某礦3021綜采面頂板覆巖破壞特征研究

王正達

(山西省能源發(fā)展中心)

山西某煤礦3021工作 面內主要有3條斷層和1個層滑變薄區(qū)。為很好地反映不受斷層影響的裂高發(fā)育情況，選擇較為完整的地段進行施工。結合地面鉆孔所處位置，現場是選擇本工作面中部地段，距切眼距離1 380 m位置進行井下鉆孔施工。2號煤層頂板為26 m厚的砂巖，2號煤至3號煤之間為60%的砂巖層，厚度達80 m，因此可以判定3021工作面頂板為堅硬頂板，結合3021工作面實際情況，綜合考慮頂板垂直“三帶”分布特征及裂隙發(fā)育情況，可以判定鉆孔的水平控制范圍不小于80 m，豎直控制范圍應在80 m以上，同時鉆孔施工完畢后，應連續(xù)觀測裂隙的變化情況。

1 網絡并行電法技術

通過最新的網絡并行電法技術[1-5]對由采動而引發(fā)的頂板覆巖層的破壞或變形進行探測，其監(jiān)測系統如圖1所示。其中網絡并行電法儀即為圖中數據采集儀，該儀器數據采集效率與傳統電法儀效率相比提高很多，是電法測試技術方面的又一次升級，這種方法在國內被優(yōu)先使用。它的最大優(yōu)點是通過在任意一處電極供電，剩下所有電極可同時進行電位采集，可清楚地反映探測區(qū)域的自然電位和一次供電場電位的變化情況，例如，測線上設有64個電極，利用網絡并行電法采集時，在任意一處電極供電，剩下63個電極可同時進行電位采集，數據的采集效率至少提高63倍。而且電法儀裝置可以自動依次切換電極，獲得不同的電法數據，不但可以呈現直流高密度電法探測(如溫納二極、三極、四極等)數據的變化情況，而且可呈現高分辨的電阻率變化。此監(jiān)測系統還可以進行遠程數據采集，利用數據Modem、專用軟件系統和電話線的連接，進行電法數據的全面遠程監(jiān)控，減少現場測量，提高工作效率[6-7]。

圖1 網絡并行電法監(jiān)測系統

2 鉆孔施工與安裝

根據3021工作面實際條件，確定在工作面回風順槽施工鉆孔5個。井下回風順槽監(jiān)測鉆孔選定在巷道1 380 m處。在巷道中1 380 m處施工一監(jiān)測鉆場，分別向頂、底板中施工各個測試鉆孔。

根據現場經驗，為防止塌孔，實施單孔成孔、單孔安裝；自2008年3月5日開始進行1#孔的安裝工作，于4月10日結束安裝，共完成1#、2#、3#鉆孔的安裝工作，各類傳感器的安裝工作已完成。監(jiān)測鉆孔探測區(qū)域控制平距約為93 m，控制垂距約為80 m，完全滿足探測需求。表1為各個鉆孔的現場安裝情況一覽。

表1 探測鉆孔安裝情況

根據測斜資料可對鉆孔軌跡進行描述，各個鉆孔空間分布如圖2所示。

圖2 頂底板各個鉆孔空間分布

3 數據采集

完成各個鉆孔安裝后，進入相關調試與測試狀態(tài)。當2008年4月21日工作面回采至1 260 m時，開始進行鉆孔觀測，此時工作面與監(jiān)測位置的孔口之間距離為120 m，將此時測試的值定義為背景場值。考慮到工作面的推進度較大，因此需要對數據采集密度進行調整，直到5月21日由于工作面因檢修而停采，此時工作面停止在1 387 m位置，已推過孔口約7 m。5月29日停止現場數據采集，其時工作面推過孔口90 m。表2為數據采集時間表及工作面回采進度，其中每天中的1組以上數據未列入。

表2 物探數據采集時間表及工作面回采進度

4 數據處理與分析

根據現場鉆孔中電極的安裝情況，生成三維反演空間，通過三維空間的反演得到探測區(qū)域內的電阻率分布情況。由于監(jiān)測采集的數據量大，2#～3#孔和1#～3#孔的跨孔剖面反映較為全面，可直接進行剖面提取處理與分析對比[8-10]。

4.1 2#孔～3#孔跨孔處理

2#鉆孔偏向工作面內側，與巷道指向工作面切眼方向夾角40°(N40°E)，仰角40°，其內側控制平距59 m；而3#鉆孔平行于巷道軸線，傾角為-21°，通過2#～3#孔的數據分析，可以明顯看出工作面頂板的電阻率分布狀況。

在2#～3#孔鉆孔探測中，初始背景場的電阻率一般在30～80 Ω·m，通過對比分析，該值較小，這也表明在該區(qū)域范圍內的頂板有裂隙存在。在探測范圍內頂板的電阻率均呈現上升趨勢，此時3021工作面的采位為1 323 m，距離監(jiān)測鉆孔孔口57 m，先期離層發(fā)育，特征明顯；考慮到工作面回采較快，5月2日和5月4日的探測范圍內出現了超過初始背景值15倍以上的高阻異常區(qū)域，同時這些值不是一成不變的。該高阻區(qū)域受回采位置控制呈2個片狀分布。5月2日工作面位置前方平距25 m垂直上方22 m處先期發(fā)育離層，而工作面后方平距7 m垂直上方45 m左右發(fā)育較高離層，且呈整體垮落趨勢特征。5月4日監(jiān)測揭示，覆巖整體垮落發(fā)育滯后工作面平距20 m左右。2008年5月7日工作面已回采至1 366 m處，與監(jiān)測孔口相距約14 m，所探測范圍呈現大密度高阻反應，可看出其分段垮落現象及其垮落步距，且上部離層發(fā)育現象明顯。5月10日，工作面已推過孔口7 m，此時裂隙發(fā)育相對較為穩(wěn)定，其上部裂隙帶高度在46 m左右。

4.2 1#～3#孔跨孔處理

1#鉆孔偏向工作面外側，與巷道夾角20°(N20°W)，仰角40°，其外側控制平距32 m；3#鉆孔平行于巷道軸線，傾角為負21°，通過1#～3#孔的數據分析，可以看出工作面外側的煤層頂板電阻率分布狀況。

通過4月21日的背景場測試，1#～3#孔聯合探測區(qū)域內的電阻率均在80 Ω·m以下，在5月1—4日，工作面回采速度較快，探測區(qū)域內出現高阻區(qū)域，且該高阻區(qū)域隨著工作面推進不斷變化。其間不同位置離層段發(fā)育特征不同，工作面前方平距25 m上方離層發(fā)育，工作面后方平距30 m處上方離層高度43 m左右；5月4—10日監(jiān)測揭示結果與其類似。其中5月7日探測結果顯示相對穩(wěn)定高阻區(qū)域，其位置在工作面頂板上方46 m處；5月10日探測區(qū)域中的高阻區(qū)域已發(fā)展穩(wěn)定，其中高阻區(qū)域基本穩(wěn)定在頂板上方約45 m處。

5 結 語

通過網絡并行電法技術探測發(fā)現，2號煤層開采過程中，頂板巖體破壞狀態(tài)明顯，其頂板巖體的裂隙發(fā)育成動態(tài)變化特征，采空區(qū)上方離層的頂板巖體首先發(fā)育，離層強度逐漸加大。在工作面50 m范圍內，離層發(fā)育主要的表現形式為老頂砂巖垮落，此時垂高為9～22 m，則為豎直“三帶”中的垮落(冒落)帶；工作面采后25～30 m，此時頂板巖體成整體垮落狀態(tài)，即為離層裂隙帶的表現形式。