徐 磊，李希建,田 波，游先中

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550025； 2.復(fù)雜地質(zhì)礦山開(kāi)采安全技術(shù)工程中心， 貴州 貴陽(yáng)550025； 3.貴州大學(xué) 瓦斯災(zāi)害防治與煤層氣開(kāi)發(fā)研究所， 貴州 貴陽(yáng) 550025；4.貴州五輪山煤業(yè)有限公司， 貴州 納雍縣 553309)

基于網(wǎng)絡(luò)并行電法的頂板“三帶”發(fā)育研究*

徐 磊1,2,3，李希建1,2,3,田 波4，游先中4

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550025； 2.復(fù)雜地質(zhì)礦山開(kāi)采安全技術(shù)工程中心， 貴州 貴陽(yáng)550025； 3.貴州大學(xué) 瓦斯災(zāi)害防治與煤層氣開(kāi)發(fā)研究所， 貴州 貴陽(yáng) 550025；4.貴州五輪山煤業(yè)有限公司， 貴州 納雍縣 553309)

為認(rèn)識(shí)近距離煤層群首采層開(kāi)采后的頂板“三帶”發(fā)育規(guī)律，以貴州五輪山煤業(yè)有限公司五輪山煤礦1805工作面為研究區(qū)域，利用網(wǎng)絡(luò)并行電法對(duì)1805工作面8煤頂板“三帶”演化過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析，獲得了8煤頂板上覆巖層變形與破壞發(fā)育規(guī)律。結(jié)果表明：1805運(yùn)輸巷距離底板垂高32.1～35.8 m為裂隙帶，裂隙帶最大發(fā)育高度為35.8 m；7.1～ 8.7 m范圍里為冒落帶，頂板巖層35.8 m以上巖層電阻率值穩(wěn)定，為彎曲下沉帶。研究對(duì)象在貴州省乃至西南地區(qū)具有代表性，研究結(jié)論可指導(dǎo)類似條件礦井的“三帶”管理。

網(wǎng)絡(luò)并行電法；電阻率；裂隙帶；冒落帶；彎曲下沉帶

0 引 言

近距離煤層群開(kāi)采后，其頂板上覆巖層會(huì)變形與破壞[1￣2]，形成“三帶”(垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶和整體彎曲帶)，頂板裂隙水與鄰近煤層瓦斯的涌入嚴(yán)重影響工作面回采工作，因此需要針對(duì)頂板的覆巖破壞情況進(jìn)行觀測(cè)[3￣7]，劃分頂板“三帶”，為礦井防治水及瓦斯治理工作提供參考數(shù)據(jù)。本文以貴州省五輪山煤業(yè)1805回采工作面作為研究對(duì)象，利用網(wǎng)絡(luò)并行電法對(duì)1805工作面頂板“三帶”進(jìn)行研究，觀察裂隙帶的發(fā)育程度及對(duì)“三帶”(即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶)高度進(jìn)行劃分[8￣10]，獲得1805工作面頂板上覆巖層變形與破壞發(fā)育規(guī)律，為其安全回采提供技術(shù)支撐，也為類似開(kāi)采條件的煤礦提供指導(dǎo)。

1 鉆孔布置及數(shù)據(jù)采集

1.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)鉆孔布置

根據(jù)實(shí)際情況，選擇1805運(yùn)輸順槽作為施工巷道，煤層平均厚度為1.8 m，冒落巖石碎脹系數(shù)取1.2，平均煤層傾角為10°，頂板巖石普氏硬度6～8，屬中硬巖層，根據(jù)公式計(jì)算出冒落帶高度最大值為9.13 m，根據(jù)公式計(jì)算出裂隙帶最大高度為36.8 m。觀測(cè)鉆孔開(kāi)孔位置選擇在1#鉆場(chǎng)頂板，開(kāi)孔高度為2.4 m，所以冒落帶設(shè)計(jì)終孔高度距煤層頂板7 m，裂隙帶設(shè)計(jì)終孔高度距煤層頂板35 m，從1#鉆場(chǎng)向1805采空區(qū)方向施工2個(gè)觀測(cè)孔，各觀測(cè)孔的方位與傾角見(jiàn)鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1，鉆孔布置見(jiàn)圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)鉆孔位置分布

1號(hào)探測(cè)孔用于檢測(cè)頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育過(guò)程，布置64個(gè)間距為1.0 m的電極，由上至下分別標(biāo)號(hào)為1～64，實(shí)際控制范圍沿巷道方向平距為16.5 m，控制垂高為58 m。2號(hào)鉆孔布置電極數(shù)32個(gè)，電極間距1.0 m，1號(hào)電極在終孔位置，32號(hào)電極位于開(kāi)孔端，距離孔口3.5 m，主要用于觀測(cè)煤層頂板垮落帶高度，其控制范圍沿巷道方向平距為14.3 m，控制垂高19.5 m。

