徐旭東，南瑩浩，邵小朋

(華北科技學院 安全工程學院,北京 東燕郊 065201)

許廠煤礦3336工作面煤層開采覆巖破壞并行電法監(jiān)測研究

徐旭東，南瑩浩，邵小朋

(華北科技學院 安全工程學院,北京 東燕郊 065201)

在許廠煤礦3336工作面推進綜放開采期間，由于覆巖破壞過程是隨著采掘工作的推進而動態(tài)發(fā)育的,為保證工作面的安全開采，利用直流電并行電法對斷層活化導水情況進行動態(tài)監(jiān)測，通過并行電法CT成像監(jiān)測技術進行實時監(jiān)測覆巖破壞規(guī)律，隨著工作面的不斷推進，監(jiān)測區(qū)內的巖體變形破壞階段性明顯，分析得出不同時期該煤層開采破壞后導水裂縫帶高度范圍為40.7～43.8 m。

許廠煤礦；覆巖破壞；并行電法；斷層活化；動態(tài)監(jiān)測；導水裂隙帶

0 引言

目前我國對于斷層活化導水機理的研究僅僅停留在底板充水條件開采斷層活化充水的案例上。對工作面頂板充水條件下開采，分布在工作面頂板斷層條件下“兩帶”發(fā)育高度和特征也未進行過系統的研究，對沒能將煤層頂板巖性組合、工作面推進方向、地應力、含水體性質等因素有機結合起來，無法對其他工作面生產安全性作出評價，不能滿足下一步安全生產的需要。

1 井田概況

許廠煤礦位于濟寧城區(qū)東北部，井田面積56.587 km2。濟寧煤田許廠煤礦地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)—魯西地層分區(qū)，區(qū)域上主要發(fā)育早古生代、中生代、新生代地層，含煤巖系為古生代石炭—二疊紀月門溝群山西組、太原組。井田內地層自下而上依次發(fā)育奧陶紀馬家溝群，石炭—二疊紀月門溝群本溪組、太原組和山西組，二疊紀石盒子群，侏羅紀淄博群三臺組及第四系。研究區(qū)3336工作面位于330東翼采區(qū)，所采煤層為3下煤，影響掘進的含水層主要為3下煤層頂板砂巖含水層、第四系孔隙含水層，煤層頂底板巖性以粉細砂巖和粉砂巖為主。

2 斷層活化

斷層兩盤的相對位移即斷層活化，由于在采動影響下斷層活化而與含水層或水體溝通，導致斷層導水事故的發(fā)生。然而，斷層對于煤礦突水的影響確不僅限于斷層本身因活化而具備的導水特性，斷層對頂板巖層穩(wěn)定性的影響也可能引發(fā)導水。工作面前方斷層活化，改變了采場應力場和巖體運動規(guī)律，使得煤巖體結構發(fā)生破壞，其相應的視電阻率也發(fā)生改變。伴隨著采掘工作的推進，斷層活化將是一個動態(tài)發(fā)育的過程。

3 斷層活化電法監(jiān)測

3.1 觀測系統的布置

動態(tài)監(jiān)測技術與監(jiān)測技術最大的不同之處是可以全程把握采動前、中、后期的斷層活化規(guī)律。因此，需要較早的布置觀測系統，觀測的周期也相對較長。以底板鉆孔作為井下觀測系統的基礎，將井下鉆孔設計為俯孔，布置在回風順槽底板中。在工作面推進方向上布置鉆孔位置，鉆孔方位斜指向工作面內，鉆孔傾角40°～15°，水平方位角0°～90°?？咨畹脑O計可根據本礦區(qū)斷層位置進行，以控制斷層破壞區(qū)為宜(圖1)。

圖1 覆巖破壞電阻率法動態(tài)監(jiān)測觀測系統示意圖

在鉆孔施工完成后，進入采集系統布置，采集系統分為電極、電纜、電法儀主機、電源，通訊系統裝置。電極數和極距根據探測的深度和精度要求進行適當調整，所選用的電極和電纜通過模具形成一體，最后將電纜和電極埋入至鉆孔中并以水泥漿耦合。

