基于网络并行电法的顶板“三带”发育研究*

徐 磊，李希建,田 波，游先中

(1.贵州大学矿业学院， 贵州 贵阳 550025； 2.复杂地质矿山开采安全技术工程中心， 贵州 贵阳550025； 3.贵州大学 瓦斯灾害防治与煤层气开发研究所， 贵州 贵阳 550025；4.贵州五轮山煤业有限公司， 贵州 纳雍县 553309)

基于网络并行电法的顶板“三带”发育研究*

徐 磊1,2,3，李希建1,2,3,田 波4，游先中4

(1.贵州大学矿业学院， 贵州 贵阳 550025； 2.复杂地质矿山开采安全技术工程中心， 贵州 贵阳550025； 3.贵州大学 瓦斯灾害防治与煤层气开发研究所， 贵州 贵阳 550025；4.贵州五轮山煤业有限公司， 贵州 纳雍县 553309)

为认识近距离煤层群首采层开采后的顶板“三带”发育规律，以贵州五轮山煤业有限公司五轮山煤矿1805工作面为研究区域，利用网络并行电法对1805工作面8煤顶板“三带”演化过程进行动态监测分析，获得了8煤顶板上覆岩层变形与破坏发育规律。结果表明：1805运输巷距离底板垂高32.1～35.8 m为裂隙带，裂隙带最大发育高度为35.8 m；7.1～ 8.7 m范围里为冒落带，顶板岩层35.8 m以上岩层电阻率值稳定，为弯曲下沉带。研究对象在贵州省乃至西南地区具有代表性，研究结论可指导类似条件矿井的“三带”管理。

网络并行电法；电阻率；裂隙带；冒落带；弯曲下沉带

0 引 言

近距离煤层群开采后，其顶板上覆岩层会变形与破坏[1￣2]，形成“三带”(垮落带、导水裂隙带和整体弯曲带)，顶板裂隙水与邻近煤层瓦斯的涌入严重影响工作面回采工作，因此需要针对顶板的覆岩破坏情况进行观测[3￣7]，划分顶板“三带”，为矿井防治水及瓦斯治理工作提供参考数据。本文以贵州省五轮山煤业1805回采工作面作为研究对象，利用网络并行电法对1805工作面顶板“三带”进行研究，观察裂隙带的发育程度及对“三带”(即冒落带、裂隙带、弯曲下沉带)高度进行划分[8￣10]，获得1805工作面顶板上覆岩层变形与破坏发育规律，为其安全回采提供技术支撑，也为类似开采条件的煤矿提供指导。

1 钻孔布置及数据采集

1.1 现场观测钻孔布置

根据实际情况，选择1805运输顺槽作为施工巷道，煤层平均厚度为1.8 m，冒落岩石碎胀系数取1.2，平均煤层倾角为10°，顶板岩石普氏硬度6～8，属中硬岩层，根据公式计算出冒落带高度最大值为9.13 m，根据公式计算出裂隙带最大高度为36.8 m。观测钻孔开孔位置选择在1#钻场顶板，开孔高度为2.4 m，所以冒落带设计终孔高度距煤层顶板7 m，裂隙带设计终孔高度距煤层顶板35 m，从1#钻场向1805采空区方向施工2个观测孔，各观测孔的方位与倾角见钻孔参数见表1，钻孔布置见图1。

图1 监测钻孔位置分布

1号探测孔用于检测顶板导水裂隙带发育过程，布置64个间距为1.0 m的电极，由上至下分别标号为1～64，实际控制范围沿巷道方向平距为16.5 m，控制垂高为58 m。2号钻孔布置电极数32个，电极间距1.0 m，1号电极在终孔位置，32号电极位于开孔端，距离孔口3.5 m，主要用于观测煤层顶板垮落带高度，其控制范围沿巷道方向平距为14.3 m，控制垂高19.5 m。

1.2 数据采集

1805工作面1号和2号孔测试系统于2016年12月28日安装完毕，2016年12月28日第一次进行孔中电法数据采集，截止2017年1月6日,工作面回采过孔口6.3 m完成最后一次采集。

2 视电阻率剖面分析

顶板岩层受采动影响后，岩层结构发生相应的变化，引起岩层电阻率值发生变化，不同日期的电阻率测试结果对比可以看出其相对变化的过程。根据探测剖面的电阻率分布特征对8煤顶板岩层变形与破坏规律进行分析，以及判定垮落带、裂隙带发育高度值。

2.1 岩层电阻率背景值分析

图2为2016年12月28日孔中视电阻率剖面，工作面回采位置距孔口10 m，监测孔下方电阻率由冷色至暖色调分布，分别代表0～1000Ω·m，此时工作面回采位置距离监测位置最远，顶板岩层受采动影响较弱，将此次视电阻率剖面作为背景值进行分析。

图3所示剖面中6-3煤以下15 m范围内高低阻区域有一定变动，说明煤层采动引起的视电阻率响应正逐渐显现，这也反映出该层位附近受到采动影响，岩层发育裂隙。

2.2 岩层变形破坏分析

从图4、图5电阻率剖面中可见，在已回采的工作面顶板上方15～35 m段阻值明显升高，分析为煤层采动过后周期应力集中所致，推断高电阻率值区域岩层裂隙发育明显，岩层结构受到破坏。判定8煤顶板导水裂隙带高度为33.6 m。与此同时，在靠近8煤层附近，由于工作面回采位置逐渐接近测试钻孔，孔口附近安装的电法传感器逐渐对煤层采动引起的直接顶板岩层应力集中响应敏感，靠近孔口附近区域，岩层电阻率明显升高，为煤层采动引起，初步判定垮落带高度为7.1 m。

