许厂煤矿3336工作面煤层开采覆岩破坏并行电法监测研究

徐旭东，南莹浩，邵小朋

(华北科技学院 安全工程学院,北京 东燕郊 065201)

许厂煤矿3336工作面煤层开采覆岩破坏并行电法监测研究

徐旭东，南莹浩，邵小朋

(华北科技学院 安全工程学院,北京 东燕郊 065201)

在许厂煤矿3336工作面推进综放开采期间，由于覆岩破坏过程是随着采掘工作的推进而动态发育的,为保证工作面的安全开采，利用直流电并行电法对断层活化导水情况进行动态监测，通过并行电法CT成像监测技术进行实时监测覆岩破坏规律，随着工作面的不断推进，监测区内的岩体变形破坏阶段性明显，分析得出不同时期该煤层开采破坏后导水裂缝带高度范围为40.7～43.8 m。

许厂煤矿；覆岩破坏；并行电法；断层活化；动态监测；导水裂隙带

0 引言

目前我国对于断层活化导水机理的研究仅仅停留在底板充水条件开采断层活化充水的案例上。对工作面顶板充水条件下开采，分布在工作面顶板断层条件下“两带”发育高度和特征也未进行过系统的研究，对没能将煤层顶板岩性组合、工作面推进方向、地应力、含水体性质等因素有机结合起来，无法对其他工作面生产安全性作出评价，不能满足下一步安全生产的需要。

1 井田概况

许厂煤矿位于济宁城区东北部，井田面积56.587 km2。济宁煤田许厂煤矿地层区划属华北地层区—鲁西地层分区，区域上主要发育早古生代、中生代、新生代地层，含煤岩系为古生代石炭—二叠纪月门沟群山西组、太原组。井田内地层自下而上依次发育奥陶纪马家沟群，石炭—二叠纪月门沟群本溪组、太原组和山西组，二叠纪石盒子群，侏罗纪淄博群三台组及第四系。研究区3336工作面位于330东翼采区，所采煤层为3下煤，影响掘进的含水层主要为3下煤层顶板砂岩含水层、第四系孔隙含水层，煤层顶底板岩性以粉细砂岩和粉砂岩为主。

2 断层活化

断层两盘的相对位移即断层活化，由于在采动影响下断层活化而与含水层或水体沟通，导致断层导水事故的发生。然而，断层对于煤矿突水的影响确不仅限于断层本身因活化而具备的导水特性，断层对顶板岩层稳定性的影响也可能引发导水。工作面前方断层活化，改变了采场应力场和岩体运动规律，使得煤岩体结构发生破坏，其相应的视电阻率也发生改变。伴随着采掘工作的推进，断层活化将是一个动态发育的过程。

3 断层活化电法监测

3.1 观测系统的布置

动态监测技术与监测技术最大的不同之处是可以全程把握采动前、中、后期的断层活化规律。因此，需要较早的布置观测系统，观测的周期也相对较长。以底板钻孔作为井下观测系统的基础，将井下钻孔设计为俯孔，布置在回风顺槽底板中。在工作面推进方向上布置钻孔位置，钻孔方位斜指向工作面内，钻孔倾角40°～15°，水平方位角0°～90°。孔深的设计可根据本矿区断层位置进行，以控制断层破坏区为宜(图1)。

图1 覆岩破坏电阻率法动态监测观测系统示意图

在钻孔施工完成后，进入采集系统布置，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适当调整，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。

3.2 底板监测孔布置与施工

根据探测研究内容要求和实际巷道情况，在3336工作面轨道顺槽距74点27 m处布置1#裂高探测孔。钻孔位置示意图见图2所示。受现场钻孔施工条件限制，实际技术参数见表1。

表1 现场监测钻孔参数表

作为仰角孔的1#探测孔，其实际的仰角值为61°，与巷道之间呈9°的夹角，方位角为36°，钻孔地质剖面图如图3所示。根据钻探的资料，合理安排并布置孔中各个电极，拟在钻孔中布置64个电极，将1.8 m布置作为电极间距，64号电极在上方，1号电极在下方，距孔口0.8 m，由于现场施工环境困难导致，钻孔中实际布置电极数为39个。将3下煤和钻孔所构成的三角形区域作为监测控制区域，将平距延煤层走向的距离控制为31 m，垂高控制为60 m。

