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电法监测技术在矿井“三带”观测中的应用分析
新闻作者:工程部 徐明明 胡伟  发布时间:2019-04-12  查看次数:  放大 缩小 默认
摘 要:水害是煤矿最常见的影响安全生产的重大灾害之一,煤矿工作面回采之后,工作面顶板上覆岩层会受到破坏而产生变形,从而发育“三带”(垮落带、导水裂隙带和弯曲下沉带),工作面在回采过程中可能会受到顶板含水层富含水的影响,为此要针对顶板的覆岩破坏情况进行观测,预防因工作面回采造成煤层顶板上覆岩层破坏而产生的导水裂隙带形成顶板含水层的导水通道;通过在工作面顶板布置钻孔,采用并行电法进行动态测试,来获得煤层覆岩变形破坏与开采进程之间的动态关系,利用电法监测技术对矿井“三带”观测进行施工,具有施工灵活便捷有效,工作量小,很大程度的降低人员的投入和安全成本,具有广阔的应用前景。本文通过电法监测技术在山东某矿“三带”观测项目施工的成果及矿方的验收意见,验证电法监测技术可以较为准确的观测工作面回采之后的“三带”发育情况。
关键词:并行电法;回采工作面;三带观测;防治水
0 前言
煤矿覆岩破坏参数是矿井合理留设防水煤柱、高抽巷道设计等的科学依据,是保障矿井安全生产和尽量回收煤炭资源的前提。覆岩破坏参数受地质、水文地质、开采方式、工作面推进速度、采高、工作面宽度等许多因素的影响。而地质及水文地质条件是影响覆岩破坏的重要因素,由于不同矿区、不同井田的地质条件千差万别,甚至同一井田不同煤层、不同采区、不同水平其地质条件也存在着一定的差异,因此矿井开采设计在防水煤柱留设时不能仅以临近矿区、临近井田的覆岩破坏参数为依据,必须以本井田大量的实际测量值为依据。
长期以来,探测采后煤层顶底、板岩层破坏高度与深度的方法,主要采用钻孔冲洗液简易水文观测分析法和钻孔压、注水实验法。它们依据冲洗液消耗量和水压降的变化来判定导水裂隙带高度等参数。由于施工探测钻孔难度大、成本高,所获取数据、资料在精度上不同程度地受到施工人员技术、经验水平等方面的制约。
因此,特别需要采用更加先进科学的探测技术与方法为生产服务。利用地震波波速检层、地震CT成像和电法CT成像技术与钻孔结合进行煤层覆岩破坏观测是国内最新的科研成果,目前在工程技术探测方面有着广泛的应用前景;该方法同传统的钻探方法相比,它可查明探测切面内的地质形态,通过在时空域中的多次对比,来获取煤岩层在采前的赋存形态和采后的破坏形态,以及相关的其他地质信息资料。
1 顶板覆岩破坏动态监测技术
1.1 采动覆岩破坏在形态与结构上的演变规律
采煤工作面上覆岩体在受采动影响以前,已经历多次复杂的地质作用并产生了变形和破坏,形成了由结构体和结构面构成的地质体。工作面煤层被采出后,在采空区形成较大的空间,岩层原有的力学平衡系统被破坏,由此引起载荷的重新分配,直至达到新的平衡。这是一个十分复杂的物理、力学变化过程,是岩层产生移动和破坏的过程,通常又把这一过程和现象称为岩层移动。所以覆岩的破坏实质上是已破坏过的岩体再次破坏。根据实际观测,采动岩体的破坏类型有垮落、离层、层间错动、剪切破坏和塑性变形、岩爆、煤爆、底鼓和片帮等。
以上破坏形式可归纳为四种破坏类型,即张拉破坏、剪切破坏、挤压破坏和弯扭破坏。这些破坏形态在破坏岩体结构的同时,又影响着应力的传递、释放、再分布和岩体性质的变化。
当工作面停采并经过一段时间后,上覆岩层将趋于稳定。一般情况下,此时可按岩层的破坏和变形持征,将上覆岩层划分为垮落带、导水裂隙带和弯曲下沉带。
