大采高综采工作面采场覆岩“两带”研究

郭雪勇

（晋城煤业集团赵庄煤业通风管理部，山西长治 046000）

大采高综采工作面采场覆岩“两带”研究

郭雪勇

（晋城煤业集团赵庄煤业通风管理部，山西长治 046000）

通过对赵庄煤业3号煤层地质研究，利用网络并行电法采集数据，电阻率法勘探，准确地划分大采高综采工作面采场覆岩“两带”。结果表明：由于断层构造对顶板岩体的破坏及工作面采动破坏的影响，垮落带高度有所增加，裂隙带高度也有增加，其中受断层影响垮落带发育高度增加较为显著。

煤层；网络并行电法；电阻率法；垮落带；裂隙带

大采高综采是我国缓倾斜厚煤层开采的发展趋势。近年来的生产实践表明，在一定条件下大采高综采能实现高产高效，但大采高综采覆岩运动引发的地表环境问题日益显现[1-5]。理论分析和实测结果表明，由于采高的扩大，垮落带和导水裂缝带发育高度都将比分层开采明显增大，传统的分层开采“两带”确定公式已经不适用当前的厚煤层开采，《三下采煤规程》中也没有收录综放、大采高综采的经验公式。已有的研究表明，采用传统的全部垮落法管理顶板，覆岩运移破断呈现“三带”形态，从下往上依次是垮落带、导水裂缝带和弯曲下沉带。其中垮落带和导水裂缝带(简称“两带”)高度是水体下安全开采、采空区瓦斯抽放设计的重要依据，是覆岩离层充填技术研究和应用的基础，是突出矿井解放层选择和开采设计的基础，是本煤层、上邻近层瓦斯抽放设计的基础，准确地划分大采高综采工作面采场覆岩“两带”具有重要的现实意义。

1 矿井概况

赵庄矿为高瓦斯矿井，一盘区煤层瓦斯含量7.08m3/t，瓦斯涌出量随着开采深度的加大而增加。一盘区1301、1302、1303、1304等工作面已经回采完毕，当前正在开采1306大采高综采工作面。赵庄矿1306工作面位于一盘区，走向长度1 962m，倾斜长度219.5m。开采山西组3号煤层，煤层厚度3.0～5.4m，平均4.48m，煤层倾角1°～8°，平均6°。工作面地面标高1012.8～1 173.8m，煤层底板标高404～516m。

在覆岩“两带”高度确定方面，采用并行电法测试技术。在大采高工作面采场矿压显现特征研究方面，采用支架压力记录仪实测支架工作阻力，分析各个循环的初撑力、加权平均阻力、循环末阻力，明确顶板周期来压步距、来压强度。通过支架运转特性实测分析，开展支架架型、顶梁结构、工作阻力的合理性评价。

2 顶板“两带”电场监测原理

在煤层开采过程中，顶板岩层应力分布状态改变，覆岩运移破断形成“垮落带”、“导水裂隙带”和“弯曲下沉带”等“三带”，其中“垮落带”和“导水裂隙带”处于岩层移动破坏区域，为本次探测的目标[6-7]。通过开采前的电法背景测试，可得到顶板未破坏时的电阻率图像；通过开采期间的连续监测，可得到顶板电阻率的连续变化图像；在工作面回采期间，继续监测一段时间，可得到其稳定后的电阻率图像。通过对比不同阶段的电阻率变化情况，总结顶板破坏规律。若破坏带内不含水，则破坏带的电阻率值会升高，升高的幅度越大，破坏越完全；若电阻率值没有明显变化区域，即为未破坏区；若破坏带内充水，该破坏带电阻率值会明显降低。

随着工作面向钻孔孔口位置的逐步推进，钻孔控制下方顶板范围将经历不受采动影响的背景电阻率值区、受采动超前影响的超前裂隙发育阶段（电阻率变化出现波动），直到煤层开采顶板破坏发育稳定，“三带”形成（由下到上，电阻率值的显著分带现象）。