1.2 數(shù)據(jù)采集

1805工作面1號(hào)和2號(hào)孔測(cè)試系統(tǒng)于2016年12月28日安裝完畢，2016年12月28日第一次進(jìn)行孔中電法數(shù)據(jù)采集，截止2017年1月6日,工作面回采過(guò)孔口6.3 m完成最后一次采集。

2 視電阻率剖面分析

頂板巖層受采動(dòng)影響后，巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的變化，引起巖層電阻率值發(fā)生變化，不同日期的電阻率測(cè)試結(jié)果對(duì)比可以看出其相對(duì)變化的過(guò)程。根據(jù)探測(cè)剖面的電阻率分布特征對(duì)8煤頂板巖層變形與破壞規(guī)律進(jìn)行分析，以及判定垮落帶、裂隙帶發(fā)育高度值。

2.1 巖層電阻率背景值分析

圖2為2016年12月28日孔中視電阻率剖面，工作面回采位置距孔口10 m，監(jiān)測(cè)孔下方電阻率由冷色至暖色調(diào)分布，分別代表0～1000Ω·m，此時(shí)工作面回采位置距離監(jiān)測(cè)位置最遠(yuǎn)，頂板巖層受采動(dòng)影響較弱，將此次視電阻率剖面作為背景值進(jìn)行分析。

圖3所示剖面中6-3煤以下15 m范圍內(nèi)高低阻區(qū)域有一定變動(dòng)，說(shuō)明煤層采動(dòng)引起的視電阻率響應(yīng)正逐漸顯現(xiàn)，這也反映出該層位附近受到采動(dòng)影響，巖層發(fā)育裂隙。

2.2 巖層變形破壞分析

從圖4、圖5電阻率剖面中可見(jiàn)，在已回采的工作面頂板上方15～35 m段阻值明顯升高，分析為煤層采動(dòng)過(guò)后周期應(yīng)力集中所致，推斷高電阻率值區(qū)域巖層裂隙發(fā)育明顯，巖層結(jié)構(gòu)受到破壞。判定8煤頂板導(dǎo)水裂隙帶高度為33.6 m。與此同時(shí)，在靠近8煤層附近，由于工作面回采位置逐漸接近測(cè)試鉆孔，孔口附近安裝的電法傳感器逐漸對(duì)煤層采動(dòng)引起的直接頂板巖層應(yīng)力集中響應(yīng)敏感，靠近孔口附近區(qū)域，巖層電阻率明顯升高，為煤層采動(dòng)引起，初步判定垮落帶高度為7.1 m。

圖2 裂高孔電阻率觀測(cè)剖面(2016年12月28日)

圖3 裂高孔電阻率觀測(cè)剖面(2016年12月29日)

圖4 裂高孔電阻率觀測(cè)剖面(2016年12月30日)

圖6剖面中在已回采的工作面左上方頂板15～35 m段阻值明顯升高顯著，相比背景電阻率值，在6-4煤層與6-3煤層之間，本日電阻率剖面中巖層電阻率值升高顯著，已達(dá)到1000Ω·m以上。說(shuō)明該部位巖層受采動(dòng)影響，已經(jīng)逐步發(fā)生離層，裂隙發(fā)育進(jìn)一步擴(kuò)大，判定8煤頂板導(dǎo)水裂隙帶高度為32.1 m。孔口附近8煤層直接頂板電阻率值進(jìn)一步升高，達(dá)到背景電阻率值的5～7倍，反映巖層應(yīng)力進(jìn)一步集中，裂隙發(fā)育范圍逐漸擴(kuò)大，判定垮落帶高度為7.5 m。

圖7、圖8監(jiān)測(cè)剖面中高阻區(qū)發(fā)生了明顯的變化，相對(duì)背景電阻率值，本次監(jiān)測(cè)剖面中幾個(gè)關(guān)鍵區(qū)域電阻率值升高10倍以上，達(dá)到1000Ω·m以上，結(jié)合該兩日煤層回采位置分析，認(rèn)為煤層采動(dòng)引起的巖層變形與破壞基本已充分顯現(xiàn)，從與前幾天的連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比而言，本次剖面中裂隙帶高度和垮落帶高度都有一定的上升，高電阻率區(qū)域范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，反映巖層裂隙發(fā)育明顯。判定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為35.4 m，垮落帶高度為7.9 m。

圖9、圖10監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)巖層變形與破壞由高強(qiáng)度活動(dòng)逐漸向穩(wěn)定變化，期間電阻率數(shù)據(jù)因采動(dòng)應(yīng)力及巖性等多因素影響呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化現(xiàn)象，可視為一種正常的巖層活動(dòng)過(guò)程。監(jiān)測(cè)段已回采完畢，絕大部分頂板巖層位于老空區(qū)上方。從監(jiān)測(cè)剖面可知，此時(shí)主要為高電阻率值分布，高阻區(qū)集中于剖面下部，應(yīng)力集中破壞程度高，垮落帶發(fā)育較充分，上部巖體位移量較大，裂隙區(qū)進(jìn)一步發(fā)育。對(duì)比分析判定導(dǎo)水裂縫帶頂界面高度為35.8 m，垮落帶頂界面高度為8.7 m。