图2 裂高孔电阻率观测剖面(2016年12月28日)

图3 裂高孔电阻率观测剖面(2016年12月29日)

图4 裂高孔电阻率观测剖面(2016年12月30日)

图6剖面中在已回采的工作面左上方顶板15～35 m段阻值明显升高显著，相比背景电阻率值，在6-4煤层与6-3煤层之间，本日电阻率剖面中岩层电阻率值升高显著，已达到1000Ω·m以上。说明该部位岩层受采动影响，已经逐步发生离层，裂隙发育进一步扩大，判定8煤顶板导水裂隙带高度为32.1 m。孔口附近8煤层直接顶板电阻率值进一步升高，达到背景电阻率值的5～7倍，反映岩层应力进一步集中，裂隙发育范围逐渐扩大，判定垮落带高度为7.5 m。

图7、图8监测剖面中高阻区发生了明显的变化，相对背景电阻率值，本次监测剖面中几个关键区域电阻率值升高10倍以上，达到1000Ω·m以上，结合该两日煤层回采位置分析，认为煤层采动引起的岩层变形与破坏基本已充分显现，从与前几天的连续监测结果对比而言，本次剖面中裂隙带高度和垮落带高度都有一定的上升，高电阻率区域范围进一步扩大，反映岩层裂隙发育明显。判定导水裂隙带发育高度为35.4 m，垮落带高度为7.9 m。

图9、图10监测区内岩层变形与破坏由高强度活动逐渐向稳定变化，期间电阻率数据因采动应力及岩性等多因素影响呈现出复杂的变化现象，可视为一种正常的岩层活动过程。监测段已回采完毕，绝大部分顶板岩层位于老空区上方。从监测剖面可知，此时主要为高电阻率值分布，高阻区集中于剖面下部，应力集中破坏程度高，垮落带发育较充分，上部岩体位移量较大，裂隙区进一步发育。对比分析判定导水裂缝带顶界面高度为35.8 m，垮落带顶界面高度为8.7 m。

根据覆岩破坏电阻率值典型特征，结合区域基本地质条件，分析认为不同时期该煤层开采破坏后：

(1) 垮落带高度范围为7.1 ～ 8.7 m。该段岩层电阻率值变化不均匀，总体达到1000Ω·m以上，为破坏区。

(2) 裂隙带高度范围为32.1 ～ 35.8 m。电阻率值并没有呈现均匀变化，上下沟通特征明显，为破坏导通区。

(3) 顶板岩层35.8 m以上岩层电阻率值稳定，为弯曲下沉带。

图6 裂高孔电阻率观测剖面(2017年01月01日)

图7 裂高孔电阻率观测剖面(2017年01月02日)

图8 裂高孔电阻率观测剖面(2017年01月03日)

图9 裂高孔电阻率观测剖面(2017年01月04日)

图10 裂高孔电阻率观测剖面(2017年01月05日)

3 覆岩破坏过程

通过视电阻率剖面连续对比分析，随着工作面的不断推进，监测区内的岩体变形破坏阶段明显可分为4个阶段：

阶段Ⅰ(回采位置距孔口10 m以前)，该期间回采位置处于监测区，覆岩变形破坏不明显，整体处于相对稳定阶段；

阶段Ⅱ(回采位置距孔口10 m推进至距孔口3 m)为覆岩弯曲变形及离层阶段，变形主要发生在软岩层或原生裂隙较发育的砂岩层；

阶段Ⅲ(面回采位置从距孔口3 m推进至距孔口0 m)，本阶段为岩体破坏阶段，监测区内的岩体发生了较大变形和位移，破坏了岩体的结构，并产生了大范围的裂隙区，局部区域岩体开始垮落；

阶段Ⅳ(回采位置通过孔口-1 m以后)，本阶段岩体大部分位于工作面老空区上方，应力集中区对岩体破坏作用最强，变形破坏作用继续增强，裂缝带进一步发育，底部岩体失稳垮落。

4 结 论

根据监测区视电阻率的连续变化分析，随着工作面回采的不断推进，监测视电率剖面表现出一定规律，视电阻率的变化动态反映了煤层顶板煤岩体结构受到集中应力破坏的情况，表现为视电阻率持续升高，随着工作面推进，高阻区逐渐向孔口移动。视电阻率时高时低为工作面正上方及前方受周期应力作用，岩体压实或松散时的表现。在工作面回采位置的后方冒落步距内，顶板岩体冒落具有一定滞后效应，表现在工作面后方视电阻率在回采通过时并不立即转变为高电阻率值而是具有一定滞后性及周期性。

(1) 垮落带高度：范围为7.1～8.7 m，参考计算得出监测孔范围内1805工作面运输顺槽的裂采比范围为4.6～5.6。

(2) 导水裂缝带高度：范围为32.1～35.8 m。计算得出监测孔范围内1805工作面运输顺槽的裂采比范围为20.7～23.1。

(3) 顶板岩层35.8 m以上段岩层电阻率值未见普遍上升或下降，为弯曲下沉带。

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贵州省重大应用基础研究项目(黔科合JZ字[2014]2005)；贵州省教育厅项目(黔教合KY字(2013)112).

徐 磊(1991-),男,贵州黔西南人,硕士，主要从事煤矿安全方面研究，Email：306246800@qq.com。