礦井工作面開采底板破壞規(guī)律鉆孔電法測(cè)試分析

蔣法文，黃　暉，吳　桁，韓必武，劉　亮，付茂如

(1. 淮南礦業(yè)(集團(tuán))公司，安徽　淮南　232001；2. 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽　淮南　232001)

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礦井工作面開采底板破壞規(guī)律鉆孔電法測(cè)試分析

蔣法文1，黃暉1，吳桁1，韓必武1，劉亮1，付茂如2

(1. 淮南礦業(yè)(集團(tuán))公司，安徽淮南232001；2. 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南232001)

煤層開采過程中工作面底板巖層變形與破壞特征可利用物探方法進(jìn)行綜合測(cè)試與判斷?；茨吓吮钡V3煤層距底板灰?guī)r層較近，現(xiàn)場(chǎng)利用底板巷道布置鉆孔電法測(cè)試系統(tǒng)，根據(jù)煤層開采進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得了煤層開采過程中底板巖層電阻率值變化過程參數(shù)，結(jié)合背景值對(duì)比分析獲得了巖層破壞特征規(guī)律認(rèn)識(shí)。結(jié)果表明，該工作面3煤層頂分層開采破壞深度為14.5 m左右，其結(jié)果動(dòng)態(tài)、可靠。

底板破壞深度；鉆孔電法；電阻率

1　底板鉆孔電法測(cè)試

1.1測(cè)試技術(shù)原理

孔間電阻率CT法是利用施工在巖層中的鉆孔構(gòu)建測(cè)試區(qū)域，進(jìn)一步獲得地電場(chǎng)在時(shí)空的分布特征的一種物探方法。由于電阻率和地層的巖性、巖石孔隙及孔隙中的流體性質(zhì)有直接關(guān)系，因此孔間電法對(duì)于識(shí)別巖層破碎、斷層帶、含水變化等特征具有敏感性，其分辨率較高[17-20]。孔間電阻率成像是在地面或者一鉆孔中按一定間距設(shè)置源點(diǎn)，在地面或者是另一鉆孔中設(shè)置一定數(shù)量的接收點(diǎn)，依次激發(fā)源點(diǎn)，在地下產(chǎn)生相應(yīng)的穩(wěn)定電流場(chǎng)，用接收點(diǎn)處測(cè)得的電位值來重構(gòu)兩孔之間介質(zhì)物理性質(zhì)差異的圖像，從而解決相應(yīng)的地質(zhì)問題[12-15]。

數(shù)據(jù)采集儀器為并行電法儀，該儀器最大優(yōu)勢(shì)在于任一電極供電，在其余所有電極同時(shí)進(jìn)行電位測(cè)量，可清楚地反映探測(cè)區(qū)域的自然電位、一次供電場(chǎng)電位的變化情況，采集數(shù)據(jù)效率比傳統(tǒng)的高密度電法儀又大大提高。

所測(cè)得的電位數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)解編分析后，采用電阻率三維反演技術(shù)進(jìn)行處理。電阻率三維反問題的一般形式可表示為：

Δd=GΔm

式中：G為Jacobi矩陣；Δd為觀測(cè)數(shù)據(jù)d和正演理論值d0的殘差向量；Δm為初始模型m的修改向量。由于它們變化范圍大，一般用對(duì)數(shù)來標(biāo)定反演數(shù)據(jù)及模型參數(shù)，有利于改善反演的穩(wěn)定性。由于反演參數(shù)太多，傳統(tǒng)的阻尼最小二乘反演往往導(dǎo)致過于復(fù)雜的模型，即產(chǎn)生所謂多余構(gòu)造，它是數(shù)據(jù)本身所不要求的或是不可分辨的構(gòu)造信息，給解釋帶來困難。Sasaki在最小二乘準(zhǔn)則中加入光滑約束，反演求得光滑模型，提高了解的穩(wěn)定性。其求解模型修改量Δm的算法為

(GTG+λCTC)Δm=GTΔd

其中：C是模型光滑矩陣。通過求解Jacobi矩陣G及大型矩陣逆的計(jì)算，來求取各三維網(wǎng)格電性數(shù)據(jù)。進(jìn)而反演出孔間巖層的電阻率分布情況，根據(jù)時(shí)間上多次測(cè)試對(duì)比給出底板巖層裂隙發(fā)育特征的客觀地質(zhì)解釋。

