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        超高密度電法在煤礦底板水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

        2021-10-17 13:59:46翟培合劉宇翔張同德任科科
        煤礦安全 2021年9期
        關(guān)鍵詞:電法巖層含水層

        張 釗,翟培合,劉宇翔,張同德,任科科

        (山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590)

        1 跨孔超高密度電法成像原理

        1)超高密度電法數(shù)據(jù)采集原理。超高密度電法[10]是近年來(lái)一種較新的地球物理探測(cè)技術(shù),其勘探原理與其他傳統(tǒng)電法相同,均以巖土體導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ),研究在施加電場(chǎng)的作用下,地中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律。但其電極排列上選用一種突破原有程式化單裝置束縛的基于“泛裝置”的陣列勘探方法。以2條電纜為例,實(shí)際列為1組,共有的64個(gè)電極互相鏈接,依據(jù)奇-偶間隔配對(duì)原則(1-2,1-4,…,1-64;3-2,3-4,…,3-64;63-2,…,63-64),前后各為32組信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì),經(jīng)由人工電源供電,采集MN的中間數(shù)據(jù)值,獲取反饋的電位信號(hào),形成61條電位通道,共可得到62 464個(gè)數(shù)值點(diǎn),采集數(shù)據(jù)比常規(guī)高密度電法多出幾十倍。超高密度電法系統(tǒng)跑極示意圖如圖1。

        圖1 超高密度電法系統(tǒng)跑極示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultra-high density electrical system

        2)跨孔電阻率成像[11-12]技術(shù)。指的是通過高密度發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)對(duì)地下電場(chǎng)的透視以進(jìn)行地質(zhì)巖土體的立體可視化分析;基于超高密度電法進(jìn)行的跨孔電阻率反演與跨孔層析成像法原理類似;在孔中分別放入2根電纜,布設(shè)井下電極陣,進(jìn)而觀測(cè)跨孔間電流、電壓數(shù)據(jù),經(jīng)過儀器配套的反演軟件,獲得井-井之間的電阻率分布斷面圖,進(jìn)而結(jié)合已有的地質(zhì)鉆探信息,分析深部地電場(chǎng)異常問題。

        2 工程背景

        2.1 工作面地質(zhì)概況

        白莊煤礦位于山東省肥城市,其8103工作面橫長(zhǎng)為100 m,推采長(zhǎng)度為250~327 m,平均推采長(zhǎng)度為290 m,回采標(biāo)高-424.1~-438.0 m;煤巖層整體呈背斜構(gòu)造,背斜軸南翼煤巖層走向?yàn)?2°~89°,傾向?yàn)?62°~179°;背斜軸北翼煤巖層走向?yàn)?4°~76°,傾向?yàn)?14°~346°;工作面回采范圍內(nèi)煤巖層傾角為1°~8°,平均為4°。煤層頂板四灰凹凸不平,局部裂隙發(fā)育,局部存在“二合頂”,對(duì)頂板管理有一定影響?;夭煞秶鷥?nèi)揭露3條斷層,落差為0.6~1.4 m,存在不明隱伏地質(zhì)構(gòu)造。

        2.2 工作面水害分析

        1)老空水。上覆30.7~33.4 m為7煤層采空區(qū),具備自然泄水條件,且其他工作面回采進(jìn)度已結(jié)束,無(wú)威脅。

        2)四灰含水層。頂板8煤層,厚3.8~6.6 m,平均4.7 m,巖層地質(zhì)性不純,含泥質(zhì),相鄰工作面已大面積揭露,四灰水基本疏干。

        3)五灰含水層。上距8煤層底板28.1~43.3 m,平均34.8 m,五灰含水層厚1.6~9.5 m,平均厚5.6 m,工作面區(qū)域鉆孔單孔涌水量0~10 m3/h,平均涌水量0.9 m3/h,回采區(qū)域內(nèi)五灰含水層巖溶發(fā)育不均一、富水性相對(duì)較弱。五灰含水層最大突水系數(shù)為0.096 MPa/m。

        式中:T為突水系數(shù),MPa/m;p為隔水層底板承受的水壓,MPa;M為隔水層厚度,m;ρ為水的密度,kg/m3;h為含水層水位高度。

        4)奧灰含水層。厚800 m左右,與五灰層間距為2.1~8.7 m,平均間距5.4 m;單孔涌水量0.5~100 m3/h,平均涌水量12.4 m3/h。奧灰含水層最大突水系數(shù)為0.139 MPa/m.