3.2 底板監(jiān)測孔布置與施工

根據探測研究內容要求和實際巷道情況，在3336工作面軌道順槽距74點27 m處布置1#裂高探測孔。鉆孔位置示意圖見圖2所示。受現場鉆孔施工條件限制，實際技術參數見表1。

表1 現場監(jiān)測鉆孔參數表

作為仰角孔的1#探測孔，其實際的仰角值為61°，與巷道之間呈9°的夾角，方位角為36°，鉆孔地質剖面圖如圖3所示。根據鉆探的資料，合理安排并布置孔中各個電極，擬在鉆孔中布置64個電極，將1.8 m布置作為電極間距，64號電極在上方，1號電極在下方，距孔口0.8 m，由于現場施工環(huán)境困難導致，鉆孔中實際布置電極數為39個。將3下煤和鉆孔所構成的三角形區(qū)域作為監(jiān)測控制區(qū)域，將平距延煤層走向的距離控制為31 m，垂高控制為60 m。

圖2 2#斷層監(jiān)測鉆孔布置平面圖

圖3 1#探測孔地質剖面圖

3.3 現場數據采集

2014年6月9日安裝完成了3336工作面1號測試系統，2016年7月14日第一次進行孔中電法數據采集，截止2016年8月28日工作面回采至孔口最后一次采集，表2為1號裂高探測鉆孔的回采退尺與測試時間的統計，目的是通過與回采進度數據相結合，可進一步分析采動超前壓力等基本特征?，F場每天實際采集數據在3組，其中AM數據2組，ABM數據一組，目的是加強對數據采集有效性的驗證。

表2 1號監(jiān)測孔電法數據采集情況表

續(xù)表

說明：表中負數表示超過相對位置點。

3.4 數據處理

由于現場數據的采集較多，本次處理主要提取常規(guī)高密度溫納三極視電阻率剖面。對比每天的監(jiān)測圖像，即所形成的剖面，使用統一色標在各圖中，低電阻率值表現為藍色基調，高電阻率值表現為紅色基調，從而分析并解釋頂板巖層破壞與變形的規(guī)律。

3.5 視電阻率剖面分析

3.5.1 巖層電阻率背景值分析

圖4為2016年7月14日孔中視電阻率剖面，孔口距離工作面回采的位置為95.5 m，監(jiān)測孔下方電阻率由冷色至暖色調分布，分別代表0～2000 Ω·m，由于孔口與回采工作面距離較遠[1]，因采動因素，監(jiān)測區(qū)域內也尚未受到上覆巖層的影響，故以背景值對此次視電阻率剖面進行分析。背景電阻率分布中其值基本在10～400 Ω·m范圍，相對而言，這種電阻率差異較大，結合綜合柱狀分析為巖層裂隙發(fā)育、含水性不均一所致，因此，局部巖層電阻率的高低變化反映出巖性變化或巖體完整性的不同，在本次監(jiān)測中，可視為正常巖層電性特征反映，該值為后續(xù)探測剖面對比提供基礎。

圖5剖面為2016年07月26日孔中視電阻率監(jiān)測圖，此時孔口距離工作面回采位置為80.3 m，回采位置尚未進入監(jiān)測區(qū)。相比背景電阻率剖面，本日剖面發(fā)生略微變化，在剖面頂部30 m范圍內高低阻區(qū)域有一定變動。

3.5.2 巖層變形破壞分析

圖6剖面為2016年7月28日孔中視電阻監(jiān)測圖，該日孔口距離回采工作面位置為72 m，回采位置已接近監(jiān)測區(qū)[2]。剖面中顯示，阻值明顯升高的區(qū)域在已回采的工作面左上方頂板15～50 m 段，且分布的區(qū)域較大，其局部電阻率值達150～1200 Ω·m，與背景電阻率值相比，是背景值的3～5倍以上，分析為煤層采動引起的超前應力集中所致，反映出采動對頂板的擾動具有超前性，頂板超前壓力以及頂板水文地質條件的改變直接導致了視電阻率的變化。

