高田娃

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

0 引言

為了研究傾斜長壁工作面高強(qiáng)度開采條件下覆巖破壞“兩帶”發(fā)育規(guī)律，及時獲得煤層開采后上覆巖層的變形、破壞相關(guān)參數(shù)，劉莊煤礦在171301工作面采用了電阻率法動態(tài)監(jiān)測技術(shù)觀測覆巖破壞冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度[1]，根據(jù)171301工作面觀測鉆孔的施工進(jìn)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(shù)據(jù)采集，共采集了26次數(shù)據(jù)。

1 電阻率法動態(tài)監(jiān)測技術(shù)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(nèi)，電阻率變化最大，甚至失去了導(dǎo)電能力；在裂隙發(fā)育帶中電阻率變化較大，明顯降低了巖體的導(dǎo)電性；在彎曲帶及破壞帶的邊緣電阻率變化較小?；谄茐那昂蟮奈镄圆町悾ㄟ^在采煤工作面覆巖中預(yù)埋入電極傳感器，動態(tài)、連續(xù)的觀測工作面覆巖的物性變化參數(shù)，分析煤層開采過程中覆巖變化及破壞規(guī)律，從而對覆巖破壞“兩帶”高度進(jìn)行判定。

1.2 觀測系統(tǒng)構(gòu)成

電阻率法動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由井下觀測系統(tǒng)和井上控制系統(tǒng)兩部分組成。井下觀測系統(tǒng)以頂板鉆孔為基礎(chǔ)，鉆孔可布置在工作面風(fēng)機(jī)巷，沿工作面推進(jìn)方向上，鉆孔方位斜指向工作面內(nèi)，鉆孔傾角40~60度，孔深可根據(jù)本礦區(qū)最大經(jīng)驗(yàn)裂高來設(shè)計，原則上要控制最大巖體破壞區(qū)為宜。

鉆孔施工后，布置采集系統(tǒng)，采集系統(tǒng)分為電極、電纜、電法儀主機(jī)、電源，通訊系統(tǒng)裝置。電極數(shù)和極距根據(jù)探測的深度和精度要求進(jìn)行調(diào)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(tǒng)控制系統(tǒng)由計算機(jī)及控制軟件、調(diào)制解調(diào)器組成，地面控制系統(tǒng)與井下多個采集分站通過礦用遠(yuǎn)程控制電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令和傳送數(shù)據(jù)。

2 現(xiàn)場施工

根據(jù)探測任務(wù)及施工條件，裂高觀測孔布置在171301風(fēng)巷，觀測孔相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 現(xiàn)場監(jiān)測鉆孔參數(shù)表

3 采集數(shù)據(jù)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(yuǎn)，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(jié)果剖面圖

圖1為6月18日工作面回采位置剛進(jìn)入監(jiān)測區(qū)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(qū)分布范圍較大。與背景電阻率值相對，其局部電阻率值達(dá)1000-3000Ω·m，是背景值的3-5倍以上，表明工作面頂板煤巖體發(fā)生一定的破壞或位移，使得監(jiān)測區(qū)視電阻率升高，結(jié)合背景圖分析，高阻區(qū)上邊界距煤層距離為66.5m，將其推斷為導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育頂界面，下部高阻區(qū)距離煤層19.5m，推斷其為垮落帶發(fā)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(jiān)測剖面。由圖可見在離工作面較遠(yuǎn)的老空區(qū)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(fā)生破壞；工作面上方和前方巖體在人工支護(hù)下減緩了破壞進(jìn)程，且受超前集中應(yīng)力影響，存在周期壓力等現(xiàn)象，視電阻率變化有時增高有時降低，處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。由這次監(jiān)測結(jié)果分析頂板巖體裂隙發(fā)育區(qū)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(nèi)電阻率剖面，監(jiān)測段已基本回采完畢，絕大部頂板巖層位于老空區(qū)上方。此時整個監(jiān)測剖面主要為高電阻率值分布，且在剖面下部高阻區(qū)比較集中。表明在老空區(qū)形成一定步距后，應(yīng)力集中破壞程度高，頂板近煤層巖體冒落，垮落帶發(fā)育較充分，頂部巖體位移量較大，裂隙區(qū)進(jìn)一步發(fā)育。對比分析導(dǎo)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(jié)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(zhì)量以及巖層的電性條件，當(dāng)巖體結(jié)構(gòu)破壞后且沒有低阻介質(zhì)（如泥漿、礦井水）充填時，電流將明顯減小，反之當(dāng)巖體壓實(shí)尤其是軟巖如泥巖或有低阻介質(zhì)存在時電流將增大。因此也可根據(jù)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(jiān)測結(jié)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(jiān)測結(jié)果剖面圖

圖5 裂高孔7月8日孔中電流監(jiān)測結(jié)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(jiān)測結(jié)果，為最后一次電流測量值。對比可以發(fā)現(xiàn)：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?shù)?#～7#電極的電流相對較大，即表現(xiàn)為兩端高中間低的特征，中間供電電流發(fā)生變化的電極所在位置推斷為巖體結(jié)構(gòu)變化區(qū)，垮落帶和裂縫帶中的巖體均可導(dǎo)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(fā)育區(qū)頂界面（圖5中已標(biāo)出），其高度距煤層距離為66m左右。

4 結(jié)論

171301工作面覆巖破壞“兩帶”劃分的依據(jù)以視電阻率值及供電電流的變化為基礎(chǔ)，結(jié)合本區(qū)地層特點(diǎn)，通過不同時期測試結(jié)果對比分析得出如下結(jié)論：

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

（2）受周期應(yīng)力作用，工作面正上方及前方的巖體壓實(shí)或松散時表現(xiàn)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(nèi)，頂板巖體垮落具有一定滯后效應(yīng)，工作面后方視電阻率值在回采通過時并不立即轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦瓒哂幸欢笮约爸芷谛浴?/p>

（3）根據(jù)覆巖“兩帶”電阻率值典型特征，結(jié)合區(qū)域基本地質(zhì)條件，分析認(rèn)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(dá)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(dǎo)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(dá)到幾千以上，且上下溝通特征明顯，為破壞導(dǎo)通區(qū)。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(xiàn)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(wěn)定，其為彎曲下沉帶特點(diǎn)。

（4）參考6~7月份工作面回采實(shí)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(jié)果見表2。

表2 171301工作面裂高孔覆巖變形破壞計算參數(shù)表

［1］建筑物、水體、鐵路及井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[J].煤炭工業(yè)出版社，2000,6.