        由于思想認(rèn)識(shí)不到位、制度堅(jiān)持不好、組織活動(dòng)方式缺乏創(chuàng)新、帶頭人隊(duì)伍素質(zhì)能力不足、組織覆蓋不全面等原因,出現(xiàn)了基層黨組織弱化、虛化和邊緣化問題。

        由于8103工作面嚴(yán)格留足了FN6斷層防水煤柱,故其不受斷層水害威脅,綜合分析可知工作面主要受底板奧灰承壓水威脅。故需對(duì)工作面的底板水情進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以保障煤礦的安全開采。

        3 工程應(yīng)用

        3.1 鉆孔與電纜的布置

        設(shè)計(jì)時(shí)為保證井下鉆孔的充分利用與施工的便捷,在注漿改造工作面底板的鉆孔基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了單巷、跨斜孔的觀測(cè)裝置,鉆孔設(shè)置立體圖如圖2。圖2中展示了8103工作面巷道內(nèi),設(shè)計(jì)的鉆孔分布位置,用1、2、3、4的數(shù)字形式記號(hào),同時(shí)也在對(duì)應(yīng)的鉆孔插頭位置,做出標(biāo)記。鉆孔呈現(xiàn)立體狀,以4號(hào)孔為測(cè)量基準(zhǔn)鉆孔,其到3號(hào)孔之間的距離定為90 m,到2號(hào)孔的距離是195 m,到1號(hào)孔的距離為300 m。鉆孔結(jié)構(gòu)采用套管的雙級(jí)層推模式,一級(jí)套管在前,約在9煤位置上下浮動(dòng),二級(jí)套管居于后,位于11煤下部,二極套管延伸長(zhǎng)于一級(jí)套管;同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)需要配備打壓合格的孔口控水和防噴反壓裝置,防止水壓過大頂出鉆桿傷人。

        圖2 鉆孔設(shè)置立體圖Fig.2 Stereogram of borehole setting

        將長(zhǎng)度160 m的電纜接頭置入鉆孔中,每5 m間隔1個(gè)電極接頭,在電極接頭處焊接金屬片,增大與巖層的接觸面積,便于點(diǎn)電源向底板巖體供電;而后將線纜引出,進(jìn)行封孔設(shè)計(jì),于鋼管端頭處,焊接1條細(xì)鋼管,電纜從中順出,將封孔裝置固定在孔口,再用高壓注漿封堵,固定電纜;最后在電纜順出處鋪設(shè)一定的斜坡,用水泥注漿,同時(shí)下挖深度為0.4 m的細(xì)溝,將電纜埋設(shè)其中,上附遮蓋石體。

        3.2 數(shù)據(jù)采集

        本次井下數(shù)據(jù)采集于固定巷道外,使用的儀器是FLASHRES64電測(cè)儀,采集裝置為儀器默認(rèn)裝置即全四極[13-14]裝置,裝置示意圖如圖3。按照組合方式選擇線纜插口進(jìn)行接入,檢查電極,排除異常電極,設(shè)置適用參數(shù),進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集按照兩孔對(duì)應(yīng)原則,理論將獲得6(3×2×1)組鏈接數(shù)值集合;然而實(shí)際施工過程中,2號(hào)鉆孔的電纜接頭出現(xiàn)流水現(xiàn)象,為保證施工安全,實(shí)際操作過程中排除2號(hào)鉆孔之外的組合。

