电法测试技术在覆岩破坏监测中应用∗

高召宁郑志伟应治中

(1.安徽理工大学能源与安全学院,安徽省淮南市,232001; 2.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,安徽省淮南市,232001)

★煤炭科技·地质与勘探★

电法测试技术在覆岩破坏监测中应用∗

高召宁1,2郑志伟1应治中1

(1.安徽理工大学能源与安全学院,安徽省淮南市,232001; 2.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,安徽省淮南市,232001)

介绍了电法测试技术在覆岩破坏监测中的应用。从煤层开采引起的覆岩破坏的一般规律出发,分析了覆岩破坏与其电阻率和供电电流之间的关系,设计了现场探测覆岩破坏的方案,并进行了煤层开采覆岩裂隙演化规律和覆岩破坏范围的动态探测。通过对采动过程中覆岩视电阻率和电极供电电流的综合分析,得出1116(1)工作面开采后采空区上方0～13 m为垮落带,13～43.5 m为裂隙带。研究成果为煤矿安全生产提供了直观有效的技术参数。

煤层开采 电法测试技术 覆岩破坏 视电阻率 供电电流 动态监测

1 试验工作面概况

顾桥矿1116(1)工作面位于北一上山采区中下部,周围1117(1)、1115(1)和1117(3)工作面已回采完毕,1115(3)工作面正在回采。1116(1)工作面上平巷标高为－398～－394 m,下平巷标高为－416～－406 m。工作面倾斜长217.6 m,走向平均长2687.9 m。1116(1)工作面开采11－2煤层,煤层结构复杂,含1～2层夹矸,夹矸厚度平均在0.3 m左右。煤层厚度沿走向在1.0～3.4 m之间变化,平均厚度2.6 m,倾角3°～10°。1116(1)工作面煤层上方存在一层炭质泥岩伪顶,厚度0～0.3 m;直接顶为0～4.5厚的泥岩、11－3煤线、砂质泥岩和粉砂岩;老顶厚度16.9～24.0 m,为中细砂岩。工作面采用走向长壁综合机械化采煤法,全部垮落法管理顶板。

根据布置在1116(1)工作面回风平巷中的两个监测钻孔揭露的岩层柱状以及岩石的物理力学试验得出,1116(1)工作面上覆岩层中砂岩占39.93%,粉砂岩占36.41%,砂质泥岩占20.93%,鲕状泥岩占0.69%,粘土岩占8.9%,单轴抗压强度大于40 MPa的岩层占总厚度的61%以上,单轴抗拉强度为2.99～6.006 MPa,岩层的内摩擦角为42.8°～58.7°。总体来看,11－2煤层顶板岩层属于中硬—硬岩类型。

2 电法测试原理及覆岩破坏特征的解释依据

2.1 探测方法技术原理

对1116(1)综采工作面上覆岩层因采动引起的变形和破坏的探测采用的是并行电法测试技术。数据采集仪器为并行电法仪,其特点在于任一电极供电,可在其余所有电极同时进行电位测量,可清楚地反映探测区域的自然电位、一次供电场电位的变化情况。通过单点电源场法(AM法)和异性点电源场法(ABM法)装置自动顺次切换电极,取得大量的电法数据,不仅可实现所有现行的直流高密度电法探测数据反演,而且可进行高分辨的电阻率法反演。

2.2 覆岩破坏特征的解释依据

岩体的结构特征是影响电阻率的主要因素之一,通常岩性不同则电阻率值不同,即使是同一岩层,因其结构发生变化时,电阻率值也会发生改变。对于煤层顶板来说,一般情况下,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,水充填于岩体的裂隙中使其导电性增强,相当于在岩体中存在局部低电阻体。

监测过程中由于各个电极接触不同的岩层,其岩性不同,造成各层岩层电阻率值有所差异。但是对于确定的回采工作面,其上覆岩层同一层的岩性在监测范围内变化不大,也就是说同一岩层的岩性对其电阻率的影响不明显,因此影响岩体结构特征变化的是采动对覆岩的破坏作用。当工作面开采过程中其上覆岩层在采动作用下,其受力状态发生了改变,在覆岩中出现了应力增高区、应力降低区和应力恢复区,当工作面推进时这3个区不断前移,从而使得覆岩中的裂隙产生、扩展、演化、贯通,随着3个区的变化而变化,直接作用的结果是岩体的电阻率值随着工作面推进表现出不同特征。

