劉 湘

網(wǎng)絡(luò)并行電法探測頂板“三帶”技術(shù)研究

劉 湘

(淮北礦業(yè)集團公司祁南煤礦,安徽宿州 234115)

祁南礦綜采342采區(qū)工作面巖層移動采用網(wǎng)絡(luò)并行電法探測巖層移動,探明工作面煤層回采頂?shù)装鍑鷰r移動變化規(guī)律,查明巖層移動的影響范圍及影響程度,為煤層工作面回采及防水煤(巖)柱的留設(shè)提供依據(jù),指導(dǎo)礦井的安全與生產(chǎn)管理。

網(wǎng)絡(luò);監(jiān)測;頂板“三帶”

0 引言

祁南煤礦綜采342工作面位于34采區(qū)右翼一區(qū)段,工作面上限補15線以南以-300m防砂煤柱線為界、該線以北以-330m防水煤柱線為界;下部為344工作面,該工作面已回采。工作面沿煤層偽傾斜方向布置,里低外高,走向長1190m,傾斜寬185m,煤層總厚2.7～4.2 m,一般2.9～3.8m。煤層傾角10～20°,平均15°。工作面及周邊共發(fā)育6條斷層,其中落差大于5m的斷層1條,2.0～4.0m的斷層4條,對工作面回采有影響的斷層3條。監(jiān)測范圍內(nèi)無斷層影響工作面回采。

工作面水文地質(zhì)條件中等,主要受煤系砂巖裂隙水的影響和“四含”水的威脅。根據(jù)生產(chǎn)揭露,32煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層補給水源不足,多為靜儲量,多以淋滲水形式進入工作面。工作面“四含”防砂(水)煤柱高度約28～80m,巖性以泥巖、粉砂巖為主,局部有灰白色中粒砂巖;“四含”巖性為礫石、粘土質(zhì)礫石、粘土夾礫石及粘土質(zhì)砂為主,富水性相對較弱。工作面西北部外圍約60～140m處分布有四含礫巖區(qū),富水性相對較強。

由于342面上方“四含”富水性較弱,且距基巖面高度僅55m左右,適宜進行井下工作面“裂高”監(jiān)測的工作,因此選取本工作面采用網(wǎng)絡(luò)并行電法進行動態(tài)監(jiān)測,來分析探測煤層開采后頂?shù)装鍘r層破壞與開采過程之間的動態(tài)關(guān)系,為今后同類覆巖條件下煤層開采防水煤(巖)柱的留設(shè)提供依據(jù)。

1 342工作面煤層開采頂?shù)装鍘r層破壞監(jiān)測

1.1 網(wǎng)絡(luò)并行電法系統(tǒng)

探測使用的儀器為網(wǎng)絡(luò)并行電法儀,為安徽惠洲地下災(zāi)害研究設(shè)計院與江蘇東華測試技術(shù)有限公司研制的新產(chǎn)品,設(shè)計為礦井本安型。最大優(yōu)勢在于任一電極供電,可在其余所有電極同時進行電位測量,可清楚地反映探測區(qū)域的自然電位、一次供電場電位的變化情況,采集數(shù)據(jù)效率比傳統(tǒng)的高密度電法儀又大大提高,并可實現(xiàn)所有現(xiàn)行的直流高密度電法探測(如溫納二極、三極、四極等)數(shù)據(jù)反演和高分辨地電阻率法反演。

1.2 網(wǎng)絡(luò)并行電法數(shù)據(jù)解析

1.2.1 高密度電阻率法反演

目前所說的電法CT成像技術(shù),其數(shù)據(jù)采集使用傳統(tǒng)的高密度電法儀,這類電法儀每次供電僅能得到一個電位值,為串行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其觀測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)序列擬斷面圖如圖1。高密度電阻率法是集電測深和電剖面法于一體的一種多裝置、多極距的組合方法,它具有一次布極即可進行多裝置數(shù)據(jù)采集,并可進行二維斷面成像,因此得到廣泛應(yīng)用。

圖1 串行電成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)序列及擬斷面圖

高密度電阻率法可采用的裝置有:溫納二極裝置圖2 (a),溫納三極裝置(w-A)圖2(b),溫納三極裝置(w-B)圖2(c),溫納四極裝置(w-α)圖2(d);溫納偶極裝置(wβ)圖2(e);溫納微分裝置(w-γ)圖2(f)等。

各裝置視電阻公式為:

圖2 高密度電阻率法電極裝置圖

引入裝置系數(shù),則各裝置的視電阻率公式為:

1.2.2 高分辨地電阻率法反演

高分辨地電阻率法采用的基本裝置是單極-偶極裝置(如圖3)。該裝置測量的特點是測量時供電電極C保持不變,測量電極P1P2保持相同間距(2b)移動,對測線進行視電阻率掃描測量,每次測量的記錄點為P1P2的中點。視電阻率計算公式:

