工作面覆巖破壞參數(shù)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

鄭曉亮，郭立全

(1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001;2.安徽理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽淮南232001)

0 引言

煤礦覆巖破壞參數(shù)是礦井合理留設(shè)防水煤柱的科學(xué)依據(jù)，是保障礦井安全生產(chǎn)、提高煤炭資源回收率的前提。覆巖破壞參數(shù)受地質(zhì)、水文地質(zhì)、開采方式、工作面推進速度、采高、工作面寬度等許多因素的影響。而地質(zhì)和水文地質(zhì)條件是影響覆巖破壞的重要因素，由于不同礦區(qū)、不同井田的地質(zhì)條件千差萬別，甚至同一井田不同煤層、不同采區(qū)、不同水平其地質(zhì)條件也存在著一定的差異，因此，礦井開采設(shè)計在防水煤柱留設(shè)時不能僅以臨近礦區(qū)、臨近井田的覆巖破壞參數(shù)為依據(jù)，必須以本井田大量的實際測量值為依據(jù)。長期以來，探測采后煤層頂、底板巖層破壞高度與深度的方法，主要采用鉆孔沖洗液簡易水文觀測分析法和鉆孔壓、注水實驗法。它們依據(jù)沖洗液消耗量和水壓降的變化來判定導(dǎo)水裂縫帶高度等參數(shù)。由于施工探測鉆孔難度大、成本高，所獲取數(shù)據(jù)、資料在精度上不同程度地受到施工人員技術(shù)、經(jīng)驗水平等方面的制約［1～4］。因此，特別需要采用更加先進科學(xué)的探測技術(shù)與方法為生產(chǎn)服務(wù)。利用電法CT成像技術(shù)與鉆孔結(jié)合進行煤層覆巖破壞觀測同傳統(tǒng)的鉆探方法相比，可查明探測區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)形態(tài)，通過在時空域中的多次對比，來獲取煤巖層在采前的賦存形態(tài)和采后的破壞形態(tài)，以及相關(guān)的其他地質(zhì)信息資料。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工作面覆巖破壞參數(shù)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以電法并行采集技術(shù)為基礎(chǔ)，分為井下采集系統(tǒng)和井上控制系統(tǒng)兩部分。在監(jiān)測區(qū)域由網(wǎng)絡(luò)并行電法儀、置于孔中的電纜和電極、多路本安電源、組成井下并行電法采集分站，井下可以根據(jù)測量需要布置多個采集分站。地面控制系統(tǒng)由遠程計算機終端和控制軟件組成，地面控制系統(tǒng)與多個井下采集分站通過礦井以太網(wǎng)發(fā)送指令和傳送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of dynamic monitoring system

2 網(wǎng)絡(luò)并行電法儀

網(wǎng)絡(luò)并行電法儀仍是采集測量電極M，N間電位差ΔUMN和供電電極A，B回路中電流強度IAB的儀器。但數(shù)據(jù)的采集和處理方式不同于傳統(tǒng)的電法設(shè)備，一次供電可實現(xiàn)所有電極的自然場、一次場、二次場全電位差值和供電電流強度的同步并行高速采集。為了能實現(xiàn)電位差、電流強度同步采集和各電極間的并行采集，將并行網(wǎng)絡(luò)電法儀設(shè)計成兩級主從結(jié)構(gòu):主控模塊和8個電壓采集模塊，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)并行電法儀結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Structure diagram of network parallel electrical instrument

主控模塊主要負責(zé)和遠程終端進行聯(lián)系，接收各種工作命令、進行數(shù)據(jù)傳輸、控制測量供電方式和采集供電回路電流值。電壓采集模塊(以下簡稱電壓模塊)負責(zé)采集電極間的電位差值。主控模塊從遠程終端接收到工作狀態(tài)設(shè)定命令后，區(qū)分命令類型，并通過RS—485總線傳輸給各電壓模塊。狀態(tài)設(shè)定完畢，開始一次數(shù)據(jù)采集，所有電極間電位差值和供電回路電流值同步采集。采集任務(wù)完成由主控模塊呼叫遠程終端，并等待接收新命令，確定是否將采集到的數(shù)據(jù)上傳。所有模塊的處理控制核心均由DSP和單片機組成。