工作面推进中岩层的电性在纵向和横向上发生的变化,代表了覆岩破坏和裂隙发育特征。因此,通过测取覆岩不同高度处岩层电阻率变化来分析其变形与破坏规律,这是电法监测覆岩破坏的地质基础。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,每次测试时以采动未影响到的岩层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。另一方面岩层的弯曲、变形和破坏也会造成布置在岩体中电极的供电电流大小发生变化,综合分析岩层电阻率值和各个电极供电电流大小的变化,最终确定采动过程中导水裂隙带和垮落带的发育高度。

3 覆岩破坏高度电法测试

3.1 现场施工方案的设计

根据研究内容和巷道实际情况,在1116(1)工作面回采至回风巷1530 m处和1720 m处分别布置1＃和2＃监测孔,其方向朝着工作面回采方向,钻孔布置见图1。1＃钻孔中共布置53个电极,电极间距为2 m,1＃电极在上,53＃在下,距孔口0.8 m。2＃钻孔内共布置46个电极,电极间距为2 m,46号电极距离孔口0.8 m。钻孔技术参数见表1。

3.2 探测成果分析

3.2.1 视电阻率剖面分析

以工作面1＃监测孔中为便,监测孔不同位置时采动作用下覆岩视电阻率观测剖面图见图2。

图2(a)为回采工作面距孔口194 m时上覆岩层视电阻率监测剖面图。由于工作面距监测孔较远,采动尚未对上覆岩层产生影响,故可将此时监测的结果作为后续监测结果的对比依据。此阶段回采时,上覆岩层的电阻率分布在100～800Ω·m范围内,为正常岩层电性特征的反映。

图2(b)为回采工作面距孔口72 m时视电阻率监测剖面图。此时回采已影响到监测区。与回采工作面距孔口194 m时上覆岩层视电阻率值相比,其局部电阻率值高达1000～4000Ω·m,表明顶板岩层在采动作用下发生了一定的变形和破坏,使得监测区内岩层的视电阻率升高。同时,在工作面前方约35 m内,顶板岩层电阻率值显著升高,分析认为是采动引起的超前支承压力所致。

图1 1＃和2＃监测孔剖面示意图

表1 监测孔参数表

图2(c)为回采工作面距孔口37 m时视电阻率监测剖面图。由图可见在采空区上方的顶板相比工作面正上方或前方的顶板其岩层的视电阻率显著增高,且视电阻率变化有时增高有时降低,处于一种不稳定的状态,这表明采空区上方的顶板破坏剧烈,而且破断岩块形成的结构随工作面推进存在着稳定—失稳—再稳定的变化过程中。

图2(d)为回采工作面距孔口16 m时视电阻率剖面图,此时大部分顶板岩层位于采空区上方。整个监测剖面以高电阻率值分布为主,在剖面下部高阻区表现尤为集中。

图2 工作面1＃监测孔中不同位置视电阻率观测剖面图

对比分析探测剖面的电阻率分布情况得出,随工作面的开采,在采空区上方13 m范围内岩层的电阻率值整体较高,有的甚至达到几千欧姆·米以上,超过回采工作面距孔口194 m时上覆岩层视电阻率值的10倍左右,且上下沟通特征明显,为典型的岩层破坏特征;距煤层顶板13～43.5 m段的岩层其电阻率值变化不均匀,局部达到几千欧姆·米,且上下沟通,而在有的部位岩层的电阻率值在1000Ω·m以下,其电阻率值虽较为明显增加但并未表现出破坏特征。距煤层43.5 m以上的岩层其电阻率值未见普遍的上升或下降,相对稳定。

3.2.2 供电电流分析

在监测孔内距孔口104～70 m段布置着1＃～17＃电极,随着煤层开采,此段内电极的供电电流总体上经历了由高到低再高的变化过程,供电电流在50～90 m A范围内变化。说明该段岩体整体性较好,供电情况良好,电极与所在层位的岩体耦合效果好。

距孔口68～50 m段布置的18＃～28＃电极其供电电流随煤层的开采经历了升高—降低—再升高—再降低的变化过程。说明18＃～28＃电极所在的岩层在工作面开采过程中经历了压缩阶段、断裂阶段以及断裂岩块的后运动阶段。在压缩阶段,岩体中部分裂隙闭合,各电极供电电流相应增大;当岩体进入破裂阶段,由于裂隙的产生、演化和贯通,使得岩体的电阻增大,则与岩体接触的各电极供电电流减小;当岩体破坏以后,由于断裂的岩块相互挤压形成了砌体梁结构,在工作面的推进过程中,前、后断裂岩块其回转下沉的方向相反,在回转过程中使前、后岩块在某一时刻成为一体,这时与岩层接触的电极其供电电流增大,随后随回采工作面继续推进,挤压为一体的断裂岩块又在下部分开,岩体的电阻增大,相应的电极供电电流减小。总的来看,与这一段岩层接触的电极其供电电流波动较大,但与1＃～17＃电极的供电电流相比,电流值偏小。

