煤层开采后覆岩破坏规律研究新方法

2015-12-23高田娃

科技视界 2015年32期

高田娃

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001）

0 引言

为了研究倾斜长壁工作面高强度开采条件下覆岩破坏“两带”发育规律，及时获得煤层开采后上覆岩层的变形、破坏相关参数，刘庄煤矿在171301工作面采用了电阻率法动态监测技术观测覆岩破坏冒落带、导水裂隙带发育高度[1]，根据171301工作面观测钻孔的施工进度，裂高观测孔中电缆及电极于4月1日安装完毕，4月10日起开始数据采集，共采集了26次数据。

1 电阻率法动态监测技术原理

1.1 地球物理条件

岩体的电阻率随着岩体破坏程度的加大而递增。在垮落带范围内，电阻率变化最大，甚至失去了导电能力；在裂隙发育带中电阻率变化较大，明显降低了岩体的导电性；在弯曲带及破坏带的边缘电阻率变化较小。基于破坏前后的物性差异，通过在采煤工作面覆岩中预埋入电极传感器，动态、连续的观测工作面覆岩的物性变化参数，分析煤层开采过程中覆岩变化及破坏规律，从而对覆岩破坏“两带”高度进行判定。

1.2 观测系统构成

电阻率法动态监测系统由井下观测系统和井上控制系统两部分组成。井下观测系统以顶板钻孔为基础，钻孔可布置在工作面风机巷，沿工作面推进方向上，钻孔方位斜指向工作面内，钻孔倾角40~60度，孔深可根据本矿区最大经验裂高来设计，原则上要控制最大岩体破坏区为宜。

钻孔施工后，布置采集系统，采集系统分为电极、电缆、电法仪主机、电源，通讯系统装置。电极数和极距根据探测的深度和精度要求进行调整，所选用的电极和电缆通过模具形成一体，最后将电缆和电极埋入至钻孔中并以水泥浆耦合。地面系统控制系统由计算机及控制软件、调制解调器组成，地面控制系统与井下多个采集分站通过矿用远程控制电话网络发送指令和传送数据。

2 现场施工

根据探测任务及施工条件，裂高观测孔布置在171301风巷，观测孔相关参数见表1。

表1 现场监测钻孔参数表

3 采集数据及处理分析

3.1 视电阻率

5月12日工作面回采位置距孔口185m，由于工作面距离钻孔较远，围岩无采动影响，此次视电阻率剖面可作为背景值，其值基本在10-500Ω·m范围，为正常岩层电性特征反映。

图1 6月28日视电阻率观测结果剖面图

图1为6月18日工作面回采位置刚进入监测区时（距孔口112m）孔中视电阻率剖面，剖面中在已回采的工作面顶板上方阻值明显升高，且高阻区分布范围较大。与背景电阻率值相对，其局部电阻率值达1000-3000Ω·m，是背景值的3-5倍以上，表明工作面顶板煤岩体发生一定的破坏或位移，使得监测区视电阻率升高，结合背景图分析，高阻区上边界距煤层距离为66.5m，将其推断为导水裂缝带发育顶界面，下部高阻区距离煤层19.5m，推断其为垮落带发育范围。

图2为6月28日工作面距离孔口位置56m时孔中视电阻率监测剖面。由图可见在离工作面较远的老空区顶板相比工作面正上方或前方阻值明显增高，表明后方顶板岩体发生破坏；工作面上方和前方岩体在人工支护下减缓了破坏进程，且受超前集中应力影响，存在周期压力等现象，视电阻率变化有时增高有时降低，处于一种不稳定的状态。由这次监测结果分析顶板岩体裂隙发育区顶界面距离煤层距离为67m左右，垮落带高度为20m左右。

图3为7月8日工作面距离孔口位置8m时孔内电阻率剖面，监测段已基本回采完毕，绝大部顶板岩层位于老空区上方。此时整个监测剖面主要为高电阻率值分布，且在剖面下部高阻区比较集中。表明在老空区形成一定步距后，应力集中破坏程度高，顶板近煤层岩体冒落，垮落带发育较充分，顶部岩体位移量较大，裂隙区进一步发育。对比分析导水裂缝带顶界面高度为66.7m左右，垮落带高度为21.6m。

图3 7月8日视电阻率观测结果剖面图

3.2 供电电流

供电电流的大小反映电极和孔周围岩层耦合质量以及岩层的电性条件，当岩体结构破坏后且没有低阻介质（如泥浆、矿井水）充填时，电流将明显减小，反之当岩体压实尤其是软岩如泥岩或有低阻介质存在时电流将增大。因此也可根据电流的变化来评价采动对顶板岩体的破坏影响。

图4为5月12日工作面回采位置距离孔口分别为185m时裂高孔中电流监测结果，此时覆岩未受采动影响，电流测量值可作为背景值。

图4 裂高孔5月12日孔中电流监测结果剖面图

图5 裂高孔7月8日孔中电流监测结果剖面图

图5为7月08日工作面回采位置距离孔口8m时裂高孔中电流监测结果，为最后一次电流测量值。对比可以发现：7月8日所得电流与背景值相比，电流值整体变小，相对来说在8#～50#共43个电极所在位置电流降低明显，而在52#～57#、62#～63#电极及孔顶的1#～7#电极的电流相对较大，即表现为两端高中间低的特征，中间供电电流发生变化的电极所在位置推断为岩体结构变化区，垮落带和裂缝带中的岩体均可导致供电电流降低，裂缝带与垮落带界线不明显，但可划定裂缝发育区顶界面（图5中已标出），其高度距煤层距离为66m左右。

4 结论

171301工作面覆岩破坏“两带”划分的依据以视电阻率值及供电电流的变化为基础，结合本区地层特点，通过不同时期测试结果对比分析得出如下结论：

（1）煤层采动过程中，顶板煤岩体受应力作用破坏后表现为视电阻率值不断升高，并且随着工作面向孔口推进，高阻区也逐渐向孔口移动。

（2）受周期应力作用，工作面正上方及前方的岩体压实或松散时表现为视电阻率时高时低。在工作面回采位置的后方垮落步距内，顶板岩体垮落具有一定滞后效应，工作面后方视电阻率值在回采通过时并不立即转变为高阻而具有一定滞后性及周期性。

（3）根据覆岩“两带”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垮落带高度范围为19.5～21.6m。该段岩层电阻率值整体较高，有的甚至达到几千，即超过背景电阻率值10倍以上，为典型的岩层破坏特征；导水裂缝带高度范围为65.0～67.0m。该段岩层电阻率值变化不均匀，局部达到几千以上，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以下，其电阻率值显著增加但未表现出破坏特征；顶板岩层67m以上段岩层电阻率值未见普遍的上升或下降，相对稳定，其为弯曲下沉带特点。

（4）参考6~7月份工作面回采实测剖面的采高为4.37～5.1m，计算得出171301工作面的冒采比范围为3.94～4.46，裂采比范围为13.14～15.22，具体计算结果见表2。