3 網(wǎng)絡(luò)并行電法儀數(shù)據(jù)采集方式

同所有的直流穩(wěn)定電場電法勘探場源一樣，網(wǎng)絡(luò)并行電法儀采用的場源仍然是點電源電場(A，∞)和異性點電源電場(A，B)。但和常規(guī)電法和高密度電法不同的是網(wǎng)絡(luò)并行電法儀采用了類似地震的陣列采集方式，測線上全部電極同時對電源產(chǎn)生的電場進行測量，最大限度地獲取電位在空間上的分布，進行全電場觀測。

網(wǎng)絡(luò)并行電法儀中的每個電極都具有A供電、B供電、電位差采集3種工作狀態(tài)，可根據(jù)測量需要在一次布極完成后自動設(shè)定各個電極的工作狀態(tài)，從而選擇不同的數(shù)據(jù)采集方式。設(shè)定時只需在布設(shè)電極中選定供電電極，其余電極都處于采集狀態(tài)，進行實時同步數(shù)據(jù)采集。將高密度電阻率法中的溫納對稱四極裝置、溫納偶極裝置、溫納微分裝置、溫納三極裝置簡化為單極供電同步采集和偶極供電同步采集兩種簡單的測量方式，測量原理如圖3所示。通過兩種簡單方式采集到的數(shù)據(jù)在進行解析時可通過相應(yīng)的處理得出以往所有采集方式解析所需的數(shù)據(jù)序列。由于系統(tǒng)中每個電極都具有工作狀態(tài)選擇功能，可使系統(tǒng)在一次布極完成后，根據(jù)需要進行多種形式的測量，并可使所有在線電極進行循環(huán)供電采集數(shù)據(jù)而不需要改變系統(tǒng)硬件布置。

圖3 測量方式原理圖Fig 3 Principle diagram of measurement mode

采集數(shù)據(jù)時是對自然場、一次場、二次場的全過程數(shù)據(jù)進行采集，一次采集即可完成直流電阻率法、激電法的所有裝置測量。為電法反演提供更加完善的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采集頻率可由用戶根據(jù)測量供電周期大小自行設(shè)定［5］。

4 探測鉆孔布置

由于覆巖破壞過程是隨著采掘工作的推進而動態(tài)發(fā)育的。動態(tài)監(jiān)測技術(shù)與傳統(tǒng)裂高觀測技術(shù)最大的不同之處在于可以全程把握采動前、采動中和采動后巖層破壞發(fā)育規(guī)律。因此，監(jiān)測系統(tǒng)具有布置早，觀測周期長的特點。井下監(jiān)測系統(tǒng)以頂板鉆孔為基礎(chǔ)，鉆孔布置在風(fēng)巷或機巷頂板中，可設(shè)計為仰孔。鉆孔位置布置在工作面推進方向上，鉆孔方位斜指向工作面內(nèi)，鉆孔傾角40°～60°，水平方位角0°～90°?？咨羁筛鶕?jù)本礦區(qū)最大經(jīng)驗裂高來設(shè)計，原則上要控制最大巖體破壞區(qū)為宜，鉆孔電極布置如圖4所示。

在鉆孔施工完成后，根據(jù)探測的深度和精度要求確定電極數(shù)和極距，電極和電纜通過模具形成一體埋入至鉆孔中并以水泥漿耦合。

根據(jù)某礦171301工作面探測任務(wù)與施工條件，布置2個監(jiān)測孔，1#裂高孔布置在風(fēng)巷，2#裂高孔布置在軌道順槽出煤聯(lián)巷，鉆孔方位均指向工作面方向。

圖4 鉆孔電極布置示意圖Fig 4 Layout diagram of bore and electrode

以1#號裂高孔為例進行說明，鉆孔位置示意圖見圖5所示。1#探測孔為仰角孔，鉆孔實際仰角為38°，與巷道之間夾角為5°，方位角320°，圖6為鉆孔地質(zhì)剖面圖。結(jié)合鉆探資料，鉆孔中共布置64個電極，電極間距為2.5 m，1號電極在上，64號在下，距孔口0.8 m。監(jiān)測控制區(qū)域為13—1煤和鉆孔所構(gòu)成的三角形區(qū)域，控制平距延煤層走向距離為125 m，控制垂高為80 m。

圖5 1#探測鉆孔布置平面圖Fig 5 Layout planar diagram of 1#monitoring bore

圖6 1#探測孔地質(zhì)剖面圖(1∶1000∠320°)Fig 6 Geologic section diagram of 1#monitoring bore

5 1#裂高探測孔視電阻率剖面分析

1)巖層電阻率背景值分析

圖7(a)為2010年5月12日孔中視電阻率剖面，工作面回采位置距孔口185 m，由于工作面位置距離較遠，采動對上覆地層的影響尚未影響至監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，故可將此次視電阻率剖面作為背景值進行比較。