1.2工作面測(cè)試布置

測(cè)試工作面為潘北礦A組煤采區(qū)首采工作面，走向長(zhǎng)度451m，傾向長(zhǎng)度108m，設(shè)計(jì)采用分層開層，頂分層采高3m。煤層傾角在7°～11°之間，平均傾角為9°。煤層底板直接底為泥巖，平均厚度1.92m，局部發(fā)育為砂質(zhì)泥巖，硬度較小。老底為細(xì)粉砂巖，平均厚度9.44m，性脆易碎，硬度一般。現(xiàn)場(chǎng)在-490m東翼放水聯(lián)巷左幫鉆窩中專門設(shè)置鉆場(chǎng)，施工底板鉆孔電法探測(cè)系統(tǒng)，朝向工作面退尺方向下布置2個(gè)傾角不同的鉆孔，其技術(shù)參數(shù)見表1，1#和2#探測(cè)孔均為仰角孔，位于同一垂直剖面上，形成有效的探測(cè)與監(jiān)測(cè)空間。

表1　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)鉆孔參數(shù)表

系統(tǒng)布置時(shí)，1#孔中布置64個(gè)電極，測(cè)線長(zhǎng)度71m，其中1-48#電極極距為1m，49-64#電極極距為1.5m；2#孔布置48個(gè)電極，極距為2m，測(cè)線長(zhǎng)度94m。兩者所形成的探測(cè)區(qū)域完全滿足孔間全電場(chǎng)電性參數(shù)采集及探測(cè)技術(shù)要求。圖1為鉆孔地質(zhì)剖面及電極總體布置示意圖。井下測(cè)試是在兩孔電極間連續(xù)進(jìn)行，通過不同位置電極點(diǎn)的組合實(shí)施連續(xù)測(cè)量，得到不同供電電極、測(cè)量電極對(duì)應(yīng)深度的電流及電位值。

圖1　監(jiān)測(cè)鉆孔剖面及電極布置示意圖

1.3數(shù)據(jù)采集與分析

現(xiàn)場(chǎng)電極安裝完畢后，待鉆孔中水泥漿固結(jié)后，開始測(cè)量背景電阻率值。當(dāng)回采工作面在監(jiān)測(cè)鉆孔可控區(qū)域以內(nèi)時(shí)，為監(jiān)測(cè)靈敏階段， 回采工作面每推進(jìn)約5m，采集一次數(shù)據(jù)即可滿足要求。自第一次進(jìn)行孔中電法數(shù)據(jù)采集，到回采工作面推過斷面控制范圍，完成了整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集任務(wù)?，F(xiàn)場(chǎng)采集使用并行電法儀，其采集參數(shù)為AM(0.5s～50ms)數(shù)據(jù)，目的是加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)采集有效性的驗(yàn)證。通過對(duì)所有采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解編，反演電阻率剖面圖，結(jié)合回采進(jìn)度分析其破壞規(guī)律。

1)背景電阻率

圖2為測(cè)試斷面底板巖層視電阻率成像結(jié)果剖面?？梢钥闯?，在回采工作面還未到斷面監(jiān)測(cè)范圍時(shí)，3煤底板砂泥巖地層，其電阻率值相對(duì)均勻，總體在100～250，局部存在一定的差異，可以作為背景電性剖面。前期實(shí)驗(yàn)研究揭示，巖層變形至破壞過程中，隨著裂隙發(fā)育程度增加，其導(dǎo)電性減弱，測(cè)試視電阻率值增大，兩者呈正相關(guān)關(guān)系，這些為后續(xù)采動(dòng)中巖層變形與破壞對(duì)比分析提供基礎(chǔ)。

圖2　監(jiān)測(cè)斷面視電阻率背景剖面圖

2) 采動(dòng)變化過程

根據(jù)工作面回采進(jìn)度，結(jié)合斷面控制范圍，進(jìn)一步獲得不同時(shí)間點(diǎn)底板巖層電性分布特征。圖3為測(cè)試過程中選取的幾幅變化過程中的斷面視電阻率剖面，這段時(shí)間工作面共推進(jìn)80.6m，平均推進(jìn)速度為每天2.9m。為了突出底板巖層受采動(dòng)影響的變化特征，將每天的視電阻率測(cè)試分布與背景值對(duì)比，后期的視電阻率值剖面圖較好地反應(yīng)了底板巖層電性參數(shù)的變化，其特征明顯。