图2 2#断层监测钻孔布置平面图

图3 1#探测孔地质剖面图

3.3 现场数据采集

2014年6月9日安装完成了3336工作面1号测试系统，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2为1号裂高探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在3组，其中AM数据2组，ABM数据一组，目的是加强对数据采集有效性的验证。

表2 1号监测孔电法数据采集情况表

续表

说明：表中负数表示超过相对位置点。

3.4 数据处理

由于现场数据的采集较多，本次处理主要提取常规高密度温纳三极视电阻率剖面。对比每天的监测图像，即所形成的剖面，使用统一色标在各图中，低电阻率值表现为蓝色基调，高电阻率值表现为红色基调，从而分析并解释顶板岩层破坏与变形的规律。

3.5 视电阻率剖面分析

3.5.1 岩层电阻率背景值分析

图4为2016年7月14日孔中视电阻率剖面，孔口距离工作面回采的位置为95.5 m，监测孔下方电阻率由冷色至暖色调分布，分别代表0～2000 Ω·m，由于孔口与回采工作面距离较远[1]，因采动因素，监测区域内也尚未受到上覆岩层的影响，故以背景值对此次视电阻率剖面进行分析。背景电阻率分布中其值基本在10～400 Ω·m范围，相对而言，这种电阻率差异较大，结合综合柱状分析为岩层裂隙发育、含水性不均一所致，因此，局部岩层电阻率的高低变化反映出岩性变化或岩体完整性的不同，在本次监测中，可视为正常岩层电性特征反映，该值为后续探测剖面对比提供基础。

图5剖面为2016年07月26日孔中视电阻率监测图，此时孔口距离工作面回采位置为80.3 m，回采位置尚未进入监测区。相比背景电阻率剖面，本日剖面发生略微变化，在剖面顶部30 m范围内高低阻区域有一定变动。

3.5.2 岩层变形破坏分析

图6剖面为2016年7月28日孔中视电阻监测图，该日孔口距离回采工作面位置为72 m，回采位置已接近监测区[2]。剖面中显示，阻值明显升高的区域在已回采的工作面左上方顶板15～50 m 段，且分布的区域较大，其局部电阻率值达150～1200 Ω·m，与背景电阻率值相比，是背景值的3～5倍以上，分析为煤层采动引起的超前应力集中所致，反映出采动对顶板的扰动具有超前性，顶板超前压力以及顶板水文地质条件的改变直接导致了视电阻率的变化。

图4 3336工作面1号裂高孔7月14日视电阻率观测结果剖面图

图5 3336工作面1号裂高孔7月26日视电阻率观测结果剖面图

图6 3336工作面1号裂高孔7月28日视电阻率观测结果剖面图

图7 3336工作面1号裂高孔7月30日视电阻率观测结果剖面图

图8 3336工作面1号裂高孔8月1日视电阻率观测结果剖面图

图9 3336工作面1号裂高孔8月3日视电阻率观测结果剖面图

图10 3336工作面1号裂高孔8月5日视电阻率观测结果剖面图

图11 3336工作面1号裂高孔8月14日视电阻率观测结果剖面图

图12 3336工作面1号裂高孔8月18日视电阻率观测结果剖面图

图13 3336工作面1号裂高孔8月24日视电阻率观测结果剖面图

图7剖面为2016年7月30日孔中视电阻监测图，孔口距离回采工作面的位置为64.5 m。回采位置已正式进入监测区。剖面中在已回采的工作面左上方顶板15～50 m段阻值明显升高，由于该时间段内，回采煤层倾角具有一定的变化[3]，采动引起的岩层变形与破坏特征相对复杂[4]，但相比图6而言，仍可看出，工作面左上方顶板40～50 m段高阻变化区因超前应力作用随着工作面退尺不断向前推进；在工作面左前方顶板10～30 m段岩层视电阻率值进一步变大，且1000 Ω·m以上高阻区有扩大趋势，由于煤层的采动对顶板岩层有影响，在视电阻率变化特征上有反映。将背景的视电阻率值与之比较分析，工作面回采位置正上方岩层的视电阻率特征未发生明显的变化，说明由煤层采空导致的上覆岩层直接变形与破坏表现相对滞后，因此，依据本日视电阻率分布特征不能有效判定导水裂隙带高度。

