高召寧鄭志偉應(yīng)治中

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院,安徽省淮南市,232001; 2.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽省淮南市,232001)

★煤炭科技·地質(zhì)與勘探★

電法測(cè)試技術(shù)在覆巖破壞監(jiān)測(cè)中應(yīng)用?

高召寧1,2鄭志偉1應(yīng)治中1

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院,安徽省淮南市,232001; 2.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽省淮南市,232001)

介紹了電法測(cè)試技術(shù)在覆巖破壞監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。從煤層開(kāi)采引起的覆巖破壞的一般規(guī)律出發(fā),分析了覆巖破壞與其電阻率和供電電流之間的關(guān)系,設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)覆巖破壞的方案,并進(jìn)行了煤層開(kāi)采覆巖裂隙演化規(guī)律和覆巖破壞范圍的動(dòng)態(tài)探測(cè)。通過(guò)對(duì)采動(dòng)過(guò)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(kāi)采后采空區(qū)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(chǎn)提供了直觀有效的技術(shù)參數(shù)。

煤層開(kāi)采 電法測(cè)試技術(shù) 覆巖破壞 視電阻率 供電電流 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

1 試驗(yàn)工作面概況

顧橋礦1116(1)工作面位于北一上山采區(qū)中下部,周?chē)?117(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(biāo)高為－398～－394 m,下平巷標(biāo)高為－416～－406 m。工作面傾斜長(zhǎng)217.6 m,走向平均長(zhǎng)2687.9 m。1116(1)工作面開(kāi)采11－2煤層,煤層結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhì)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(zhì)泥巖和粉砂巖;老頂厚度16.9～24.0 m,為中細(xì)砂巖。工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法,全部垮落法管理頂板。

根據(jù)布置在1116(1)工作面回風(fēng)平巷中的兩個(gè)監(jiān)測(cè)鉆孔揭露的巖層柱狀以及巖石的物理力學(xué)試驗(yàn)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(zhì)泥巖占20.93%,鮞狀泥巖占0.69%,粘土巖占8.9%,單軸抗壓強(qiáng)度大于40 MPa的巖層占總厚度的61%以上,單軸抗拉強(qiáng)度為2.99～6.006 MPa,巖層的內(nèi)摩擦角為42.8°～58.7°。總體來(lái)看,11－2煤層頂板巖層屬于中硬—硬巖類(lèi)型。

2 電法測(cè)試原理及覆巖破壞特征的解釋依據(jù)

2.1 探測(cè)方法技術(shù)原理

對(duì)1116(1)綜采工作面上覆巖層因采動(dòng)引起的變形和破壞的探測(cè)采用的是并行電法測(cè)試技術(shù)。數(shù)據(jù)采集儀器為并行電法儀,其特點(diǎn)在于任一電極供電,可在其余所有電極同時(shí)進(jìn)行電位測(cè)量,可清楚地反映探測(cè)區(qū)域的自然電位、一次供電場(chǎng)電位的變化情況。通過(guò)單點(diǎn)電源場(chǎng)法(AM法)和異性點(diǎn)電源場(chǎng)法(ABM法)裝置自動(dòng)順次切換電極,取得大量的電法數(shù)據(jù),不僅可實(shí)現(xiàn)所有現(xiàn)行的直流高密度電法探測(cè)數(shù)據(jù)反演,而且可進(jìn)行高分辨的電阻率法反演。

2.2 覆巖破壞特征的解釋依據(jù)

巖體的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí),電阻率值也會(huì)發(fā)生改變。對(duì)于煤層頂板來(lái)說(shuō),一般情況下,煤層電阻率值相對(duì)較高,砂巖次之,黏土巖類(lèi)最低。當(dāng)巖層發(fā)生變形與破壞時(shí),如果巖層不含水,則其導(dǎo)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(dǎo)電性增強(qiáng),相當(dāng)于在巖體中存在局部低電阻體。