圖4 3336工作面1號裂高孔7月14日視電阻率觀測結果剖面圖

圖5 3336工作面1號裂高孔7月26日視電阻率觀測結果剖面圖

圖6 3336工作面1號裂高孔7月28日視電阻率觀測結果剖面圖

圖7 3336工作面1號裂高孔7月30日視電阻率觀測結果剖面圖

圖8 3336工作面1號裂高孔8月1日視電阻率觀測結果剖面圖

圖9 3336工作面1號裂高孔8月3日視電阻率觀測結果剖面圖

圖10 3336工作面1號裂高孔8月5日視電阻率觀測結果剖面圖

圖11 3336工作面1號裂高孔8月14日視電阻率觀測結果剖面圖

圖12 3336工作面1號裂高孔8月18日視電阻率觀測結果剖面圖

圖13 3336工作面1號裂高孔8月24日視電阻率觀測結果剖面圖

圖7剖面為2016年7月30日孔中視電阻監(jiān)測圖，孔口距離回采工作面的位置為64.5 m?；夭晌恢靡颜竭M入監(jiān)測區(qū)。剖面中在已回采的工作面左上方頂板15～50 m段阻值明顯升高，由于該時間段內，回采煤層傾角具有一定的變化[3]，采動引起的巖層變形與破壞特征相對復雜[4]，但相比圖6而言，仍可看出，工作面左上方頂板40～50 m段高阻變化區(qū)因超前應力作用隨著工作面退尺不斷向前推進；在工作面左前方頂板10～30 m段巖層視電阻率值進一步變大，且1000 Ω·m以上高阻區(qū)有擴大趨勢，由于煤層的采動對頂板巖層有影響，在視電阻率變化特征上有反映。將背景的視電阻率值與之比較分析，工作面回采位置正上方巖層的視電阻率特征未發(fā)生明顯的變化，說明由煤層采空導致的上覆巖層直接變形與破壞表現相對滯后，因此，依據本日視電阻率分布特征不能有效判定導水裂隙帶高度。

圖8剖面為2016年8月1日孔中視電阻監(jiān)測圖，當天孔口距離回采工作面的位置為57.5 m，監(jiān)測區(qū)內包括回采位置。與圖7相比，本日監(jiān)測剖面中高阻區(qū)發(fā)生了明顯的變化，受超前應力作用的原頂板40～50 m段高阻區(qū)消失，且頂板10～30 m段高阻區(qū)視電阻率值有明顯的減小，說明隨工作面回采推進，超前應力的變化導致了視電阻率的分布特征發(fā)生了改變[5]。但在回采工作面位置正上方附近，巖層的視電阻率值明顯上升，為200～600 Ω·m，相比背景電阻率值平均增大了3～5倍，反映了該區(qū)巖層正發(fā)生明顯的形變與破壞。結合背景視電阻率圖分析，可判斷導水裂隙頂界面的高度為43.2 m。

圖9～11分別為2016年8月3日、5日和14日孔中視電阻率監(jiān)測剖面，距離孔口位置分別為51.1 m、46.8 m和39.1 m。由于回采時間和工作面位置跨度不大，因此視電阻率剖面總體相對穩(wěn)定，局部低阻為巖層正常電阻率反應。工作面推進的過程中，3個監(jiān)測剖面中視電阻率的分布特征的改變均較為明顯，如頂板巖層中高阻區(qū)視電阻率值增大，尤其是工作面回采位置上方高阻區(qū)視電阻率值變化明顯，反映了巖層發(fā)生變形與破壞[6]。同時，從這三個剖面對比來看，煤層采動引起了視電阻率的分布特征不同，局部電阻率值出現時高時低的現象，處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，且其變化也相對不均勻，表明巖層受應用場作用下其結構在遭受破壞的同時，也導致其它地質條件的變化如水文條件，這些變化因素疊合在一起，形成視電阻率綜合變化效果?？赏茢嗥鋵严俄斀缑娓叨戎禐?0.7 m。