        圖3 裝置示意圖Fig.3 Device diagram

        3.3 數(shù)據(jù)處理

        獲取的電位數(shù)據(jù)需先進(jìn)行預(yù)處理,通過觀察程序界面顯示的電流對(duì)分布情況,對(duì)出現(xiàn)其中的異常電流值,進(jìn)行細(xì)節(jié)性剔除。同時(shí),設(shè)置裝置采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量閾值,人為去除質(zhì)量較差的變異數(shù)值點(diǎn),循環(huán)檢查,直至再無(wú)變異點(diǎn),將數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行反演處理。

        反演使用的是廣義最小二乘正則化反演[15-16]方法,其在反演過程中同時(shí)施加光滑約束與背景約束的雙重約束條件,改變回歸模型使變換后的模型隨機(jī)誤差項(xiàng)消除自相關(guān),進(jìn)而通過普通最小二乘法求解新模型的參數(shù)。反演流程示意圖如圖4。

        圖4 反演流程示意圖Fig.4 Flow chart of inversion

        3.4 成果分析解釋

        8103工作面在施工推進(jìn)過程中,結(jié)合礦山壓力變化情況,間隔7~21 d的固定時(shí)期,進(jìn)行5次數(shù)據(jù)采集工作,這里選中其中有代表性的3次監(jiān)測(cè)作為案例進(jìn)行分析,分別為回采前、回采中、及回采完畢后的3次孔間超高密度電法探測(cè)。依次將鉆孔1、3、4所獲取的數(shù)據(jù)兩兩組合進(jìn)行跨孔反演處理,利用Surfer軟件成圖,結(jié)合超高密度孔間透視技術(shù),分析礦井底板水體的運(yùn)移規(guī)律,實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦回采中底板水[17]的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

        3.4.1 4-3鉆孔孔間CT成像

        4-3孔跨孔動(dòng)態(tài)反演圖如圖5。

        圖5 4-3孔跨孔動(dòng)態(tài)反演圖Fig.5 4-3 cross hole dynamic inversion

        從圖5可以看出,有3個(gè)低阻區(qū)域分布在鉆孔深度范圍內(nèi),同時(shí)4號(hào)孔中部、3號(hào)孔深處出現(xiàn)高阻區(qū)域與低阻區(qū)域相鄰。結(jié)合鉆孔資料可知4號(hào)鉆孔的高阻區(qū)域正處于五灰含水層區(qū)域,由于經(jīng)注漿處理后五灰地層分布裂隙被封堵,故五灰地層呈現(xiàn)高阻。同時(shí)由于鉆孔工作面切眼的貫通,致使切眼巷道周圍底板應(yīng)力重新分布應(yīng)力增大,底板巖層受壓力影響增大影響壓縮巖層水,水向應(yīng)力減少方向運(yùn)移,使圖中3號(hào)鉆孔橫向坐標(biāo)0~10 m處呈現(xiàn)低阻狀態(tài)。

        由圖5(b)可知,前方20 m范圍內(nèi),由于受到礦山壓力的影響,巖層受力擠壓,使其中富存的水體分流巖層呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。由于礦山壓力曲線向前、向下傳播,電阻率曲線變化趨勢(shì)與礦山壓力分布趨勢(shì)相似。同時(shí),在開采位置后方采空區(qū)內(nèi),由于后方冒落區(qū)內(nèi)的巖石導(dǎo)電性差,呈現(xiàn)高阻區(qū);在膨脹區(qū)內(nèi)巖石沒有壓實(shí),巖石的導(dǎo)電性亦是不好,呈現(xiàn)部分高阻區(qū);隨著采空區(qū)應(yīng)力逐步恢復(fù),巖石逐步被壓實(shí),其導(dǎo)電性逐步加強(qiáng),呈現(xiàn)部分低阻區(qū)。

