某矿3021综采面顶板覆岩破坏特征研究

王正达

(山西省能源发展中心)

山西某煤矿3021工作 面内主要有3条断层和1个层滑变薄区。为很好地反映不受断层影响的裂高发育情况，选择较为完整的地段进行施工。结合地面钻孔所处位置，现场是选择本工作面中部地段，距切眼距离1 380 m位置进行井下钻孔施工。2号煤层顶板为26 m厚的砂岩，2号煤至3号煤之间为60%的砂岩层，厚度达80 m，因此可以判定3021工作面顶板为坚硬顶板，结合3021工作面实际情况，综合考虑顶板垂直“三带”分布特征及裂隙发育情况，可以判定钻孔的水平控制范围不小于80 m，竖直控制范围应在80 m以上，同时钻孔施工完毕后，应连续观测裂隙的变化情况。

1 网络并行电法技术

通过最新的网络并行电法技术[1-5]对由采动而引发的顶板覆岩层的破坏或变形进行探测，其监测系统如图1所示。其中网络并行电法仪即为图中数据采集仪，该仪器数据采集效率与传统电法仪效率相比提高很多，是电法测试技术方面的又一次升级，这种方法在国内被优先使用。它的最大优点是通过在任意一处电极供电，剩下所有电极可同时进行电位采集，可清楚地反映探测区域的自然电位和一次供电场电位的变化情况，例如，测线上设有64个电极，利用网络并行电法采集时，在任意一处电极供电，剩下63个电极可同时进行电位采集，数据的采集效率至少提高63倍。而且电法仪装置可以自动依次切换电极，获得不同的电法数据，不但可以呈现直流高密度电法探测(如温纳二极、三极、四极等)数据的变化情况，而且可呈现高分辨的电阻率变化。此监测系统还可以进行远程数据采集，利用数据Modem、专用软件系统和电话线的连接，进行电法数据的全面远程监控，减少现场测量，提高工作效率[6-7]。

图1 网络并行电法监测系统

2 钻孔施工与安装

根据3021工作面实际条件，确定在工作面回风顺槽施工钻孔5个。井下回风顺槽监测钻孔选定在巷道1 380 m处。在巷道中1 380 m处施工一监测钻场，分别向顶、底板中施工各个测试钻孔。

根据现场经验，为防止塌孔，实施单孔成孔、单孔安装；自2008年3月5日开始进行1#孔的安装工作，于4月10日结束安装，共完成1#、2#、3#钻孔的安装工作，各类传感器的安装工作已完成。监测钻孔探测区域控制平距约为93 m，控制垂距约为80 m，完全满足探测需求。表1为各个钻孔的现场安装情况一览。

表1 探测钻孔安装情况

根据测斜资料可对钻孔轨迹进行描述，各个钻孔空间分布如图2所示。

图2 顶底板各个钻孔空间分布

3 数据采集

完成各个钻孔安装后，进入相关调试与测试状态。当2008年4月21日工作面回采至1 260 m时，开始进行钻孔观测，此时工作面与监测位置的孔口之间距离为120 m，将此时测试的值定义为背景场值。考虑到工作面的推进度较大，因此需要对数据采集密度进行调整，直到5月21日由于工作面因检修而停采，此时工作面停止在1 387 m位置，已推过孔口约7 m。5月29日停止现场数据采集，其时工作面推过孔口90 m。表2为数据采集时间表及工作面回采进度，其中每天中的1组以上数据未列入。

表2 物探数据采集时间表及工作面回采进度

4 数据处理与分析

根据现场钻孔中电极的安装情况，生成三维反演空间，通过三维空间的反演得到探测区域内的电阻率分布情况。由于监测采集的数据量大，2#～3#孔和1#～3#孔的跨孔剖面反映较为全面，可直接进行剖面提取处理与分析对比[8-10]。

4.1 2#孔～3#孔跨孔处理

2#钻孔偏向工作面内侧，与巷道指向工作面切眼方向夹角40°(N40°E)，仰角40°，其内侧控制平距59 m；而3#钻孔平行于巷道轴线，倾角为-21°，通过2#～3#孔的数据分析，可以明显看出工作面顶板的电阻率分布状况。

在2#～3#孔钻孔探测中，初始背景场的电阻率一般在30～80 Ω·m，通过对比分析，该值较小，这也表明在该区域范围内的顶板有裂隙存在。在探测范围内顶板的电阻率均呈现上升趋势，此时3021工作面的采位为1 323 m，距离监测钻孔孔口57 m，先期离层发育，特征明显；考虑到工作面回采较快，5月2日和5月4日的探测范围内出现了超过初始背景值15倍以上的高阻异常区域，同时这些值不是一成不变的。该高阻区域受回采位置控制呈2个片状分布。5月2日工作面位置前方平距25 m垂直上方22 m处先期发育离层，而工作面后方平距7 m垂直上方45 m左右发育较高离层，且呈整体垮落趋势特征。5月4日监测揭示，覆岩整体垮落发育滞后工作面平距20 m左右。2008年5月7日工作面已回采至1 366 m处，与监测孔口相距约14 m，所探测范围呈现大密度高阻反应，可看出其分段垮落现象及其垮落步距，且上部离层发育现象明显。5月10日，工作面已推过孔口7 m，此时裂隙发育相对较为稳定，其上部裂隙带高度在46 m左右。

4.2 1#～3#孔跨孔处理

1#钻孔偏向工作面外侧，与巷道夹角20°(N20°W)，仰角40°，其外侧控制平距32 m；3#钻孔平行于巷道轴线，倾角为负21°，通过1#～3#孔的数据分析，可以看出工作面外侧的煤层顶板电阻率分布状况。

通过4月21日的背景场测试，1#～3#孔联合探测区域内的电阻率均在80 Ω·m以下，在5月1—4日，工作面回采速度较快，探测区域内出现高阻区域，且该高阻区域随着工作面推进不断变化。其间不同位置离层段发育特征不同，工作面前方平距25 m上方离层发育，工作面后方平距30 m处上方离层高度43 m左右；5月4—10日监测揭示结果与其类似。其中5月7日探测结果显示相对稳定高阻区域，其位置在工作面顶板上方46 m处；5月10日探测区域中的高阻区域已发展稳定，其中高阻区域基本稳定在顶板上方约45 m处。

5 结 语

通过网络并行电法技术探测发现，2号煤层开采过程中，顶板岩体破坏状态明显，其顶板岩体的裂隙发育成动态变化特征，采空区上方离层的顶板岩体首先发育，离层强度逐渐加大。在工作面50 m范围内，离层发育主要的表现形式为老顶砂岩垮落，此时垂高为9～22 m，则为竖直“三带”中的垮落(冒落)带；工作面采后25～30 m，此时顶板岩体成整体垮落状态，即为离层裂隙带的表现形式。