圖12剖面為2016年8月18日孔中視電阻監(jiān)測圖，孔口距離回采工作面位置為29.1 m。回采位置位于監(jiān)測區(qū)內?？梢姡鄬?月14日剖面，本日剖面中煤層頂板以上巖層視電阻率值明顯增大，尤其是水平距離為30～60m段頂板巖層總體由原來的局部高阻變?yōu)榭傮w呈現出高阻，且局部視電阻率值高達1000～2000 Ω·m，為背景電阻率的10倍以上，反映該部分巖層受煤層開采影響產生了明顯的擾動而發(fā)生了破壞。與背景視電阻率值對比[7]，利用本日視電阻率高低分布特征，推斷導水裂隙帶發(fā)育頂界面高度推斷為43.8 m。

圖13剖面為2016年8月24日孔中視電阻監(jiān)測圖，孔口距離回采工作面位置為13.1 m?；夭晌恢梦挥诒O(jiān)測區(qū)內且靠近孔口。從回采退遲位置來看，監(jiān)測段的回采工作已基本完成，老空區(qū)上方分布著絕大部分頂板巖層。此時高電阻率值主要分布在整個監(jiān)測剖面，且高阻區(qū)集中分布在剖面下部[8]。表明在老空區(qū)形成一定步距后，應力集中，且破壞較大，頂板近煤層巖體冒落，冒落帶發(fā)育較充分，頂部巖體位移量較大，裂隙區(qū)發(fā)育增大。分析得出導水裂縫帶頂界面高度為41.8 m。

3.5.3 導水裂隙帶高度確定

綜合以上分析，煤層在采動地過程中，頂板煤巖體結構破壞后其視電阻率值不斷升高，高阻區(qū)隨著工作面退尺向孔口推進也逐漸向孔口移動。周期應力對工作面正上方及前方作用，視電阻率時高時低由巖體的壓實和松散程度決定。在工作面回采位置的后方垮落步距內，頂板巖層的垮落具有的滯后性，表現回采通過時，工作面后方視電阻率值并不立即轉變?yōu)楦咦?，而具有一定滯后和周期性?/p>

結合區(qū)域地質條件以及覆巖破壞電阻率的特征,分析得出煤層開采破壞后不同時期的導水裂隙帶高度范圍為40.7～43.8 m。該段巖層電阻率值不均勻變化，部分區(qū)域達到幾千Ω·m以上，且上下存在明顯的溝通特征，為破壞導通區(qū)。部分區(qū)域巖層的電阻率值小于600 Ω·m，其電阻率值增加較明顯但并未破壞；頂板巖層43.8 m以上段巖層電阻率值相對穩(wěn)定，未見普遍的升降變化，表現為彎曲下沉帶特征。參考3336工作面回采實測剖面的采高平均約為3.05 m，可對1號監(jiān)測孔區(qū)域內3336工作面軌道順槽進行計算得出其裂采比范圍為13.34～14.36。

3.6 1號裂高孔覆巖破壞規(guī)律結論

(1) 通過視電阻率剖面連續(xù)對比分析，隨著工作面的不斷推進監(jiān)測區(qū)內的巖體變形破壞階段性明顯，可分為4個階段：

階段Ⅰ(回采位置距孔口95.5 m推進至距孔口80.3 m)，該期間回采位置未進入監(jiān)測區(qū)，覆巖變形破壞不明顯整體處于穩(wěn)定隊段；

階段Ⅱ(回采位置距孔口80.3 m推進至距孔口39.1 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39.1 m推進至距孔口29.1 m)，本階段為巖體破壞階段，監(jiān)測區(qū)內的巖體發(fā)生了較大變形和位移，破壞了巖體的結構，并產生了大范圍的裂隙區(qū)；

階段Ⅳ(回采位置推進至距孔口13.1 m以后)，本階段巖體大部分位于工作面老空區(qū)上方，應力集中區(qū)對巖體破壞作用最強，變形破壞作用繼續(xù)增強，裂縫帶進一步發(fā)育，底部巖體失穩(wěn)垮落。