图8剖面为2016年8月1日孔中视电阻监测图，当天孔口距离回采工作面的位置为57.5 m，监测区内包括回采位置。与图7相比，本日监测剖面中高阻区发生了明显的变化，受超前应力作用的原顶板40～50 m段高阻区消失，且顶板10～30 m段高阻区视电阻率值有明显的减小，说明随工作面回采推进，超前应力的变化导致了视电阻率的分布特征发生了改变[5]。但在回采工作面位置正上方附近，岩层的视电阻率值明显上升，为200～600 Ω·m，相比背景电阻率值平均增大了3～5倍，反映了该区岩层正发生明显的形变与破坏。结合背景视电阻率图分析，可判断导水裂隙顶界面的高度为43.2 m。

图9～11分别为2016年8月3日、5日和14日孔中视电阻率监测剖面，距离孔口位置分别为51.1 m、46.8 m和39.1 m。由于回采时间和工作面位置跨度不大，因此视电阻率剖面总体相对稳定，局部低阻为岩层正常电阻率反应。工作面推进的过程中，3个监测剖面中视电阻率的分布特征的改变均较为明显，如顶板岩层中高阻区视电阻率值增大，尤其是工作面回采位置上方高阻区视电阻率值变化明显，反映了岩层发生变形与破坏[6]。同时，从这三个剖面对比来看，煤层采动引起了视电阻率的分布特征不同，局部电阻率值出现时高时低的现象，处于一种不稳定的状态，且其变化也相对不均匀，表明岩层受应用场作用下其结构在遭受破坏的同时，也导致其它地质条件的变化如水文条件，这些变化因素叠合在一起，形成视电阻率综合变化效果。可推断其导水裂隙顶界面高度值为40.7 m。

图12剖面为2016年8月18日孔中视电阻监测图，孔口距离回采工作面位置为29.1 m。回采位置位于监测区内。可见，相对8月14日剖面，本日剖面中煤层顶板以上岩层视电阻率值明显增大，尤其是水平距离为30～60m段顶板岩层总体由原来的局部高阻变为总体呈现出高阻，且局部视电阻率值高达1000～2000 Ω·m，为背景电阻率的10倍以上，反映该部分岩层受煤层开采影响产生了明显的扰动而发生了破坏。与背景视电阻率值对比[7]，利用本日视电阻率高低分布特征，推断导水裂隙带发育顶界面高度推断为43.8 m。

图13剖面为2016年8月24日孔中视电阻监测图，孔口距离回采工作面位置为13.1 m。回采位置位于监测区内且靠近孔口。从回采退迟位置来看，监测段的回采工作已基本完成，老空区上方分布着绝大部分顶板岩层。此时高电阻率值主要分布在整个监测剖面，且高阻区集中分布在剖面下部[8]。表明在老空区形成一定步距后，应力集中，且破坏较大，顶板近煤层岩体冒落，冒落带发育较充分，顶部岩体位移量较大，裂隙区发育增大。分析得出导水裂缝带顶界面高度为41.8 m。

3.5.3 导水裂隙带高度确定

综合以上分析，煤层在采动地过程中，顶板煤岩体结构破坏后其视电阻率值不断升高，高阻区随着工作面退尺向孔口推进也逐渐向孔口移动。周期应力对工作面正上方及前方作用，视电阻率时高时低由岩体的压实和松散程度决定。在工作面回采位置的后方垮落步距内，顶板岩层的垮落具有的滞后性，表现回采通过时，工作面后方视电阻率值并不立即转变为高阻，而具有一定滞后和周期性。

结合区域地质条件以及覆岩破坏电阻率的特征,分析得出煤层开采破坏后不同时期的导水裂隙带高度范围为40.7～43.8 m。该段岩层电阻率值不均匀变化，部分区域达到几千Ω·m以上，且上下存在明显的沟通特征，为破坏导通区。部分区域岩层的电阻率值小于600 Ω·m，其电阻率值增加较明显但并未破坏；顶板岩层43.8 m以上段岩层电阻率值相对稳定，未见普遍的升降变化，表现为弯曲下沉带特征。参考3336工作面回采实测剖面的采高平均约为3.05 m，可对1号监测孔区域内3336工作面轨道顺槽进行计算得出其裂采比范围为13.34～14.36。

