浅部煤层开采对断层活化影响研究

2017-10-11吴新庆丁顺华王海东

华北科技学院学报 2017年3期

关键词：剖面图电法电阻率

吴新庆，吴杰，丁顺华，王海东，康征，孙岭

(1.淄博矿业集团许厂煤矿，山东济宁 272173；2.山东淄博市高青县高城镇镇委办，山东淄博 256300)

浅部煤层开采对断层活化影响研究

吴新庆1，吴杰2，丁顺华1，王海东1，康征1，孙岭1

(1.淄博矿业集团许厂煤矿，山东济宁 272173；2.山东淄博市高青县高城镇镇委办，山东淄博 256300)

为了研究浅部煤层回采对断层活化影响规律，评估断层活化对工作面回采安全的影响程度，以许厂矿3336综放工作面的F1断层为研究对象，随着采掘工作的推进，采用并行电法对其活化情况进行动态监测，根据视电阻率变化特征分析得出：断层随煤层采动而被重新激活，但该断层未与顶板砂岩含水层发生明显的连通，为不导水断层，因此活化断层基本不影响工作面回采安全。

断层；活化；电法；监测

Abstract: In order to study the influence of shallow seam mining on the activation of faults and to assess the impact of fault activation on safety in the working face,taking F1 fault of 3336 fully mechanized caving face in Xuchang Coal Mine as the object of study，with the advancement of mining work，the parallel electric method is used to dynamically monitor its activation. According to the change characteristic of the apparent resistivity, it is analyzed and the result shows that the fault is re-activated with the coal mining.However, the fault doesn’t connect obviously with the aquifer of sandstone roof,it’s water-noncondutive, so the activation fault basically does not affect the mining safety of the working face.

Keywords:fault; activation; electrical method; monitoring

0 引言

大量工程实例表明，原始地质条件下断层与含水层直接沟通，构成导水断层的突水事故比例较小，而绝大多数是原始地质条件下的非导水断层，在采动影响下发生突水，即断层发生活化导水。例如我国煤矿开采历史过程中发生的很大一部分顶板突水事故都是由于煤层开采过程中随着采掘应力环境的变化，断层活化导通顶板含水层造成的。此外断层活化对采煤的影响还体现在断层带附近的“两带”发育高度比正常地区有较大的增长。如在水体下开采的工作面，在开采过程中比正常块段更容易引起矿井突水事故。因此，在煤层回采过程中对断层活化情况进行监测，开展煤层回采对断层活化影响规律研究，评估断层活化对工作面回采安全的影响程度，对防治煤矿水害事故，保障煤矿安全生产有重要的指导意义。本文以许厂煤矿330采区3336工作面为研究地质单元，采用并行电法对F1断层两盘位移进行动态监测，研究F1断层活化随时间及回采位置等因素的演变规律，评估F1断层活化对工作面回采的影响程度。

1 许厂煤矿3336工作面概况

3336工作面位于330西翼采区，所采煤层为3下煤。工作面标高位于-200.7～-346.6 m，对应地面标高为+40.3～+40.7 m。工作面位于330向斜北翼，330向斜轴线位于X-2至A1-3孔一线，东翼倾角较大约24°～30°，西翼在轴部附近倾角约20°。根据工作面两顺槽实际揭露情况分析，有2条断层影响工作面回采，即F1、F2断层，落差依次为1.3 m、1.7 m，倾角72°、55°，倾向263°、318°，由于落差较小，预计对工作面回采影响较小。根据相邻巷道及工作面实际揭露情况分析，预计3336工作面正常涌水量为5 m3/h。考虑3323皮带顺槽施工期间3下煤层顶板砂岩含水层突水，实测最大涌水量40 m3/h，预计3336工作面最大涌水量为40 m3/h。断层F1为一倾角72°，落差1.3 m的正断层。在巷道揭露过程中，断层及围岩发育一定裂隙，断层内部胶结较好。

图1 3336工作面位置示意图

构造名称倾角/翼倾角(°)性质落差(m)对回采的影响F172正断层1.3较小F255正断层1.7较小DF7074正0～35

2 电场预警监测理论基础

为了进一步验证煤层开采过程中断层的活化规律，对3336工作面进行并行电法预警监测研究，动态监控煤层开采过程中底板激励电流、电位、视阻率等相关地球物理场参数及其变化情况，由此来分析断层的活化特征[1]。

本次研究采用WBD型并行电法仪系统，其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，采集数据效率比传统的高密度电法仪有大大提高。该系列仪器将并行采集技术和先进的通讯系统、控制系统相结合构成了并行电法监测系统，实现了电法数据远程获取和智能控制[2]。参见图2。