監(jiān)測(cè)過(guò)程中由于各個(gè)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(duì)于確定的回采工作面,其上覆巖層同一層的巖性在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)變化不大,也就是說(shuō)同一巖層的巖性對(duì)其電阻率的影響不明顯,因此影響巖體結(jié)構(gòu)特征變化的是采動(dòng)對(duì)覆巖的破壞作用。當(dāng)工作面開(kāi)采過(guò)程中其上覆巖層在采動(dòng)作用下,其受力狀態(tài)發(fā)生了改變,在覆巖中出現(xiàn)了應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力恢復(fù)區(qū),當(dāng)工作面推進(jìn)時(shí)這3個(gè)區(qū)不斷前移,從而使得覆巖中的裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展、演化、貫通,隨著3個(gè)區(qū)的變化而變化,直接作用的結(jié)果是巖體的電阻率值隨著工作面推進(jìn)表現(xiàn)出不同特征。

工作面推進(jìn)中巖層的電性在縱向和橫向上發(fā)生的變化,代表了覆巖破壞和裂隙發(fā)育特征。因此,通過(guò)測(cè)取覆巖不同高度處巖層電阻率變化來(lái)分析其變形與破壞規(guī)律,這是電法監(jiān)測(cè)覆巖破壞的地質(zhì)基礎(chǔ)。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育僅為一定高度以下巖層電阻率所發(fā)生的變化,每次測(cè)試時(shí)以采動(dòng)未影響到的巖層電阻率分布作為基礎(chǔ),通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)試可以從時(shí)空規(guī)律上直觀分析巖層的破壞過(guò)程和規(guī)律。另一方面巖層的彎曲、變形和破壞也會(huì)造成布置在巖體中電極的供電電流大小發(fā)生變化,綜合分析巖層電阻率值和各個(gè)電極供電電流大小的變化,最終確定采動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)水裂隙帶和垮落帶的發(fā)育高度。

3 覆巖破壞高度電法測(cè)試

3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)研究?jī)?nèi)容和巷道實(shí)際情況,在1116(1)工作面回采至回風(fēng)巷1530 m處和1720 m處分別布置1＃和2＃監(jiān)測(cè)孔,其方向朝著工作面回采方向,鉆孔布置見(jiàn)圖1。1＃鉆孔中共布置53個(gè)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(nèi)共布置46個(gè)電極,電極間距為2 m,46號(hào)電極距離孔口0.8 m。鉆孔技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 探測(cè)成果分析

3.2.1 視電阻率剖面分析

以工作面1＃監(jiān)測(cè)孔中為便,監(jiān)測(cè)孔不同位置時(shí)采動(dòng)作用下覆巖視電阻率觀測(cè)剖面圖見(jiàn)圖2。

圖2(a)為回采工作面距孔口194 m時(shí)上覆巖層視電阻率監(jiān)測(cè)剖面圖。由于工作面距監(jiān)測(cè)孔較遠(yuǎn),采動(dòng)尚未對(duì)上覆巖層產(chǎn)生影響,故可將此時(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)果作為后續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比依據(jù)。此階段回采時(shí),上覆巖層的電阻率分布在100～800Ω·m范圍內(nèi),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(shí)視電阻率監(jiān)測(cè)剖面圖。此時(shí)回采已影響到監(jiān)測(cè)區(qū)。與回采工作面距孔口194 m時(shí)上覆巖層視電阻率值相比,其局部電阻率值高達(dá)1000～4000Ω·m,表明頂板巖層在采動(dòng)作用下發(fā)生了一定的變形和破壞,使得監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)巖層的視電阻率升高。同時(shí),在工作面前方約35 m內(nèi),頂板巖層電阻率值顯著升高,分析認(rèn)為是采動(dòng)引起的超前支承壓力所致。

圖1 1＃和2＃監(jiān)測(cè)孔剖面示意圖

表1 監(jiān)測(cè)孔參數(shù)表

圖2(c)為回采工作面距孔口37 m時(shí)視電阻率監(jiān)測(cè)剖面圖。由圖可見(jiàn)在采空區(qū)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(shí)增高有時(shí)降低,處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài),這表明采空區(qū)上方的頂板破壞劇烈,而且破斷巖塊形成的結(jié)構(gòu)隨工作面推進(jìn)存在著穩(wěn)定—失穩(wěn)—再穩(wěn)定的變化過(guò)程中。