3.6 1号裂高孔覆岩破坏规律结论

(1) 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性明显，可分为4个阶段：

阶段Ⅰ(回采位置距孔口95.5 m推进至距孔口80.3 m)，该期间回采位置未进入监测区，覆岩变形破坏不明显整体处于稳定队段；

阶段Ⅱ(回采位置距孔口80.3 m推进至距孔口39.1 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39.1 m推进至距孔口29.1 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；

阶段Ⅳ(回采位置推进至距孔口13.1 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。

(2) 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一定规律，煤层顶板煤岩体结构受到应力后破坏，其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。由于周期应力对工作面正上方及前方的作用，使岩体松散或压实时，导致视电阻率时高时低[9]。在工作面回采位置的后方冒落步距内，顶板岩体冒落反应滞后，表现为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的周期和滞后性。

导水裂隙带高度：根据区域基本地质条件，分析得出不同时期该煤层开采破坏后导水裂缝带高度范围为40.7～43.8 m。顶板岩层43.8 m以上段岩层电阻率值较稳定，未见普遍的变化，表现为弯曲下沉带的特征[10]。

参考6～7月份工作面回采剖面实测的采高平均为3.05 m，计算得出在1号监测孔区域内3336工作面轨道顺槽的裂采比范围为13.34～14.36。

[1] 张朋,王一,刘盛东,等.工作面底板变形与破坏电阻率特征[J]. 煤田地质与勘探, 2011(01): 34-36.

[2] 吴荣新,刘盛东,周官群. 高分辨地电阻率法探测煤矿地质异常体[J]. 煤炭科学技术, 2007(07) :66-68.

[3] 张平松,刘盛东,舒玉峰. 煤层开采覆岩破坏发育规律动态测试分析[J]. 煤炭学报,2011(02) :17-19.

[4] 尹增德. 采动覆岩破坏特征及其应用研究[D].山东科技大学, 2007:24-27.

[5] 李建楼,刘盛东,张平松,等. 并行网络电法在煤层覆岩破坏监测中的应用[J]. 煤田地质与勘探,2008(02):23-26.

[6] 王勃,刘盛东,张朋. 采用网络并行电法仪进行煤矿底板动态监测[J]. 中国煤炭地质, 2009(03) :51-53.

[7] 李瑞霞. 顶板动态监测系统在一矿的应用[J]. 机械管理开发，2016(09):78-80.

[8] 高卫富,施龙青,翟培合,等. 电阻率动态监测技术在矿井中的应用研究[J]. 煤炭技术, 2015(05):31-33.

[9] 董春勇. 网络并行电法在覆岩破坏动态监测中的应用[D]. 安徽理工大学, 2009:38-41.

[10] 张卫,于仲. 导水裂隙带高度探测方法概论[J].煤炭技术, 2011(08):91-94.

StudyontheparallelelectricalmonitoringofoverlyingrockfailureincoalseammininginNo.3336workingfaceofXuchangCoalMine

XU Xu-dong , NAN Ying-hao , SHAO Xiao-peng

(SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

During the fully mechanized caving mining in No.3336 working face of Xuchang Coal Mine, due to the destruction of overburden develops along with the mining, in order to ensure the safety mining of the working face, DC parallel electrical method is used to dynamically monitor the water conductivity of fault activation, the overburden failure rule is monitored in real time by parallel electrical CT imaging monitoring technology. With the working face advancing, the destruction of rock mass in the monitoring area is obvious, the analysis shows that after the destruction of coal seam mining in different periods, the height of water conducting fractured zone ranges from 40.7 to 43.8m.

Xuchang Coal Mine; overburden failure; parallel method; fault activation; dynamic monitoring; water conducting fractured zone

2017-10-05

中央高校基本科研业务费资助(3142017036)

徐旭东(1993-)，男，江苏南京人，大学毕业，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向:矿井水害防治。E-mail：1256057641@qq.com

TD821

A

1672-7169(2017)05-0021-09