2)巖層變形破壞分析

圖7(b)為2010年6月18日孔中視電阻率監(jiān)測剖面，該日工作面回采位置距孔口112 m，回采位置已進入監(jiān)測區(qū)。剖面中在已回采的工作面頂板上方阻值明顯升高，且高阻區(qū)分布范圍較大。與背景電阻率值相比其局部電阻率值達背景值的3～5倍以上，表明工作面頂板煤巖體在應(yīng)力集中作用下發(fā)生一定的破壞或位移，使得監(jiān)測區(qū)視電阻率升高，因此，利用監(jiān)測剖面中高阻明顯變化的位置來確定頂板巖體破壞程度。

圖7(c)為2010年6月30日孔中視電阻率監(jiān)測剖面，距離孔口位置為46m。在離工作面較遠的老空區(qū)頂板相比工作面正上方或前方阻值明顯增高，表明后方頂板巖體發(fā)生破壞，巖體電阻率值升高;而工作面上方和前方巖體在人工支護下減緩了破壞進程，且受超前集中應(yīng)力影響，存在周期壓力等現(xiàn)象，視電阻率變化有時增高有時降低，處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖7(d)為2010年7月8日測試電阻率剖面，工作面回采位置為8m，監(jiān)測段已基本回采完畢，絕大部頂板巖層位于老空區(qū)上方。此時整個監(jiān)測剖面主要為高電阻率值分布，且在剖面下部高阻區(qū)比較集中，表明在老空區(qū)形成一定步距后，應(yīng)力集中破壞程度高，頂板近煤層巖體冒落，垮落帶發(fā)育較充分，頂部巖體位移量較大，裂隙區(qū)進一步發(fā)育。

圖7 1#探測孔視電阻率監(jiān)測結(jié)果Fig 7 Surveillance results of resistivity in 1#monitoring bore

3)“兩帶”高度確定

根據(jù)覆巖“兩帶”電阻率值典型特征，結(jié)合區(qū)域基本地質(zhì)條件，分析認為不同時期該煤層開采破壞后垮落帶高度范圍為19.5～21.6 m。該段巖層電阻率值整體較高，有的甚至達到幾千歐姆·米，即超過背景電阻率值10倍以上，為典型的巖層破壞特征;導(dǎo)水裂縫帶高度范圍為65.0～67.0 m。該段巖層電阻率值變化不均勻，局部達到幾千歐姆·米以上，且上下溝通特征明顯，為破壞導(dǎo)通區(qū)。局部巖層電阻率值在1000Ω·m以下，其電阻率值顯著增加但未表現(xiàn)出破壞特征;頂板巖層67 m以上段巖層電阻率值未見普遍的上升或下降，相對穩(wěn)定，其為彎曲下沉帶特點。參考6～7月份工作面回采實測剖面的采高為4.57～5.3 m，計算得出在1#監(jiān)測孔范圍內(nèi)171301工作面回風(fēng)巷的冒采比范圍為3.8～4.3倍，裂采比范圍為12.6～14.6倍。

6 結(jié)論

利用網(wǎng)絡(luò)并行電法儀組建工作面覆巖破壞參數(shù)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)覆巖參數(shù)檢測方法，實時動態(tài)記錄覆巖隨采掘工作推進而被破壞的動態(tài)發(fā)育過程，為工程技術(shù)人員提供實時準確的數(shù)據(jù)，對礦井安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義，在防治水方面可用于計算工作面防水煤柱，在瓦斯治理方面可指導(dǎo)高抽巷布置、保護層開采預(yù)裂高度等［6］。

［1］劉盛東，吳榮新，張平松.高密度電阻率法觀測煤層上覆巖破壞［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2001，29(4):18-22.

［2］張平松，劉盛東，吳榮新.地震波CT技術(shù)探測煤層上覆巖層破壞規(guī)律［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(15):2510-2513.

［3］張平松，劉盛東，吳榮新.采煤面覆巖變形與破壞立體電法動態(tài)測試［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(9):1870-1875.

［4］Zhang Pingsong，Wu Jiansheng，Liu Shengdong.Testing with high density resistivity method in prevention and cure for mine water disaster and its applied effect［J］.Journal of Coal Science and Engineering，2007，13(2):165-169.

［5］鄭曉亮，劉盛東.基于雙處理器的并行采集網(wǎng)絡(luò)電法儀設(shè)計［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(4):85-88.

［6］國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.