(1)垮落带:垮落带是指用全部垮落法管理顶板时,采煤工作面放顶后引起煤层直接顶板岩层产生破坏的范围。垮落带内岩层破坏的特点是不规则性、碎胀性和可压缩性。垮落带高度取决于煤层顶板的岩石性质。岩石力学强度越低,垮落带高度就越小;岩石坚硬、力学强度高、碎胀系数小,垮落带高度就越大。确定垮落带高度常用计算法和经验法。
(2)导水裂隙带:导水裂隙带位于垮落带和弯曲下沉带之间。靠近垮落带的岩层,断裂严重;远离垮落带的岩层,断裂轻微;除了垂直或近于垂直层面的裂缝外,还产生顺层面脱开的裂缝;垮落带与导水裂隙带合称为两带,在解决水体下采煤时,称两带的总体高度为导水裂隙带高度。两带之间没有明显的分界限,均属于破坏性影响区。一般情况下,上覆岩层离采空区距离越大,破坏程度越小。导水裂隙带范围的形态,在走向及倾向剖面上均为马鞍形。
(3)弯曲下沉带弯曲下沉带位于导水裂隙带之上,该区域所受应力并未破坏岩体结构,仅使岩体发生一定塑性变形。当存在多个自然分层时,发育的塑性变形层位也将随之增多。由于各个层位变形量不一致,在变形带之间可能会产生一定的分层现象。塑性变性带并没产生新的导水通道。
1.2 采动覆岩破坏引起的岩体电性变化规律
煤层开采后,其上覆岩层的结构状态发生很大的变化,自下而上形成垮落带、导水裂隙带和弯曲下沉带。垮落带使原来连续的岩层形成碎块杂乱堆积于采空区内;导水裂隙带则产生了大量的新生裂隙,使岩体的孔隙度大大增加。地下岩层电阻率不仅与岩层的岩性、含水性有关,而且与岩体的结构状态(孔隙度的变化)和变形破坏情况(压缩、膨胀、裂隙发育、破碎程度)有密切的关系。煤层采动引起的覆岩变形、移动、破坏,必然导致覆岩的电阻率发生变化,从而使自然电场和人工电场的分布都将发生相应的变化。
岩体的电阻率随着岩体破坏程度的加大而递增。在垮落带范围内,电阻率变化最大,甚至失去了导电能力;在导水裂隙带中电阻率变化较大,裂隙的发育明显降低了岩体的导电性;在弯曲下沉带的电阻率变化较小。
由此可见,采矿活动前、后煤层上覆地层视电阻率变化明显。且电性变化随着破坏“三带”的形态而不同。这为能够利用电阻率参数识别上覆岩体的导水裂隙带提供了物性前提。岩体的结构特征是影响电阻率的主要因素之一,两者有着显著的相关性。通常不同岩性电阻率值有一定差别,同一岩层,由于其结构特征发生变化,使得电阻率值也会发生改变。对于煤层顶板岩层来说,从电性上分析煤层电阻率值相对较高,砂岩次之,黏土岩类最低。当岩层发生变形与破坏时,如果岩层不含水,则其导电性变差,局部电阻率值增高;如果岩层含水,其导电性好,相当于存在局部低电阻体。采矿过程中岩层电性在纵向和横向上发生变化,代表了其破坏和裂隙发育特征。因此,通过测取顶板不同深度岩层电阻率变化来分析其变形与破坏规律,这是电法测试覆岩破坏特征的地质基础。
导水裂隙带发育仅为一定高度以下岩层电阻率所发生的变化,每次测试时以岩层背景电阻率分布作为基础,通过动态测试可以从时空规律上直观分析岩层的破坏过程和规律。
综上所述,采煤工作面上覆岩体受采动影响其结构产生破坏,结构的改变导致了岩体的地球物理性质(波速、弹性模量、电阻率、极化率)发生变化。基于此物性差异前提,利用高分辨矿井电阻率法动态监测技术,在采煤工作面顶板煤岩体中预埋入电极传感器,通过动态的观测,连续地获取工作面上覆煤岩体在时间和空间上的物性变化参数,以此为基础进一步分析煤层开采过程中上覆煤岩层(体)的变化及破坏发育规律,从而对覆岩破坏“三带”高度进行判定。
2 研究方法对比
目前煤矿井下主要有两种常用方法进行顶板“三带”发育情况进行观测,现对注水法与孔中并行电法两种观测方法的优缺点进行对比;
注水法的优点:形成的成果简单直接,观测周期短。
孔中并行电法的优点:布置采前孔,根据回采进度,进行动态观测;采动围岩产生的裂隙后和原始围岩的电性差异很大,因此能准确额判断出导水裂隙带的高度;相比较而言,采前孔更容易施工,观测设备的安装更可靠。