可以看出，當(dāng)工作面剛推進(jìn)到監(jiān)測(cè)區(qū)域，底部巖層整體視電阻率值出現(xiàn)變化，分析為受采動(dòng)影響(圖3a)。圖3b中局部視電阻率值繼續(xù)增加，特別是在構(gòu)造影響區(qū)段，其裂隙發(fā)育顯著，在底板深度14.5m以淺巖層變形與破壞特征相對(duì)明顯。圖3c中巖層視電阻率分化較為明顯，與背景值比較表明，巖層變形與破壞后視電阻率值增加的反映特征更為清晰，局部視電阻率值達(dá)到1 000Ω·m以上，其中在深度14.9m內(nèi)的砂泥巖組成的亞關(guān)鍵層部位，視電阻率值變化相對(duì)突出，底板擾動(dòng)破壞深度基本穩(wěn)定，應(yīng)力狀態(tài)已達(dá)平衡。

a. 2月8日斷面視電阻率剖面圖

b. 2月23日斷面視電阻率剖面圖

c. 3月3日斷面視電阻率剖面圖圖3　斷面測(cè)試變形過程對(duì)比剖面

3) 底板破壞特征

結(jié)合巖層背景電阻率值大小，以及巖層變形與破壞過程中電阻率值的變化，可確定巖層破壞的電性判斷經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。由圖可知：工作面底板下方15.3m內(nèi)巖層視電阻率值差異大，其變化達(dá)1.0～3.0倍，較背景值相差數(shù)倍，分析為裂隙發(fā)育所致，特別是底板深度5～8m內(nèi)，電阻率值變化多在2.5～3.0倍以上，可以看作底板破壞強(qiáng)烈段；而底板下方15.3m以下深的巖層，測(cè)試過程中電阻率值整體保持不變，局部稍有變化，可以看成未發(fā)生破壞區(qū)域。對(duì)于1#鉆孔周邊電阻率明顯偏大的區(qū)域，分析是前期鉆孔施工過程中導(dǎo)致的電極與圍巖之間耦合不佳。由于1、2#監(jiān)測(cè)孔頂部上方存在三條小斷層，從而導(dǎo)致原本理論上應(yīng)該從鉆孔端破壞的區(qū)域變化很微弱，斷層帶附近卻出現(xiàn)明顯破壞擾動(dòng)，推測(cè)可能是由于應(yīng)力變化不均導(dǎo)致。根據(jù)底板破壞巖層視電阻率值典型特征，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件，認(rèn)為3煤層開采過程中底板巖層變形與破壞的最大深度為15.3m左右，且完整段和斷層影響段差異較大，完整段破壞深度略小，為12m左右。

2　結(jié)論

1) 3煤層頂分層開采煤厚3.0m，開采過程中底板破壞帶深度為12～15.3m，該段巖層電阻率值整體較高，基本上超過背景電阻率值1.5倍以上，有的甚至達(dá)到3倍以上，為典型的巖層破壞特征。

2) 受斷層影響帶與無(wú)構(gòu)造區(qū)段破壞深度有一定的差異，其中斷層影響帶采動(dòng)過程中底板破壞深度值在15.3m左右，較完整段略深。

3) 本次測(cè)試所獲得的底板巖層破壞特征值對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義，可為煤礦防治水技術(shù)參數(shù)利用提供對(duì)比。對(duì)于A組煤層為首次測(cè)試，其可對(duì)比性有限，建議后續(xù)增加工作面實(shí)測(cè)值，提高分析精度。

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(責(zé)任編輯：李麗)

Detection Analysis on theFloor DamageRule from Working Face Mining by Drilling Electrical Method

JIANG Fa-wen1，HUANG Hui1，WU Heng1，HAN Bi-wu1，LIU Liang1，F(xiàn)U Mao-ru2

(1. Huainan Mining Industry (Group) Co. Ltd, Huainan, Anhui 232001，China；2. School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232001，China)

The deformation characteristics and failure laws of floor rock of the working face can be detected and judged comprehensively by means of geophysics methods in the process of mining. No. 3 coal seam is close to the floor limestone layer of Panbei mine in Huainan, so the borehole electrical resistivity testing system was arranged in the floor roadway at the scene. The changing procedure parameters of rock stratum resistivity value in the floor of working face during mining are gained according to the real-time monitoring with the coal bed mining progress. And the failure characteristics and laws of rock can be contrasted and analyzed with the combination of the background resistivity value of rock in the floor. The inspecting results show that the damage depth of top slice mining of No. 3 coal seam is about 14.5 m, and the obtained result is dynamic and reliable.

floor damage depth； drilling electrical method； resistivity

2015-06-16

蔣法文(1961-)，男，安徽淮南人，高級(jí)工程師，本科，現(xiàn)任淮南礦業(yè)集團(tuán)副總工程師，研究方向：礦井地質(zhì)。

TD163

A

1672-1098(2016)03-0064-05