并行网络电法在煤层覆岩破坏监测中的应用
李建楼1,刘盛东1,张平松1,高荣斌2,姜玉海2
(1.安徽理工大学资源与环境工程系,安徽淮南23200l;
2.河南义马局新安煤矿,河南洛阳471800)
摘 要:并行网络电法勘探现场观测数据表明,随着开采煤层上覆岩体破坏程度的加剧,其电阻率值呈上升趋势:当煤层上覆岩层视电阻率值相对于背景电阻率值增大1-2倍时为裂隙发育带;当增大3倍以上时为离层冒落带.对于全空间电阻率观测,其视电阻率值的变化主要是以突出异常为主.应用结果表明,利用并行网络电法进行煤层顶板视电阻率动态监测,可以直观反映“三带”的发育形态以及开采产生矿山压力的显现规律,为矿井安全提供有效的探测手段. 关键词:覆岩破坏;电阻率;并行网络电法;动态监测 1 并行网络电法探测原理及技术 电法勘探以对介质的电性差异反应灵敏为特点。1987年日本的岛裕雅(Shima)首先提出“电阻率成像”一词,并提出了反演解释的方法。此后,许多地球物理学工作者从理论、实验到应用的不同角度开展了广泛的研究工作。日本OYO公司于20世纪90年代初首先研制出用于电阻率层析成像实际观测的MCOHM-2l型仪器;近10年来,国内电阻率层析成像技术在重建理论和仪器研制方面有了较完备的发展。随着阵列布极方式和自动化数据采集系统的发展,已实现跨孔、孔地、单孔及地面上密集的电位数据采集。 电阻率成像是利用直流电源所激发的电位场,通过观测探测区周围不同方向的电位或电位差,研究探测区内部介质的电阻率分布情况,并以图像形式显示出来。高密度电阻率成像技术,是20世纪80年代后期发展起来的一种新型阵列勘探方法,它是基于静电场理论,以探测目标体的电性差异为前提。实际上,它是集电测深法和电剖面法于一体的勘探方法。 高密度电阻率成像(CT技术)就是首先保持电极间距离,在测线上同时移动逐点观测,所有电极测完一遍后,再加大电极间距离,进行逐点观测,如此反复至电极距离达到最大。成图后形成一个倒梯形断面图,既可显示垂向变化,又可显示横向变化。即显示的数据为二维数据。 并行网络电法是改进了的高密度电法,其突出的优势是数据采集速度快,可以远程控制及在线观测。它与传统高密度电法的区别在于数据采集上,改变了传统高密度电法串行采集效率低的缺点,采用了并行采集,即一个电极供电的同时实现多个电极同时测量,然后使用电子转换开关自动切换供电电极,使数据采集的时间大大缩短。而且,仪器可利用电话网络远程控制数据采集和数据传输,即利用Model通信技术实现远程控制,全天候在线数据采集和数据传输,工作人员可在试验室内对几百km远的煤矿煤层采后覆岩破坏进行动态观测。其探测基本原理和高密度电法一样,是基于静电场理论,采用阵列布极方法,以探测目标体的电性差异为前提。与高密度电阻率法一样,它集电剖面和电测深于一体,采用高密度布点,进行二维地电断面测量,提供的数据量大、信息多,并且观测精度高、速度快,探测的深度也很灵活。和常规电阻率法一样,也是通过A、B电极向地下供入电流,,然后在M、N极间测量电位差△u,从而求得该记录点的视电阻率值 (K为装置系数)。根据实测的视电阻率值,进行计算、处理、分析,便可获得地层中的电阻率分布情况,从而可以划分地层、圈闭异常、确定冒裂带等。观测时,可采用温纳、偶极等装置方式。 2 覆岩破坏电阻率变化理论基础 一般说来,煤系中的粘土岩、泥岩、页岩,其电阻率为一至几十Ω•m,粘砂岩电阻率在数十至数千Ω•m,煤层电阻率也为数十至数千Ω•m。这些数据可以作为开采前地质背景参考值或经验值,主要用来检验仪器是否正常工作,不参与计算。煤层开采之后,覆岩变形破坏自下而上依次产生冒落带、导水断裂带和弯曲变形带。研究表明,在弯曲变形带内,岩体的电阻率变化不大;在导水断裂带中,其上部裂隙发育弱,岩层电阻率值一般是正常值的1.5倍,而在该带下部,裂隙发育,其电阻率值是正常值的2.5倍左右;在冒落带中,在采后一定时间里松散岩石块被压实,电阻率远比正常值大得多,一般是正常值的4-5倍以上1。这样,便可按照电阻率值的变化情况来确定“三带”的范围。 3 工作方法 在工作面巷道煤层顶板布置1个观测钻孔,由于一般情况下,采空区上部岩体的塌陷角小于65°,所以钻孔倾角设计大于35°,尽量使得钻孔倾角与塌陷角互为余角,旨在达到最好的探测效果。已知煤层厚度为4m,根据《煤矿安全规程》,导水裂隙带发育高度是13-15倍的煤厚,即52-60m,所以钻孔钻进垂高设计应大于12倍采高,此扔设计按15倍的采煤厚设计。具体深度可根据采高和岩层组合不同适当调整,对于采高大、刚性岩层组合,钻进深度应大一些;采高小、软性岩层,钻进深度可小一些。然后在孔中布设电极,每隔l-3m设一个电极,各电极由导线连接至巷道中;再用1:10水泥浆注入钻孔直至充满为止,注浆结束后立即封住孔口;15d后,水泥浆强度基本稳定以后,在巷道连接电法仪,对孔中电极的供电电压为15v,即可按并行网络电法进行数据采集。具体的探测起始时间,设计为从工作面到钻孔下端孔口距离等于钻孔水平投影长度的2倍时开始(因为单孔电法测量的数据为体积电性效应,测量半径约为0.5倍的电极距)。随工作面向钻孔推进,动态进行观测,从而得到电阻率的动态变化情况。 4 实例及分析 4.1 装置布置 实验是在新安煤矿1414l工作面上巷进行的,在Y6观测孔(孔深为105m)中自上而下依次安装了48个铜电极,电极间距1.8m,控制斜长84.6m,控制垂直高度54.72m,控制平距64.52m。此时,工作面距离孔口位置在250m以外,有充分的时间进行电法设备的安装和调试。观测孔布置如图1所示。