3 工作面顶板“两带”电场监测情况

3.1 现场监测系统布置

测试地点选在1306工作面，1号监测钻孔孔口位置选择在13063巷10号横贯向外20m，2号监测钻孔孔口位置选择在13061巷5号横贯向外5m。在巷道内布置“两带”监测钻场，向顶板施工监测钻孔，在钻孔中埋设电极电缆形成电法监测顶板“两带”系统，电法仪安装在巷道孔口后方采集数据。钻孔布置平面图，见图1。

3.2 数据采集

本次探测使用的仪器为网络并行电法仪，该仪器的最大优势在于任一电极供电，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，采集数据效率远高于传统的高密度电法仪。网络并行电法采集电位图，见图2。通过AM法和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（如温纳二极、三极、四极等）数据反演，而且可进行高分辨地电阻率法反演。

3.3 1号孔资料分析

1）背景测试阶段。对于顶板裂高监测孔数据，采用高密度电阻率法进行反演，电极装置采用三极法。此时钻孔中监测电极安装结束，工作面距离孔口98.6m，此时探测电阻率分布为顶板岩体背景电阻率，电阻率值总体较低（＜150 Ω·m），其中泥岩段电阻率更低，仅40 Ω·m以下，而砂岩和粉砂岩段电阻率值稍高，达到50～220 Ω·m，其地层岩性变化特征较为明晰，这为后续煤层采动影响时岩层变形与破坏电阻率值对比提供了基础数据。

2）垮落带发育形成。顶板0～20m高度范围内电阻率值升高相对较快，裂隙发育过程明显，表明垮落带逐渐形成；顶板20m以上的区域，电阻率值变化相对较小，表明顶板难以随采随冒，该处岩层受工作面回采影响较小，裂隙发育相对较少。

3）导水裂缝带发育形成。根据顶板“两带”岩层视电阻率的变化特征，结合该区域的地层条件，1号钻孔监测区域内，顶板“两带”发育高度为：a.垮落带高度为16m，该段岩层电阻率值整体较高，超过背景电阻率值10倍以上，甚至达到几千欧姆·米以上，为典型的岩层破坏特征；b.导水裂缝带高度为58m，该段岩层电阻率值变化不均匀，局部达到几千欧姆·米以上，且上下沟通特征明显，为破坏导通区。局部岩层电阻率值在1000 Ω·m以下，其电阻率值显著增加但未表现出破坏特征；顶板岩层58m以上段电阻率值未见普遍的上升或下降现象，局部受采动影响产生不同程度变化，但其变化倍数较小，其为弯曲下沉带特点。

3.4 2号孔资料分析

1）背景测试阶段。由于2号孔布置在断层影响区域中，而且在钻孔电极安装过程中有出水现象，表明孔中导水裂隙发育，虽然通过钻孔注浆能将这些导水裂隙局部进行填充，但是在回采过程中，这些导水裂隙的二次破坏张裂影响同样能影响到顶板两带的变化发育。为了突出采动破坏对顶板岩体的影响，因此采用了比值分析处理方法，尽量提取和突出采动破坏影响数据，避免顶板构造导水裂隙的二次破坏影响。图3和图4反映了冒落带的变化发育情况。在图中蓝色（冷色调）代表岩体相关度较好，采动影响变化不大区域；反之红黄色（暖色调）区域代表相关度差，采动影响较为严重的区域。

2）垮落带形成。由图3、图4可知，黄色区域为电阻率升高区域，表明该区域中岩体裂隙发育严重，破裂活动剧烈。分析可知，在工作面回采至57m范围内，煤层顶板0～22m以下比值较高，表明岩体阻值升高相对较快，垮落带逐渐形成。在顶板22m高度的层位，是比值梯度变化最大的位置，如图中Y1所示。

在工作面回采范围内顶板25m以上高度，其顶部电阻率比值相对变小，该区域岩体电阻率变化不大，表明该区域岩体裂隙发育过程相对较慢，顶板裂隙带发育尚未全面开始，存在局部裂隙发育，图中Y2主要为该区域顶板岩体局部裂隙发育变化。