电法仪主要组成单元有：电流采集单元、电位采集单元、指令控制单元、通讯单元。指令控制单元是整个仪器的调度核心，负责向电流采集单元发送采集、存储、上传指令，接收并传达通讯单元所发送的指令。仪器有内置时钟，可以实现定时开机和关机，如果在采集数据时断电，能够智能检测系统供电情况，供电正常仪器自动启动并继续完成断电前的工作，适应井下因瓦斯超限或其它原因断电的情况[3]。

3 断层活化电法监测

3.1 底板监测孔布置与施工

2号监测钻孔位置布置在3336工作面外段皮带顺槽，距373点28 m。施工钻孔的设计技术参数见图3所示，受现场钻孔施工条件限制，实际技术参数见表2。

表2 现场监测钻孔参数表

2号监测孔为俯角孔，钻孔实际俯角为-5°，方位角12°。结合钻探所获得的钻孔资料，对孔中各个电极布置进行了合理安排，图3为钻孔地质剖面图。具体来说，钻孔中拟布置32个电极，电极间距为1.5 m，1号电极距离孔口2 m，受钻孔实际深度限制，孔内实际埋入电极数为21个，控制孔深30 m。监测控制区域为3下煤和钻孔所构成的三角形区域，控制平距延煤层走向距离为29 m，可满足F1断层受采动影响的活化特征探测要求。

图2 断层活化监测系统组成示意图

图3 2#断层监测钻孔布置平面图

图4 2#断层监测钻孔地质剖面图

4.2 现场数据采集及数据处理结果

3336工作面2号测试系统于2010年6月17日安装完毕，2016年7月14日第一次进行孔中电法数据采集，截止2016年8月28日工作面回采至孔口最后一次采集，表3为2号断层监测钻孔的回采退尺与测试时间的统计，目的是通过与回采进度数据相结合，可进一步分析采动超前压力等基本特征。现场每天实际采集数据3组，其中AM数据2组，ABM数据1组，目的是加强对数据采集有效性的验证[4]。

表3 2号断层监测钻孔电法数据采集情况表

图5 2号孔7月14日视电阻率观测结果剖面图

4.3 结果分析

图5～图6分别为3336工作面2号断层活化观测孔于2016年7月14日和2016年7月15日所观测的视电率剖面。由于这两日工作面回采位置距离孔口62.4 m，远离监测区，故可将该两日视电阻率剖面作为背景视电阻率。从这两日的测试剖面来看，视电阻率分布特征完全一致，且其大小分布在400 Ω·m以内，反映了监测系统在数据采集方面是稳定的，为断层活化特征监测提供了有力基础[5]。

图6 2号孔7月15日视电阻率观测结果剖面图

图7～图12分别为3336工作面2号断层活化观测孔于2016年7月19日、7月21日、7月24日、7月26日、7月28日和8月3日所观测的视电率剖面。从这个阶段的视电阻率剖面来看，监测区内三个影响区的视电阻率分布相对背景电阻率变化较小，表明监测区岩层受采动影响较小。

图7 2号孔7月19日视电阻率观测结果剖面图

图8 2号孔7月21日视电阻率观测结果剖面图

图9 2号孔7月24日视电阻率观测结果剖面图

图10 2号孔7月26日视电阻率观测结果剖面图

图11 2号孔7月28日视电阻率观测结果剖面图

图13为3336工作面2号断层活化观测孔于2016年8月5日所观测视电阻率剖面。与背景对比可见，该日监测区内视电阻率分布特征发生了一定程度的变化，其中，套管影响区内局部电阻率值升高，而煤层影响区内电阻率值则降低，分析为煤层开采引起的超前应力场作用所致。断层监测区内视电阻率分布未有明显的变化，供电电流相对前期仍有较明显的改变，表明断层带附近应力相对集中。

图12 2号孔8月3日视电阻率观测结果剖面图

图13 2号孔8月5日视电阻率观测结果剖面图

图14 2号孔8月14日视电阻率观测结果剖面图

图14图15分别为3336工作面2号断层活化观测孔于2016年8月14日和8月18日所观测的视电率剖面，该段时间内，煤层开采位置逐渐远离监测区。从该时间段内视电阻率分布可见，套管影响区视电阻率特征基本无明显变化；煤层影响区受采空引起应力场的重新分布及煤层的开采的影响，视电阻率表现出先上升后下降的小幅度变化过程；但断层影响区内视电阻率分布特征表现出明显升高，且范围较大[6]。

图16中8月21日观测电流突然急剧减小，表明该日孔内电缆损坏，说明了煤层采动一段时间后，巷道周边一定范围内顶底板岩层结构已遭到严重破坏，反映了老空区内采动应力的滞后现象。该时间段内，断层活化特征明显，岩层运动幅度大。