圖2(d)為回采工作面距孔口16 m時(shí)視電阻率剖面圖,此時(shí)大部分頂板巖層位于采空區(qū)上方。整個(gè)監(jiān)測(cè)剖面以高電阻率值分布為主,在剖面下部高阻區(qū)表現(xiàn)尤為集中。

圖2 工作面1＃監(jiān)測(cè)孔中不同位置視電阻率觀測(cè)剖面圖

對(duì)比分析探測(cè)剖面的電阻率分布情況得出,隨工作面的開(kāi)采,在采空區(qū)上方13 m范圍內(nèi)巖層的電阻率值整體較高,有的甚至達(dá)到幾千歐姆·米以上,超過(guò)回采工作面距孔口194 m時(shí)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(dá)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(xiàn)出破壞特征。距煤層43.5 m以上的巖層其電阻率值未見(jiàn)普遍的上升或下降,相對(duì)穩(wěn)定。

3.2.2 供電電流分析

在監(jiān)測(cè)孔內(nèi)距孔口104～70 m段布置著1?！?7＃電極,隨著煤層開(kāi)采,此段內(nèi)電極的供電電流總體上經(jīng)歷了由高到低再高的變化過(guò)程,供電電流在50～90 m A范圍內(nèi)變化。說(shuō)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?！?8＃電極其供電電流隨煤層的開(kāi)采經(jīng)歷了升高—降低—再升高—再降低的變化過(guò)程。說(shuō)明18?！?8＃電極所在的巖層在工作面開(kāi)采過(guò)程中經(jīng)歷了壓縮階段、斷裂階段以及斷裂巖塊的后運(yùn)動(dòng)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(yīng)增大;當(dāng)巖體進(jìn)入破裂階段,由于裂隙的產(chǎn)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(dāng)巖體破壞以后,由于斷裂的巖塊相互擠壓形成了砌體梁結(jié)構(gòu),在工作面的推進(jìn)過(guò)程中,前、后斷裂巖塊其回轉(zhuǎn)下沉的方向相反,在回轉(zhuǎn)過(guò)程中使前、后巖塊在某一時(shí)刻成為一體,這時(shí)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(xù)推進(jìn),擠壓為一體的斷裂巖塊又在下部分開(kāi),巖體的電阻增大,相應(yīng)的電極供電電流減小。總的來(lái)看,與這一段巖層接觸的電極其供電電流波動(dòng)較大,但與1?！?7＃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(jìn)變化趨勢(shì)一致,工作面推至距孔口47 m時(shí),電流值從40 m A以上降至20 m A以下。隨工作面繼續(xù)推進(jìn),電流持續(xù)下降,到工作面推至距孔口附近時(shí),電流發(fā)生突變,降至幾個(gè)毫安,說(shuō)明巖層已完全破壞,進(jìn)入了冒落帶,總的來(lái)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(jìn)經(jīng)歷了持續(xù)降低至穩(wěn)定的變化過(guò)程。

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

4 結(jié)論

(1)根據(jù)采動(dòng)過(guò)程中工作面前后上覆巖層變形破壞經(jīng)歷支承壓力壓縮區(qū)、離層發(fā)育區(qū)及重新壓實(shí)區(qū)這一特征,建立了回采工作面開(kāi)采前、后的電觀測(cè)模型,得出了1116(1)工作面在采動(dòng)作用下,其垮落帶高度約13 m,導(dǎo)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(shí),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(shí)測(cè)結(jié)果表明,根據(jù)回采過(guò)程中上覆巖層巖體視電阻率和電極供電電流的時(shí)空變化,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,有利于工作面突水預(yù)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(lán)田人,教授,主要從事煤礦開(kāi)采教學(xué)和科研工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與神華集團(tuán)有限公司聯(lián)合資助項(xiàng)目(51174255),國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51074003,51274008),中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012T50567)