蔣法文 黃暉 吳桁 韓必武 劉亮 付茂如

摘要：煤層開(kāi)采過(guò)程中工作面底板巖層變形與破壞特征可利用物探方法進(jìn)行綜合測(cè)試與判斷?；茨吓吮钡V3煤層距底板灰?guī)r層較近，現(xiàn)場(chǎng)利用底板巷道布置鉆孔電法測(cè)試系統(tǒng)，根據(jù)煤層開(kāi)采進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得了煤層開(kāi)采過(guò)程中底板巖層電阻率值變化過(guò)程參數(shù)，結(jié)合背景值對(duì)比分析獲得了巖層破壞特征規(guī)律認(rèn)識(shí)。結(jié)果表明，該工作面3煤層頂分層開(kāi)采破壞深度為14.5m左右，其結(jié)果動(dòng)態(tài)、可靠。

關(guān)鍵詞：底板破壞深度；鉆孔電法；電阻率

淮南礦區(qū)目前正在開(kāi)采深部A組煤層，其開(kāi)采中主要受到來(lái)自于底板灰?guī)r水的威脅，因此需要查清煤層開(kāi)采后底板巖層的破壞發(fā)育規(guī)律，正確判定底板受采動(dòng)影響的破壞深度是精確預(yù)測(cè)底板阻水能力的首要條件。上個(gè)世紀(jì)80年代以來(lái)，全國(guó)已進(jìn)行了許多有關(guān)底板采動(dòng)破壞特征規(guī)律研究的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。受當(dāng)時(shí)技術(shù)方法等條件的限制，一般是在煤層底板內(nèi)沿傾斜剖面布置鉆孔，終孔于底板法線，每個(gè)鉆孔在底部留2.0m裸孔段作為注（放）水觀測(cè)點(diǎn)，其余孔段注漿封閉，因而這些現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)為點(diǎn)式間斷觀測(cè)，難以確切反映底板采動(dòng)破壞的變化形態(tài)和破壞深度。為了能夠連續(xù)觀測(cè)底板破壞過(guò)程，深入研究底板采動(dòng)破壞的動(dòng)態(tài)變化，準(zhǔn)確探測(cè)采動(dòng)破壞深度，張文泉和張紅日等采用鉆孔注水系統(tǒng)進(jìn)行了底板采動(dòng)破壞過(guò)程的連續(xù)探測(cè)研究；劉傳武等采用聲波檢測(cè)技術(shù)觀測(cè)煤層底板的破壞深度及演化規(guī)律，但受方法本身所限，這些方法在施工難度及探測(cè)精度等方面仍存在一定程度的不足。我局與安徽理工大學(xué)合作開(kāi)展了利用工作面底板放水巷道施工頂板鉆孔，布置地電場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試頂部煤層開(kāi)采過(guò)程中底板的變形與破壞特征，利用巖層物性特征變化討論巖層的破壞深度等參數(shù)，取得了相應(yīng)的認(rèn)識(shí)。測(cè)試點(diǎn)為潘北礦3煤層開(kāi)采工作面，該工作面按3煤底板至C1灰?guī)r層的頂板作為隔水層，其隔水層最小厚度為14.12m，因此煤層開(kāi)采過(guò)程中需要獲得相應(yīng)的底板破壞技術(shù)參數(shù)實(shí)測(cè)值?，F(xiàn)結(jié)合工作面回采過(guò)程中底板巖層的電性特征監(jiān)測(cè)測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行闡述，可為煤礦安全開(kāi)采及水害防治技術(shù)研究提供參考。

1底板鉆孔電法測(cè)試

1.1測(cè)試技術(shù)原理

孔間電阻率CT法是利用施工在巖層中的鉆孔構(gòu)建測(cè)試區(qū)域，進(jìn)一步獲得地電場(chǎng)在時(shí)空的分布特征的一種物探方法。由于電阻率和地層的巖性、巖石孔隙及孔隙中的流體性質(zhì)有直接關(guān)系，因此孔間電法對(duì)于識(shí)別巖層破碎、斷層帶、含水變化等特征具有敏感性，其分辨率較高。孔間電阻率成像是在地面或者一鉆孔中按一定間距設(shè)置源點(diǎn)，在地面或者是另一鉆孔中設(shè)置一定數(shù)量的接收點(diǎn)，依次激發(fā)源點(diǎn)，在地下產(chǎn)生相應(yīng)的穩(wěn)定電流場(chǎng)，用接收點(diǎn)處測(cè)得的電位值來(lái)重構(gòu)兩孔之間介質(zhì)物理性質(zhì)差異的圖像，從而解決相應(yīng)的地質(zhì)問(wèn)題。