        圖5(c)為工作面向前推進(jìn)230 m(即完成施工,進(jìn)入采空區(qū)內(nèi))時(shí)的狀態(tài)??芍殡S施工開采位置的不斷推進(jìn),工作面后方采空區(qū)的增壓部分也在向前推移,隨著這種狀態(tài)的持續(xù)改變,圍巖電阻率逐漸恢復(fù)。然而,在壓實(shí)區(qū)內(nèi)由于應(yīng)力恢復(fù)原巖應(yīng)力,裂隙張開,其它地方的水體隨著裂隙進(jìn)入采空區(qū),隨著時(shí)間的推移,采空區(qū)內(nèi)水體的不斷增多,內(nèi)部的電阻率不斷降低,成為低阻區(qū)。

        3.4.2 3-1鉆孔孔間CT成像

        3-1跨孔電阻率動(dòng)態(tài)反演圖如圖6。其對(duì)應(yīng)上述圖5的3次監(jiān)測(cè)狀態(tài),將二者結(jié)合作為對(duì)整個(gè)工作面底板水情監(jiān)測(cè)的補(bǔ)充和驗(yàn)證。從圖6(a)中可知3號(hào)孔深部奧灰地層呈現(xiàn)高阻區(qū)與圖5(a)中3號(hào)孔深部奧灰地層呈高阻區(qū)的現(xiàn)象一致,表明經(jīng)注漿處理后奧灰地層不富水。從圖6(b)中可知,隨著工作面向前推進(jìn),3號(hào)孔和1號(hào)孔附近存在的巖層相當(dāng)于工作面留設(shè)的煤柱,煤柱巖層承受壓力逐漸增大,受到塑性破壞,使巖層裂隙發(fā)育。當(dāng)裂隙中含有空氣時(shí),呈現(xiàn)高阻區(qū)域;伴隨前方采空區(qū)增大,煤柱的支撐應(yīng)力逐漸減小,其它地方的水體流入裂隙,巖石電阻率降低,呈現(xiàn)不同的變化狀態(tài)。對(duì)比可知,圖5(c)中原有的高阻區(qū)到圖6(c)中轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥鑵^(qū),其原因是隨著工作面不斷的向前推進(jìn),煤柱的支撐應(yīng)力變小,巖層逐漸恢復(fù)為原巖應(yīng)力;經(jīng)時(shí)間的發(fā)展,原來(lái)巖層中產(chǎn)生的裂隙,其中的空氣逐漸被水代替,導(dǎo)電能力增強(qiáng),呈現(xiàn)低阻區(qū)。

        圖6 3-1跨孔電阻率動(dòng)態(tài)反演圖Fig.6 3-1 cross hole dynamic inversion

        4 結(jié)語(yǔ)

        1)運(yùn)用超高密度電法結(jié)合跨孔電阻率CT成像技術(shù),最大化地增大數(shù)據(jù)的采集量;同時(shí)選用廣義最小二乘反演優(yōu)化提高其計(jì)算效率與抗干擾能力,提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。通過對(duì)4-3孔與3-1孔間的跨孔動(dòng)態(tài)反演圖的分析比較,結(jié)合礦壓變化,得到煤層含水體間的電阻率與應(yīng)力關(guān)系,以礦井水的運(yùn)移導(dǎo)向?yàn)榛c(diǎn),證明了超高密度電法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤礦回采過程中的底板水的變化情況有良好的應(yīng)用效果。

        2)超高密度電法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)依托空間電阻率CT法的實(shí)際應(yīng)用,雖取得了良好的監(jiān)測(cè)效果,但其仍未脫離“面”的范疇,不能留下空間立體的直觀印象;同時(shí),由于技術(shù)的局限性,使其監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)在時(shí)間上是斷開的、不連續(xù)的;未來(lái)應(yīng)將該項(xiàng)技術(shù)與三維高密度電法中的“數(shù)面發(fā)散”立體成像、智能視頻識(shí)別等技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)礦企對(duì)工作面底板水的三維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),將井下信息及時(shí)準(zhǔn)確的反饋給地面監(jiān)管單位,從而減少和避免煤礦回采過程中水害的發(fā)生。

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