根據(jù)覆巖破壞電阻率值典型特征，結(jié)合區(qū)域基本地質(zhì)條件，分析認(rèn)為不同時(shí)期該煤層開(kāi)采破壞后：

(1) 垮落帶高度范圍為7.1 ～ 8.7 m。該段巖層電阻率值變化不均勻，總體達(dá)到1000Ω·m以上，為破壞區(qū)。

(2) 裂隙帶高度范圍為32.1 ～ 35.8 m。電阻率值并沒(méi)有呈現(xiàn)均勻變化，上下溝通特征明顯，為破壞導(dǎo)通區(qū)。

(3) 頂板巖層35.8 m以上巖層電阻率值穩(wěn)定，為彎曲下沉帶。

圖6 裂高孔電阻率觀測(cè)剖面(2017年01月01日)

圖7 裂高孔電阻率觀測(cè)剖面(2017年01月02日)

圖8 裂高孔電阻率觀測(cè)剖面(2017年01月03日)

圖9 裂高孔電阻率觀測(cè)剖面(2017年01月04日)

圖10 裂高孔電阻率觀測(cè)剖面(2017年01月05日)

3 覆巖破壞過(guò)程

通過(guò)視電阻率剖面連續(xù)對(duì)比分析，隨著工作面的不斷推進(jìn)，監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的巖體變形破壞階段明顯可分為4個(gè)階段：

階段Ⅰ(回采位置距孔口10 m以前)，該期間回采位置處于監(jiān)測(cè)區(qū)，覆巖變形破壞不明顯，整體處于相對(duì)穩(wěn)定階段；

階段Ⅱ(回采位置距孔口10 m推進(jìn)至距孔口3 m)為覆巖彎曲變形及離層階段，變形主要發(fā)生在軟巖層或原生裂隙較發(fā)育的砂巖層；

階段Ⅲ(面回采位置從距孔口3 m推進(jìn)至距孔口0 m)，本階段為巖體破壞階段，監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的巖體發(fā)生了較大變形和位移，破壞了巖體的結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生了大范圍的裂隙區(qū)，局部區(qū)域巖體開(kāi)始垮落；

階段Ⅳ(回采位置通過(guò)孔口-1 m以后)，本階段巖體大部分位于工作面老空區(qū)上方，應(yīng)力集中區(qū)對(duì)巖體破壞作用最強(qiáng)，變形破壞作用繼續(xù)增強(qiáng)，裂縫帶進(jìn)一步發(fā)育，底部巖體失穩(wěn)垮落。

4 結(jié) 論

根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)視電阻率的連續(xù)變化分析，隨著工作面回采的不斷推進(jìn)，監(jiān)測(cè)視電率剖面表現(xiàn)出一定規(guī)律，視電阻率的變化動(dòng)態(tài)反映了煤層頂板煤巖體結(jié)構(gòu)受到集中應(yīng)力破壞的情況，表現(xiàn)為視電阻率持續(xù)升高，隨著工作面推進(jìn)，高阻區(qū)逐漸向孔口移動(dòng)。視電阻率時(shí)高時(shí)低為工作面正上方及前方受周期應(yīng)力作用，巖體壓實(shí)或松散時(shí)的表現(xiàn)。在工作面回采位置的后方冒落步距內(nèi)，頂板巖體冒落具有一定滯后效應(yīng)，表現(xiàn)在工作面后方視電阻率在回采通過(guò)時(shí)并不立即轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娮杪手刀蔷哂幸欢笮约爸芷谛浴?/p>

(1) 垮落帶高度：范圍為7.1～8.7 m，參考計(jì)算得出監(jiān)測(cè)孔范圍內(nèi)1805工作面運(yùn)輸順槽的裂采比范圍為4.6～5.6。

(2) 導(dǎo)水裂縫帶高度：范圍為32.1～35.8 m。計(jì)算得出監(jiān)測(cè)孔范圍內(nèi)1805工作面運(yùn)輸順槽的裂采比范圍為20.7～23.1。

(3) 頂板巖層35.8 m以上段巖層電阻率值未見(jiàn)普遍上升或下降，為彎曲下沉帶。

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貴州省重大應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(黔科合JZ字[2014]2005)；貴州省教育廳項(xiàng)目(黔教合KY字(2013)112).

徐 磊(1991-),男,貴州黔西南人,碩士，主要從事煤礦安全方面研究，Email：306246800@qq.com。