注水法的缺点:采后孔十分难形成,容易塌孔,注水设备不能很好的安装成功;采前、采后孔布置的位置不一致,对比的背景情况不统一,对比的结果可能存在较大误差。因弯曲下沉带内岩层裂隙不发育或发育很少,同时也受观测孔长度的限制,注水法无法观测到弯曲下沉带的发育情况。
孔中并行电法的缺点:探测结果以视电阻率值变化呈现,需要结合岩层柱状及动态观测整体结果进行对比分析;观测周期相对较长;受观测孔长度和弯曲下沉带电性差异小的限制,也不能观测到弯曲下沉带的准确发育范围。
3 工程实例
3.1 工作面概况
山东某矿施工工作面以西为已采工作面老空区,北为一采区轨道下山、一采区回风下山、一采区胶带下山。该工作面平均走向长度为2575m,平均倾斜长度为243m;主采煤层为3煤,位于山西组中下部,煤层(3煤)赋存大部分较稳定,仅在切眼北约58-86m位置煤层内夹矸变厚,结构较简单。煤层厚度6.70~7.31m,平均煤厚为7.03m,含1~2层夹矸,第一层夹矸上距煤层顶板2.4m,厚0.03m,岩性为泥质砂岩,该层夹矸赋存稳定,为3煤的主要标志层;第二层夹矸下距煤层底板平均为0.36m,厚0.15m,岩性为炭质泥岩。煤层倾角4~16°,平均13°。工作面3煤底板标高-994~-890m,煤层埋深在1035~933m之间。
工作面顶板为中、细砂岩岩组为主,局部见粉砂岩、泥岩岩组。砂岩岩组的抗压强度试验值为75.9~175.2MPa,数字测井强度指数在30~80MPa间,属中等~稳定岩体;粉砂岩、泥岩岩组强度指数多数为30~60MPa,属中等稳定岩体。
工作面底板为中、细砂岩岩组为主,局部为粉砂岩泥岩岩组,中、细砂岩岩组抗压强度66.4~77.1MPa,强度指数40~60MPa,局部大于60MPa,属中等稳定~稳定岩体。粉砂岩泥岩岩组,强度指数一般小于30MPa,局部小于30MPa,属不稳定~中等稳定岩体。
根据工作面两巷掘进过程中揭露情况,共揭露断层66条,落差大于1m小于3m的断层21条、大于3m的断层13条,最大断层落差13m。其中FY15、YF6、YF7、YF9断层斜穿工作面。
3.2 探测任务
煤层开采其顶板上覆岩层会变形与破坏,形成“三带”(垮落带、导水裂隙带和弯曲下沉带),该工作面在回采过程中可能受到顶板砂岩裂隙水的影响,为此要针对顶板的覆岩破坏情况进行观测,为矿井防治水工作提供帮助。
现场通过在工作面辅助运输顺槽布置钻孔,采用并行电法进行动态测试,来获得煤层覆岩变形破坏与开采进程之间的动态关系。具体来说,其探查的主要内容包括:
(1)查明煤层开采覆岩“垮落带”和“导水裂隙带”高度;
(2)获得煤层开采覆岩“三带”发育的动态变化规律。
3.3 观测系统布置

图1 覆岩破坏电阻率法动态监测观测系统示意图
由于覆岩破坏过程是随着采掘工作的推进而动态发育的。动态监测技术与传统裂高观测技术最大的不同之处在于可以全程把握采动前、采动中和采动后岩层破坏发育规律。因此,观测系统具有布置早,观测周期长的特点。井下观测系统以顶板钻孔为基础,井下钻孔布置在风巷或机巷顶板中,可设计为仰孔。钻孔位置布置在工作面推进方向上,钻孔方位斜指向工作面内,钻孔倾角40~60°,水平方位角0~90°。孔深可根据本矿区最大经验导水裂隙带高度来设计,原则上要控制最大岩体破坏区为宜(图1)。
在钻孔施工完成后,进入采集系统布置,采集系统分为电极、电缆、电法仪主机、电源,通讯系统装置。电极数和极距根据探测的深度和精度要求进行适当调整,所选用的电极和电缆通过模具形成一体,最后将电缆和电极埋入至钻孔中并以水泥浆耦合。
3.4 现场施工与布置