(2) 根據監(jiān)測區(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監(jiān)測視電率剖面表現一定規(guī)律，煤層頂板煤巖體結構受到應力后破壞，其視電阻率值不斷升高，并且隨著工作面向孔口推進，高阻區(qū)也逐漸向孔口移動。由于周期應力對工作面正上方及前方的作用，使巖體松散或壓實時，導致視電阻率時高時低[9]。在工作面回采位置的后方冒落步距內，頂板巖體冒落反應滯后，表現為工作面后方視電阻率在回采通過時并不立即轉變?yōu)楦唠娮杪手刀蔷哂幸欢ǖ闹芷诤蜏笮浴?/p>

導水裂隙帶高度：根據區(qū)域基本地質條件，分析得出不同時期該煤層開采破壞后導水裂縫帶高度范圍為40.7～43.8 m。頂板巖層43.8 m以上段巖層電阻率值較穩(wěn)定，未見普遍的變化，表現為彎曲下沉帶的特征[10]。

參考6～7月份工作面回采剖面實測的采高平均為3.05 m，計算得出在1號監(jiān)測孔區(qū)域內3336工作面軌道順槽的裂采比范圍為13.34～14.36。

[1] 張朋,王一,劉盛東,等.工作面底板變形與破壞電阻率特征[J]. 煤田地質與勘探, 2011(01): 34-36.

[2] 吳榮新,劉盛東,周官群. 高分辨地電阻率法探測煤礦地質異常體[J]. 煤炭科學技術, 2007(07) :66-68.

[3] 張平松,劉盛東,舒玉峰. 煤層開采覆巖破壞發(fā)育規(guī)律動態(tài)測試分析[J]. 煤炭學報,2011(02) :17-19.

[4] 尹增德. 采動覆巖破壞特征及其應用研究[D].山東科技大學, 2007:24-27.

[5] 李建樓,劉盛東,張平松,等. 并行網絡電法在煤層覆巖破壞監(jiān)測中的應用[J]. 煤田地質與勘探,2008(02):23-26.

[6] 王勃,劉盛東,張朋. 采用網絡并行電法儀進行煤礦底板動態(tài)監(jiān)測[J]. 中國煤炭地質, 2009(03) :51-53.

[7] 李瑞霞. 頂板動態(tài)監(jiān)測系統在一礦的應用[J]. 機械管理開發(fā)，2016(09):78-80.

[8] 高衛(wèi)富,施龍青,翟培合,等. 電阻率動態(tài)監(jiān)測技術在礦井中的應用研究[J]. 煤炭技術, 2015(05):31-33.

[9] 董春勇. 網絡并行電法在覆巖破壞動態(tài)監(jiān)測中的應用[D]. 安徽理工大學, 2009:38-41.

[10] 張衛(wèi),于仲. 導水裂隙帶高度探測方法概論[J].煤炭技術, 2011(08):91-94.

StudyontheparallelelectricalmonitoringofoverlyingrockfailureincoalseammininginNo.3336workingfaceofXuchangCoalMine

XU Xu-dong , NAN Ying-hao , SHAO Xiao-peng

(SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

During the fully mechanized caving mining in No.3336 working face of Xuchang Coal Mine, due to the destruction of overburden develops along with the mining, in order to ensure the safety mining of the working face, DC parallel electrical method is used to dynamically monitor the water conductivity of fault activation, the overburden failure rule is monitored in real time by parallel electrical CT imaging monitoring technology. With the working face advancing, the destruction of rock mass in the monitoring area is obvious, the analysis shows that after the destruction of coal seam mining in different periods, the height of water conducting fractured zone ranges from 40.7 to 43.8m.

Xuchang Coal Mine; overburden failure; parallel method; fault activation; dynamic monitoring; water conducting fractured zone

2017-10-05

中央高校基本科研業(yè)務費資助(3142017036)

徐旭東(1993-)，男，江蘇南京人，大學畢業(yè)，華北科技學院在讀碩士研究生，研究方向:礦井水害防治。E-mail：1256057641@qq.com

TD821

A

1672-7169(2017)05-0021-09