圖3 單極—偶極裝置圖

高分辨地電阻率法其實就是以某一電流電極為中心形成電位等位面。當(dāng)所測的電位發(fā)生異常,正好反應(yīng)地下等位面所構(gòu)成的薄殼層里的異常。但是,單憑一個供電點所測的異常還不能確定異常的位置,必須依靠更多的信息。這就需要設(shè)計空間探測,由不同的電流電極供電,在相應(yīng)的電位電極觀測到異常,這樣就可按圖解法確定異常的位置和大小,同時也實現(xiàn)了多次覆蓋測量(圖4)。

圖4 高分辨地電阻率法數(shù)據(jù)解析原理圖

根據(jù)等位殼層反映異常的原則,以電流電極為圓心,以發(fā)生電位異常的電位電極到電流電極的距離為半徑畫弧,它們在地下的交會影像就是所探測的異常。

1.3 現(xiàn)場布置施工與數(shù)據(jù)采集

1.3.1 現(xiàn)場布置

根據(jù)探測研究內(nèi)容要求和實際巷道情況,在回風(fēng)巷距f8點前16m位置3#鉆機窩中布置2個監(jiān)測鉆孔,鉆孔位置示意圖見圖5和圖6,鉆孔參數(shù)如表1。

1#探測孔為仰孔,觀測煤層開采對覆巖破壞的影響,根據(jù)鉆孔測斜資料,鉆孔仰角約為35°。根據(jù)打鉆情況和鉆孔柱狀圖,所做各電極布置及地質(zhì)剖面見圖6。監(jiān)測孔中套管外電極為1#至44#電極。

2#探測孔為俯孔,俯角20°,水平方位角與1#孔一致。用于觀測煤層底破壞深度。根據(jù)打鉆情況和鉆孔柱狀圖,所做各電極布置和地質(zhì)剖面圖見圖5和6。監(jiān)測孔中套管外電極為45#至64#電極,電極間距4m。

1.3.2 數(shù)據(jù)采集

1#孔于2008年2月27～28日安裝,2#孔于2008年3月3～4日安裝?？卓谖挥?#鉆機窩中,2孔孔口位于1 #孔口正下方,1#孔口3煤頂板約1.0m。由于基巖面高度比預(yù)計高度明顯偏小,1#孔實際深度約80m,76m處已達基巖面,孔內(nèi)電纜安裝總長為77.5m,比原設(shè)計鉆孔孔深110m減小較多。鉆孔傾角實際為35°。2#孔實際鉆進深度80m,孔內(nèi)電纜安裝80m。儀器監(jiān)控站位于鉆孔后70m處4#鉆窩位置。

圖5 探測鉆孔布置平面圖

表1 現(xiàn)場監(jiān)測鉆孔參數(shù)表

圖6 監(jiān)測孔地質(zhì)剖面和電極布置圖

數(shù)據(jù)采集采用現(xiàn)場采集方法。工作面于2008年4月2日開始進行第一次數(shù)據(jù)采集,于5月26日工作面回采至監(jiān)測鉆孔孔口位置后采集最后一次數(shù)據(jù),共采集33天數(shù)據(jù)。平均每天采集數(shù)據(jù)2組以上,以驗證數(shù)據(jù)采集有效性。

對于采集的數(shù)據(jù)首先用儀器配套軟件系統(tǒng)進行解編,再用網(wǎng)絡(luò)并行電法處理系統(tǒng)進行視電阻率反演。由于煤層高阻值屏蔽影響,電流場在煤層頂?shù)装鍍蓚?cè)變化大,在利用雙孔電位進行全空間電阻率反演結(jié)果效果不太靈敏,不能準(zhǔn)確反映采煤過程對“三帶”的動態(tài)變化規(guī)律。因此,采用常規(guī)高密度溫納三極電阻率法對1#孔、2#孔分別處理,反映煤層開采頂?shù)装鍘r層破壞情況。由于不同電極接觸不同巖性具有一定的耦合差,并且不同巖層電阻率值有所差異,但由于采用監(jiān)測手段,因此,可采用視電阻率值的相對變化量來反映巖層破壞情況。以電極耦合穩(wěn)定后的背景視電阻率值為參照,將不同時間測視的視電阻率值與背景視電阻率相比求取比值,來反映煤層開采對頂?shù)装鍘r層破壞的動態(tài)變化情況。

對于反演結(jié)果采用Surfer軟件成圖,再利用Illustrator軟件對視電阻率圖進行地質(zhì)剖面圖的疊加,以進一步解釋。

2 結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)并行電法技術(shù)采用并行電法采集數(shù)據(jù),一次布置測線電極,任一對電極供電,可同時測量所有電極電位,極大地降低了干擾電流影響,提高了信噪比。具有連續(xù)實時動態(tài)監(jiān)測,成像結(jié)果對“三帶”變化反映明顯,可獲得“三帶”發(fā)育與采煤過程的動態(tài)變化關(guān)系,探測費用低等優(yōu)點。

[1] 柴登榜.礦井地質(zhì)工作手冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1986.

[2] 張景海.煤礦安全手冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版社, 1992.

責(zé)任編輯:訾興建

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劉湘(19762),女,安徽蕭縣人,安徽省淮北礦業(yè)集團有限公司祁南煤礦地測科助理工程師。