3）导水裂缝带发育形成。煤层顶板0～22m之间的电阻率高比值区域范围较大，且比值较高，主要在1.3以上，分布范围大，且比值较高，呈现垮落区的特征。而Y3位于工作面顶板以上59m处，该区域分布范围相对狭长，且比值范围1.2～1.3之间，具备煤层顶板裂隙发育特点。

根据顶板“两带”岩层视电阻率典型特征，结合区域基本地质条件，分析认为该区域中开采变形与破坏中的“两带”高度为：a.垮落带发育高度为22m，该段岩层电阻率值比值整体较高，比值在1.3以上，为典型的岩层破坏特征，主要发育在煤层顶板铝质泥岩层位之中；b.导水裂缝带发育高度为59m，发育层位在2号煤线位置。

5 结论

1）1 号钻孔两带测试结论。根据1号监测孔的观测分析，由于1306工作面顶板0～16m范围中的砂岩为控制顶板变形与破坏的关键层位，超前影响范围较大。在采动应力超前作用区域，首先顺岩层界面及裂隙面等弱面发育离层，随回采工作面的逐步推进，裂隙带发育过程出现周期性变化，在电阻率图像上也有一定表现。在回采工作面推进以后，采空区周边裂隙不断发育，最终形成垮落带和导水裂隙带。垮落带发育的最大高度位于顶板中砂岩与泥岩分界面的上方，而裂隙带发育的最大高度位于2号煤线下方，主要与岩层厚度及岩性结构变化有关。

2）2 号钻孔两带测试结论。由于2号孔布置在断层影响区域中，而且在钻孔电极安装过程中有出水现象，表明孔中导水裂隙发育，虽然通过钻孔注浆能将这些导水裂隙局部进行填充，但是在回采过程中，这些导水裂隙的二次破坏张裂同样能影响到顶板两带的变化发育。为了突出采动破坏对顶板岩体的影响，因此采用了比值分析处理方法，尽量提取采动破坏影响数据，避免顶板构造导水裂隙的二次破坏影响。

由于断层构造对顶板岩体的破坏，加上工作面采动破坏的影响，2号钻孔垮落带高度相比1号孔有所增加，裂隙带高度也有增加，其中受断层影响垮落带发育高度增加较为显著。

参考文献：

[1]TUshi-hao,YUANYong,YANGzhen et al.Research situation and prospect offullymechanizedminingtechnologyin thick coal seams in China[J].Procedia Earth and PlanetaryScience,2009,1(1):35-40.

[2]钱鸣高，刘听成.矿山压力及其控制[M].北京：煤炭工业出版社，1984.

[3]王家臣.我国综放开采技术及其深层次发展问题的探讨[J].煤炭科学技术，2005（1）：14-17.

[4]王家臣.厚煤层开采理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2009.

[5]弓培林.大采高采场围岩控制理论及应用研究[M].北京：煤炭工业出版社，2006.

[6]钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报，1996，21（3）：225-230．

[7]钱鸣高，许家林.覆岩采动裂隙分布的“O”型圈特征研究[J].煤炭学报，1998，23（5）：466-469.

Study on Two-zone of Overlying Strata on Large-mining-height Fully-mechanized Mining Face

GUO Xueyong
(Ventilation Department,Zhaozhuang Mine,Jincheng Coal Group,Changzhi 046000,China)

On the geological analysis of No.3 coal seam in Zhaozhuang Mine,with data collection by parallel electrical technologyand exploration byresistivitymethod,twozones(cavingzone and fissure zone) of overlying strata on large-mining-height fully-mechanizedmining face were precisely divided.The results showthat the height ofcavingzone and fissure zone increase tosome degree,which is caused by the failure of fault structure on roof rock and ofmining.Especially,the development height of the caving zone caused byfaults increases considerably.

coal seam;parallel electrical technology;resistivitymethod;cavingzone;fissure zone

TD823.9

A

1672-5050（2015）05-0037-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.013

（编辑：樊敏）

2015-06-24

郭雪勇（1984-）,男，山西晋城人，大学本科，工程师，从事煤矿通风管理工作。