并無明顯的變化，分析是由于鉆孔后半段處于保護(hù)煤柱中，煤層開挖對其影響較小；圖4(d)電阻率值繼續(xù)升高，在垂高0～21 m范圍內(nèi)垮落帶已充分發(fā)育。

圖3 1＃孔視電阻率結(jié)果

圖4 2＃孔視電阻率結(jié)果

3.3.3 覆巖“兩帶”分析

根據(jù)視電阻率動(dòng)態(tài)分析結(jié)果，可對采煤面覆巖破壞發(fā)育過程及導(dǎo)水裂隙帶和垮落帶高度進(jìn)行有效判斷。2018年6月19日，工作面推進(jìn)接近1＃鉆孔頂端位置，裂縫帶開始發(fā)育，裂縫高度范圍為50～106 m，該范圍視電阻率值顯著升高；從3＃孔可探查出采動(dòng)超前影響區(qū)范圍約為60 m，局部范圍視電阻率值有所升高。2018年6月28日和29日，1＃孔和2＃孔都進(jìn)入鉆孔的控制范圍內(nèi)，視電阻率都有一定的升高，其中1＃孔在垂高50～106 m范圍內(nèi)電阻率明顯升高，裂隙持續(xù)發(fā)育，2＃孔在垂高0～20 m范圍內(nèi)電阻率顯著升高，垮落帶開始發(fā)育。2018年7月13日，工作面推進(jìn)過孔口48.6 m時(shí)，1＃孔出現(xiàn)明顯的上下電阻率值特征分界面；2018年7月14日，2＃孔控制范圍垮落帶已充分發(fā)育，高度范圍主要為0～21 m，反映垮落帶的高度為21 m，為細(xì)粒砂巖和中粒砂巖界面位置。2018年7月17日，1＃孔電阻率值變化基本穩(wěn)定，裂縫高度范圍為50～106 m，該范圍內(nèi)電阻率值顯著升高，為典型的裂縫帶電阻率值特征，反映工作面邊緣部分導(dǎo)水裂縫帶的高度為106 m，為砂質(zhì)泥巖與泥巖界面位置。

4 結(jié)論

(1)該測試工作面煤層開采頂板覆巖視電阻率響應(yīng)特征表明：其工作面采動(dòng)應(yīng)力超前作用范圍為60 m，垮落帶高度為21 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為106 m。

(2)采用電阻率法對煤層上覆巖體進(jìn)行監(jiān)測，其電阻率變化明顯，分辨率高，可以較為清晰地判斷出巖層結(jié)構(gòu)破壞及裂隙發(fā)育，能較為準(zhǔn)確地劃定覆巖垮落帶和裂隙帶的范圍。

(3)利用井下鉆孔布置電法觀測系統(tǒng)，可以有效地觀測到煤層開采后頂板覆巖變形與破壞的發(fā)育特征，為礦井的安全開采提供保障。