數(shù)據(jù)采集儀器為并行電法儀，該儀器最大優(yōu)勢(shì)在于任一電極供電，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，采集數(shù)據(jù)效率比傳統(tǒng)的高密度電法儀又大大提高。

所測(cè)得的電位數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)解編分析后，采用電阻率三維反演技術(shù)進(jìn)行處理。電阻率三維反問(wèn)題的一般形式可表示為：

△d=G△m式中：G為Jacobi矩陣；△d為觀測(cè)數(shù)據(jù)d和正演理論值d。的殘差向量；△m為初始模型m的修改向量。由于它們變化范圍大，一般用對(duì)數(shù)來(lái)標(biāo)定反演數(shù)據(jù)及模型參數(shù)，有利于改善反演的穩(wěn)定性。由于反演參數(shù)太多，傳統(tǒng)的阻尼最小二乘反演往往導(dǎo)致過(guò)于復(fù)雜的模型，即產(chǎn)生所謂多余構(gòu)造，它是數(shù)據(jù)本身所不要求的或是不可分辨的構(gòu)造信息，給解釋帶來(lái)困難。Sasaki在最小二乘準(zhǔn)則中加入光滑約束，反演求得光滑模型，提高了解的穩(wěn)定性。其求解模型修改量△m的算法為

1.2工作面測(cè)試布置

測(cè)試工作面為潘北礦A組煤采區(qū)首采工作面，走向長(zhǎng)度451m，傾向長(zhǎng)度108m，設(shè)計(jì)采用分層開(kāi)層，頂分層采高3m。煤層傾角在7°～11°之間，平均傾角為9°。煤層底板直接底為泥巖，平均厚度1.92m，局部發(fā)育為砂質(zhì)泥巖，硬度較小。老底為細(xì)粉砂巖，平均厚度9.44m，性脆易碎，硬度一般。現(xiàn)場(chǎng)在-490m東翼放水聯(lián)巷左幫鉆窩中專(zhuān)門(mén)設(shè)置鉆場(chǎng)，施工底板鉆孔電法探測(cè)系統(tǒng)，朝向工作面退尺方向下布置2個(gè)傾角不同的鉆孔，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，1#和2#探測(cè)孔均為仰角孔，位于同一垂直剖面上，形成有效的探測(cè)與監(jiān)測(cè)空間。

系統(tǒng)布置時(shí)，1#孔中布置64個(gè)電極，測(cè)線長(zhǎng)度71m，其中1-48#電極極距為1m，49-64#電極極距為1.5m；2#孔布置48個(gè)電極，極距為2m，測(cè)線長(zhǎng)度94m。兩者所形成的探測(cè)區(qū)域完全滿足孔間全電場(chǎng)電性參數(shù)采集及探測(cè)技術(shù)要求。圖1為鉆孔地質(zhì)剖面及電極總體布置示意圖。井下測(cè)試是在兩孔電極間連續(xù)進(jìn)行，通過(guò)不同位置電極點(diǎn)的組合實(shí)施連續(xù)測(cè)量，得到不同供電電極、測(cè)量電極對(duì)應(yīng)深度的電流及電位值。

1.3數(shù)據(jù)采集與分析

現(xiàn)場(chǎng)電極安裝完畢后，待鉆孔中水泥漿固結(jié)后，開(kāi)始測(cè)量背景電阻率值。當(dāng)回采工作面在監(jiān)測(cè)鉆孔可控區(qū)域以內(nèi)時(shí)，為監(jiān)測(cè)靈敏階段，回采工作面每推進(jìn)約5m，采集一次數(shù)據(jù)即可滿足要求。自第一次進(jìn)行孔中電法數(shù)據(jù)采集，到回采工作面推過(guò)斷面控制范圍，完成了整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集任務(wù)?，F(xiàn)場(chǎng)采集使用并行電法儀，其采集參數(shù)為AM（0.5s～50ms）數(shù)據(jù)，目的是加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)采集有效性的驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)所有采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解編，反演電阻率剖面圖，結(jié)合回采進(jìn)度分析其破壞規(guī)律。