观测钻孔的开孔位置在工作面辅助运输顺槽的停采线退后35m,根据矿方提供的资料,此次施工共设计两个钻孔;1号探测孔为仰角孔,钻孔实际仰角为45°,与巷道之间夹角为15°,偏向工作面内一侧。
结合钻探资料,对孔中各个电极布置进行了合理安排,钻孔中布置48个电极,电极间距为2m,1号电极在上,48号在下,48号电极位于孔口向内12m处,监测控制区域为3煤和钻孔所构成的三角形区域,主要用于观测煤层顶板裂隙带高度,实际控制范围为平距延煤层走向距离为72m,控制垂高为75m。2号钻孔与1号钻孔处于同一开孔位置,仰角为20°,与巷道之间夹角15°,偏向工作面内一侧,孔内布置电极数32个,电极间距2.5m,1号电极在上,32号电极在下,距离孔口向内2.5m处,主要用于观测煤层顶板垮落带高度,其实际控制范围为平距延煤层走向距离为72m,控制垂高为28m。具体钻孔示意图见图2;

图2 施工钻孔布置示意图
3.5 数据处理及应用成果

图3 不同时间裂高孔视电阻率值剖面图

由于电阻率数据采集方式和常规数据处理有一定区别,因此在数据处理技术与处理流程上有独特的特点。数据处理利用的是自编“电阻率数据解析系统”处理平台上进行。现场坐标是以钻孔孔口处为水平轴零点,向工作面回采方向为正向;垂直方向以孔口所在位置为零点,向上为正向建立坐标系。由于现场数据采集量大,本次处理主要提取常规高密度温纳三极视电阻率数据,并将探测孔1和2中电流电位数据进行联合反演,获得反演电阻率断面。将每天的监测图像形成剖面进行对比,各图中采用统一色标,且以蓝色基调为低电阻率值,红色为高电阻率值,从而进行顶板岩层变形与破坏的规律解释。
根据钻孔电法监测结果,对于探测区内的“三带”及离层的发育过程可进行有效判断。综合上述不同回采阶段视电阻率结果分析,得出以下结论;
垮落带高度:平均为21m,参考工作面回采实测剖面的采高平均约为6.8m,计算得出工作面胶带顺槽监测孔范围内的冒采比约为3.09。
导水裂隙带高度:为60~70m。参考1301工作面回采实测剖面的采高平均为6.8m,计算得出1301工作面胶带顺槽监测孔范围内的裂采比为8.82~10.29。
弯曲下沉带:1301工作面胶带顺槽煤层顶板70m以上段岩层电阻率值未见普遍的上升或下降,变化较小,相对稳定,其为弯曲下沉带特点。结合采煤厚度,导水裂隙带高度及岩石力学性质分析,随着时间推移,弯曲下沉带会逐步发育到地表,弯曲下沉约1.3m左右。
经过对后期应用效果的追踪,证明以上结论符合实际情况。
4 结束语
1)通过实际应用表明,在工作面顶板布置钻孔,采用并行电法进行动态测试,来获得煤层覆岩变形破坏与开采进程之间的动态关系,能够有效观测矿井“三带”(垮落带、导水裂隙带和弯曲下沉带),为防止水工作提供技术依据。
2)利用电法监测技术对矿井“三带”观测进行施工,具有施工灵活便捷有效,工作量小,很大程度的降低人员的投入和安全成本,具有广阔的应用前景。
参考文献:
[1]汪武,蒋庆丰.并行电法测试煤矿底板岩层破坏[J].淮南职业技术学院学报,2018.
[2]徐旭东,南莹浩,邵小朋.许厂煤矿3336工作面煤层开采覆岩破坏并行电法监测研究[J].华北科技学院学报,2017.
[3]吴云,李运江,孟昭河,刘延欣.薄基岩顶分层开采“两带”发育高度研究[J].煤炭技术,2017.
[4]谢晓添,高明中.潘谢矿区综采面覆岩运动导水裂隙带发育特征研究[J].华北科技学院学报,2014.
[5]赵杰,潘乐荀,朱慎刚,杨胜伦.钻孔并行电法探测煤层开采覆岩破坏在祁南矿713工作面的应用[J].煤,2012.
[6]张朋,王一,刘盛东,汪志军.工作面底板变形与破坏电阻率特征[J].煤田地质与勘探,2011.
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