距孔口20～0 m段布置的43＃～53＃电极,其供电电流随回采工作面推进变化趋势一致,工作面推至距孔口47 m时,电流值从40 m A以上降至20 m A以下。随工作面继续推进,电流持续下降,到工作面推至距孔口附近时,电流发生突变,降至几个毫安,说明岩层已完全破坏,进入了冒落带,总的来看,与这一段岩层接触的电极其供电电流随回采工作面推进经历了持续降低至稳定的变化过程。

综合岩层视电阻率和电极供电电流观测结果,可以认为由于煤层开采在1116(1)工作面采空区上方0～13 m形成了垮落带,13～43.5 m左右段为裂隙带。

4 结论

(1)根据采动过程中工作面前后上覆岩层变形破坏经历支承压力压缩区、离层发育区及重新压实区这一特征,建立了回采工作面开采前、后的电观测模型,得出了1116(1)工作面在采动作用下,其垮落带高度约13 m,导水裂隙带高度为43.5 m。

(2)岩体视电阻率和电极供电电流随覆岩的破坏程度而变化,一般情况下,覆岩破坏越剧烈,岩体视电阻率越大,电极供电电流越小,反之,岩体视电阻率越小,电极供电电流越大。同时,受岩性的制约,不同层位岩性的岩层其岩体视电阻率和电极供电电流也存在明显差异。

(3)实测结果表明,根据回采过程中上覆岩层岩体视电阻率和电极供电电流的时空变化,可以较为清晰地判断出岩层结构破坏及裂隙发育,能较为准确地划定覆岩垮落带和裂隙带的范围,有利于工作面突水预防措施和瓦斯治理方案的制定。

[1] 王东伟,刘亚文,李玉辉等.高密度电法在煤矿采空区探测中的研究与应用[J].中国煤炭,2014 (6)

[2] 唐立华,潘翔,周官群等.并行电法探测技术在卧龙湖煤矿的应用[J].煤炭技术,2009(6)

[3] 张卫,吴荣新,付茂如等.三维并行电法在工作面顶板富水区探测中的应用[J].中国煤炭, 2011(6)

[4] 肖敏,陈昌彦,白朝旭等.北京地区浅层采空区高密度电法探测应用分析[J].工程地球物理学报, 2014(1)

[5] 高召宁,孟祥瑞,赵光明.煤层底板变形与破坏规律直流电阻率CT探测[J].重庆大学学报,2011 (8)

[6] 吕伟伟,李福胜,成辰欣等.浅埋深薄软基岩工作面覆岩运动规律研究[J].中国煤炭,2013(8)

[7] 刘建,李忠华.浅埋煤层覆岩移动变形规律分析[J].中国煤炭,2010(10)[8] 王连国,王占盛,黄继辉等.薄基岩厚风积沙浅埋煤层导水裂隙带高度预计[J].采矿与安全工程学报,2012(5)

[9] 汪向明.外来系地层下开采覆岩裂高发育特征研究[J].煤矿开采,2005(3)

Application of testing technology of electrical method on monitoring overburden failure

Gao Zhaoning1,2,Zheng Zhiwei1,Ying Zhizhong1
(1.College of Energy and Security,Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui 232001,China; 2.The Co-constructing MOE Key Laboratory by Province of Mining Safety and High Efficiency, Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui 232001,China)

The author introduced the application of testing technology of electrical method on monitoring overburden failure.According to the general rule of overlying rock fracture caused by coal mining,the relationship between the overlying rock fracture and its resistivity and supply current was analyzed,the scheme of on-site detection for overburden failure was designed,and the evolution law of overlying rock fracture and overlying rock destructive range were detected dynamically.Based on the comprehensive analysis of apparent resistivity and electrode supply current of overlying rock in the process of mining,the results showed that the range of 0～13 m above goaf was caving zone and the range of 13～43.5 m above was fractured zone in No.1116(1) working face.The research achievements provided intuitive and effective technical parameters for mining safety.

coal mining,testing technology of electrical method,overburden failure,apparent resistivity,supply current,dynamic monitoring

TD325 P631

A

高召宁(1971－),男,陕西蓝田人,教授,主要从事煤矿开采教学和科研工作。

(责任编辑 张毅玲)

国家自然科学基金委员会与神华集团有限公司联合资助项目(51174255),国家自然科学基金项目(51074003,51274008),中国博士后科学基金资助项目(2012T50567)