基于鉆孔電阻率法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的煤層覆巖瓦斯抽采層位確定
——以李雅莊煤礦為例

侯文光，程久龍，李 達(dá)，張 盼，秦金輝，陳 濤

(1.霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司李雅莊煤礦，臨汾 031400；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

煤與瓦斯共采是瓦斯礦井保證安全、經(jīng)濟(jì)、綠色開(kāi)采的必由之路[1]。礦井瓦斯防治措施的研究對(duì)于降低事故發(fā)生概率和保障礦井安全生產(chǎn)有著極其重要的意義[2]。經(jīng)過(guò)多年的研究與實(shí)踐，許多專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)不同的瓦斯賦存、運(yùn)移情況，提出了一系列的瓦斯抽采技術(shù)措施[3-5]，如何準(zhǔn)確定位瓦斯抽采層位，實(shí)現(xiàn)瓦斯高效抽采卻仍然是困擾煤炭企業(yè)的難題。大量實(shí)踐證明高位抽采鉆孔層位必須位于覆巖裂隙主要發(fā)育范圍內(nèi)才能取得好的抽采效果，如何確定主要采動(dòng)裂隙的發(fā)育規(guī)律和演化特征乃是問(wèn)題的關(guān)鍵。在這方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了諸多研究。宋斌[6]采用Fluent數(shù)值模擬軟件對(duì)比分析高位鉆孔不同抽采層位下瓦斯抽放效果，確定了不同開(kāi)采條件下高位鉆孔最佳布置層位。王磊[7]以瓦斯?jié)B流理論為基礎(chǔ)，以鉆孔抽采周?chē)鲌?chǎng)為徑向流場(chǎng)，建立了鉆孔周?chē)咚沽鲃?dòng)數(shù)學(xué)方程，結(jié)合數(shù)值模擬確定了瓦斯抽采鉆孔的最佳布置參數(shù)。劉桂麗等[8]基于采空區(qū)覆巖裂隙演化特征、裂隙瓦斯運(yùn)移規(guī)律以及高位鉆孔施工工藝研究現(xiàn)狀，從不同通風(fēng)條件下裂隙內(nèi)瓦斯流動(dòng)規(guī)律出發(fā)，提出工作面后方50 m范圍內(nèi)覆巖裂隙發(fā)育狀況是高位鉆孔層位設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，該研究考慮了鉆孔層位設(shè)計(jì)與覆巖裂隙的發(fā)育情況的關(guān)聯(lián)，能夠動(dòng)態(tài)的掌握覆巖裂隙演化規(guī)律，成為解決瓦斯抽采層位問(wèn)題的關(guān)鍵。在采動(dòng)裂隙監(jiān)測(cè)方面，電阻率法是國(guó)內(nèi)外較為先進(jìn)的覆巖裂隙動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)手段，程久龍等[9-10]、Han等[11]利用電阻率法對(duì)覆巖破壞發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了物理模擬和數(shù)值模擬研究，并以具體煤礦工程案例為背景對(duì)覆巖裂隙帶高度進(jìn)行了有效的預(yù)測(cè)。張平松等[12]采用孔巷電阻率法在工作面回采推進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，獲得了“垮落帶、斷裂帶”發(fā)育高度值。這些研究成果為高位瓦斯抽采鉆孔層位的確定奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

現(xiàn)以山西焦煤集團(tuán)霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司李雅莊煤礦2607工作面為研究對(duì)象，綜合考慮2607工作面開(kāi)采面臨的高瓦斯高地應(yīng)力的地質(zhì)條件以及常規(guī)探測(cè)方法在這種地質(zhì)條件下的局限性，選用鉆孔電阻率動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)法，結(jié)合工程實(shí)例，分析采動(dòng)過(guò)程中視電阻率響應(yīng)特征和變化規(guī)律，以期得到覆巖裂隙發(fā)育范圍分布的主要層位，為瓦斯抽采鉆孔施工層位的準(zhǔn)確定位提供重要的工程依據(jù)。

1 工程背景

李雅莊煤礦目前主采2607工作面，該工作面位于六采區(qū)中部右翼，為西南—東北走向，如圖1所示。工作面推進(jìn)方向左側(cè)為2605回采工作面(已回采)，右側(cè)緊鄰F12斷層(平行間距70～300 m)，切巷位置距離2-224探巷90 m。2607工作面煤層屬于二疊系山西組2#煤，節(jié)理較為發(fā)育，平均煤層厚度為3.3 m，預(yù)計(jì)夾矸厚度最薄為0.2 m，最厚為0.3 m，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，瓦斯含量約為7 m3/t，工作面回采期間瓦斯絕對(duì)涌出量可達(dá)30 m3/min以上。煤巖類(lèi)型為半亮型-光亮型。頂板多為細(xì)砂巖或泥巖，水平層理，富含煤紋，含少量白云母片，下部含灰黑色粉砂巖條帶，2607工作面L-4b鉆孔柱狀圖如圖2所示。