 图l Y6钻孔布置图
电法测量与记录设备选用安徽理工大学物探科研组研制并由江苏东华测试技术公司生产的“并行网络电法监测系统”。利用该系统,可以在地面使用计算机发送控制指令,并通过电话通讯方式对其实施远程控制,完成数据采集与传输工作。 4.2 探测资料及分析 根据现场提供的资料,整个14141工作面存在自然电位异常,但相比主动供电提供的一次场电场强度而言,地质体的自然电位可以不参与计算,数据结果的精度基本满足生产需要。 工作面回采过程中,获得了大量二极装置的电阻率数据,利用surfer软件对实测数据风(或经过滤波处理后数据)按照记录坐标展布在二维图表上,并进行网格化,在此基础上画等值线图。根据岩层电阻率特征和异常特征设计色谱,形成电阻率成像断面色谱图。 由于并行网络电法观测密度高,所获得的剖面较多,限于篇幅不一一分析,现仅选择不同时期具有代表性剖面(图2-图7)进行分析以获得覆岩破坏规律。 从这些等值线图上可以看出,电阻率的分布和变化规律与地层的关系以及煤层开采后的覆岩破坏一般规律有很好的对应关系。
 图2 工作面距Y6孔口175m时电法CT剖面 图3 工作面距Y6孔口9lm时电法CT剖面
 图4 工作面距Y6孔口68.3m时电法CT剖面 图5 工作面距Y6孔口6.5m时电法CT剖面
 图6 工作面距Y6孔口60m时电法CT剖面 图7 工作面距Y6孔口47m时电法CT剖面
钻孔距离工作面大于175m时(图2),所测量的电阻率基本没有变化,始终保持在100Ω•m左右,说明背景电场基本稳定,这就为覆岩破坏前后电阻率的对比打下了良好基础。随着工作面推进到距离孔口位置91m处(图3),煤层上方作为固支梁的第一亚关键层一28m厚的砂岩的破断引起距离孔口60m上方45m高度出现应力超前,此时应力集中处的电阻率值在250Ω•m左右。当工作面推进到距离孔口68m时(图4和图5),仪器清晰地记录到28m高度处出现离层,此时电阻率值在300n•m左右。当工作面推进到距离孔口60m处(图6),工作面上方顶板下沉产生离层,此时电阻率值在550Ω•m左右。当工作面推进到距离孔口47m处(图7),仪器捕捉到28m厚的砂岩出现冒落,此时电阻率值在550Ω•m以上。 由于成岩时间及矿物成分不同,通常煤系由厚度不等、强度不同的多层岩层组成。其中一层至数层厚硬岩层在岩层移动中起主要的控制作用,将对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层。关键层判别的主要依据是其变形和破断特征,即在关键层破断时,其上部全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调一致的。前者称为岩层活动的主关键层,后者称为亚关键层。 由钻孔资料可知,研究区煤层顶板第一亚关键层厚28m,按照1.15的碎胀系数计算,其碎胀体积可以填充4.2m厚的采空区,而实际煤层的平均厚度为4m,所以冒落带最大高度为28m;其上部是一层薄煤层,属于软弱结构面,这是离层和层间滑动的部位。再往上是10.6m厚的第二个亚关键层一一细砂岩和砂质泥岩联合体。第一亚关键层的破断引起第二亚关键层的扰度变形,并在第二亚关键层上部薄煤层面出现离层。再往上部是关键层,局部有软弱结构面。岩体大体上将呈现整体缓慢下沉,如图8所示。
 图8 14141工作面上覆岩层
5 结论 a.1414l工作面煤层开采至探测位置时,观测到的最大导水裂隙带高度距煤层顶板45m;冒落带的高度距离煤层顶板28m。由于没考虑岩层下沉的蠕变因素和其它不可预见因素,观测值一般低于设计值。如果观测的裂高值乘以120%的安全系数,与《煤矿安全规程》计算的裂隙高度52-60m相比,基本吻合。 b.平均煤厚按照4m计算,裂采比为13.5,冒采比为8.4。 c.采动应力超前工作面前方距离为31m;煤层覆岩破坏超前工作面23m。 d.裂高发展具有一定的发育期,以该工作面推进速度1m/d来看,岩体裂高发育时间为31d;岩体裂高发展活跃期在23d。
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添加日期:2013-11-13
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