1）背景電阻率

圖2為測(cè)試斷面底板巖層視電阻率成像結(jié)果剖面?？梢钥闯?，在回采工作面還未到斷面監(jiān)測(cè)范圍時(shí)，3煤底板砂泥巖地層，其電阻率值相對(duì)均勻，總體在100～250，局部存在一定的差異，可以作為背景電性剖面。前期實(shí)驗(yàn)研究揭示，巖層變形至破壞過(guò)程中，隨著裂隙發(fā)育程度增加，其導(dǎo)電性減弱，測(cè)試視電阻率值增大，兩者呈正相關(guān)關(guān)系，這些為后續(xù)采動(dòng)中巖層變形與破壞對(duì)比分析提供基礎(chǔ)。

2）采動(dòng)變化過(guò)程

根據(jù)工作面回采進(jìn)度，結(jié)合斷面控制范圍，進(jìn)一步獲得不同時(shí)間點(diǎn)底板巖層電性分布特征。圖3為測(cè)試過(guò)程中選取的幾幅變化過(guò)程中的斷面視電阻率剖面，這段時(shí)間工作面共推進(jìn)80.6m，平均推進(jìn)速度為每天2.9m。為了突出底板巖層受采動(dòng)影響的變化特征，將每天的視電阻率測(cè)試分布與背景值對(duì)比，后期的視電阻率值剖面圖較好地反應(yīng)了底板巖層電性參數(shù)的變化，其特征明顯。

可以看出，當(dāng)工作面剛推進(jìn)到監(jiān)測(cè)區(qū)域，底部巖層整體視電阻率值出現(xiàn)變化，分析為受采動(dòng)影響（圖3a）。圖3b中局部視電阻率值繼續(xù)增加，特別是在構(gòu)造影響區(qū)段，其裂隙發(fā)育顯著，在底板深度14.5m以淺巖層變形與破壞特征相對(duì)明顯。圖3c中巖層視電阻率分化較為明顯，與背景值比較表明，巖層變形與破壞后視電阻率值增加的反映特征更為清晰，局部視電阻率值達(dá)到1000Ω·m以上，其中在深度14.9m內(nèi)的砂泥巖組成的亞關(guān)鍵層部位，視電阻率值變化相對(duì)突出，底板擾動(dòng)破壞深度基本穩(wěn)定，應(yīng)力狀態(tài)已達(dá)平衡。

3）底板破壞特征

結(jié)合巖層背景電阻率值大小，以及巖層變形與破壞過(guò)程中電阻率值的變化，可確定巖層破壞的電性判斷經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。由圖可知：工作面底板下方15.3m內(nèi)巖層視電阻率值差異大，其變化達(dá)1.0～3.0倍，較背景值相差數(shù)倍，分析為裂隙發(fā)育所致，特別是底板深度5～8m內(nèi)，電阻率值變化多在2.5～3.0倍以上，可以看作底板破壞強(qiáng)烈段；而底板下方15.3m以下深的巖層，測(cè)試過(guò)程中電阻率值整體保持不變，局部稍有變化，可以看成未發(fā)生破壞區(qū)域。對(duì)于1#鉆孔周邊電阻率明顯偏大的區(qū)域，分析是前期鉆孔施工過(guò)程中導(dǎo)致的電極與圍巖之間耦合不佳。由于1、2#監(jiān)測(cè)孔頂部上方存在三條小斷層，從而導(dǎo)致原本理論上應(yīng)該從鉆孔端破壞的區(qū)域變化很微弱，斷層帶附近卻出現(xiàn)明顯破壞擾動(dòng)，推測(cè)可能是由于應(yīng)力變化不均導(dǎo)致。根據(jù)底板破壞巖層視電阻率值典型特征，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件，認(rèn)為3煤層開(kāi)采過(guò)程中底板巖層變形與破壞的最大深度為15.3m左右，且完整段和斷層影響段差異較大，完整段破壞深度略小，為12m左右。

2結(jié)論

1）3煤層頂分層開(kāi)采煤厚3.0m，開(kāi)采過(guò)程中底板破壞帶深度為12～15.3 m，該段巖層電阻率值整體較高，基本上超過(guò)背景電阻率值1.5倍以上，有的甚至達(dá)到3倍以上，為典型的巖層破壞特征。

2）受斷層影響帶與無(wú)構(gòu)造區(qū)段破壞深度有一定的差異，其中斷層影響帶采動(dòng)過(guò)程中底板破壞深度值在15.3m左右，較完整段略深。

3）本次測(cè)試所獲得的底板巖層破壞特征值對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義，可為煤礦防治水技術(shù)參數(shù)利用提供對(duì)比。對(duì)于A組煤層為首次測(cè)試，其可對(duì)比性有限，建議后續(xù)增加工作面實(shí)測(cè)值，提高分析精度。