圖1 2607工作面布置圖

圖2 L-4b鉆孔柱狀圖

2607工作面回采過(guò)程中，2#煤層復(fù)合型頂板及高地應(yīng)力條件均對(duì)裂隙帶瓦斯高效抽采造成了巨大阻礙，頂?shù)装鍛?yīng)力、煤層瓦斯含量大等問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重制約礦井的安全高效生產(chǎn)。同時(shí)李雅莊礦地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，斷層多，易發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象，因此采用高位定向水平鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，但是整個(gè)抽采過(guò)程中由于難以捕捉裂隙發(fā)育的準(zhǔn)確層位，盲目施工鉆孔不僅經(jīng)常發(fā)生卡鉆、掉鉆的情況，并且瓦斯抽采流量?jī)H有0.1 m3/min，抽采濃度僅為2%，完全無(wú)法滿(mǎn)足礦井瓦斯高效抽采的要求。如何確定高位定向水平鉆孔施工層位，提高瓦斯抽采效率，保持工作面低瓦斯?jié)舛认伦鳂I(yè)，是該煤礦瓦斯有效治理的一個(gè)難點(diǎn)。因此，開(kāi)展覆巖采動(dòng)裂隙帶發(fā)育范圍動(dòng)態(tài)探測(cè)，確定瓦斯最佳抽采層位，確保瓦斯抽采量和濃度達(dá)到生產(chǎn)要求。

2 采動(dòng)覆巖變形破壞與電阻率響應(yīng)特征

2.1 煤層采動(dòng)覆巖變形破壞特征

煤層開(kāi)采后，采場(chǎng)周?chē)幱谄胶鉅顟B(tài)的原巖應(yīng)力被打破，應(yīng)力重新分布，在不斷變化的應(yīng)力場(chǎng)作用下，頂板巖層中原生裂隙擴(kuò)展且伴有新的裂隙產(chǎn)生。隨著工作面的不斷推進(jìn)，采場(chǎng)頂板巖層裂隙經(jīng)歷了擴(kuò)展—壓實(shí)—再擴(kuò)展的過(guò)程，覆巖裂隙發(fā)生有規(guī)律的冒落、斷裂、下沉，自下而上形成了垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[13-14]，如圖3所示。

圖3 采動(dòng)覆巖破壞特征

2.2 覆巖變形破壞與電阻率響應(yīng)特征

巖體產(chǎn)生裂隙造成電阻率的變化是電阻率法監(jiān)測(cè)的依據(jù)，影響巖體電阻率的因素較多，其中與覆巖破壞有關(guān)的因素主要是巖石的裂隙發(fā)育程度、含水性和壓實(shí)程度。若探測(cè)區(qū)域周?chē)霈F(xiàn)裂隙時(shí)，在不含水條件下巖石電阻率會(huì)升高很多，且裂隙越發(fā)育電阻率值越大。如果這些裂隙中含水，由于水具有低電阻率的特征，電阻率會(huì)有所降低，降低的程度與富水性和裂隙的連通性有關(guān)。由于超前支撐壓力作用，巖體會(huì)被壓實(shí)，巖石顆粒間的接觸更為緊密，干燥或弱含水的巖體電阻率一般會(huì)減小，而富水巖體會(huì)因內(nèi)部水被擠壓而使電阻率值略有升高。利用電阻率法監(jiān)測(cè)工作面上覆巖層破壞規(guī)律正是基于巖層破壞引起其電阻率值變化這一事實(shí)。一般情況下，不含水裂隙帶范圍內(nèi)巖體視電阻率是未采動(dòng)狀態(tài)下的2～4倍，垮落帶造成的視電阻率是未采動(dòng)影響下的4～6倍或更高[9]。

3 煤層開(kāi)采覆巖破壞動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工程設(shè)計(jì)

3.1 覆巖裂隙帶高度預(yù)計(jì)

李雅莊煤礦2607工作面頂板巖層以砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖互層為主，為復(fù)合型頂板，且泥巖層厚度占比大，屬于軟-中硬巖層，煤層厚度3.3 m。因此，按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》中有關(guān)導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)公式[15]為

(1)

(2)

式中：Hi為覆巖裂隙發(fā)育高度，m；M為煤層厚度，m。

由式(1)計(jì)算可得煤層開(kāi)采后覆巖裂隙帶高度為(37.2±5.6)m，由式(2)計(jì)算可得煤層開(kāi)采后覆巖裂隙帶高度為46.3 m。兩者取最大值為46.3 m。因此，該工作面覆巖采動(dòng)破壞動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)范圍的最大高度應(yīng)大于46.3 m。

3.2 鉆孔電阻率法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與探測(cè)工程布置

為了掌握2607工作面煤層開(kāi)采后覆巖裂隙全時(shí)空演化特征，綜合考慮李雅莊礦高地應(yīng)力復(fù)雜頂板的地質(zhì)條件，選擇鉆孔電阻率法作為本次覆巖裂隙發(fā)育特征的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法。

鉆孔電阻率法是全空間電法勘探方法，它是在常規(guī)高密度電阻率法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，基本思想是借助于陣列將電測(cè)深與電剖面兩個(gè)系統(tǒng)的多種組合方式集合于一體，并將探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于鉆孔中。其基本原理仍是以地質(zhì)異常體與圍巖的電性差異為基礎(chǔ)，在人工電場(chǎng)的作用下研究其所形成的異常電場(chǎng)和電流的分布規(guī)律。根據(jù)所設(shè)計(jì)的固定極距將數(shù)根電極一次性置于剖面的各測(cè)點(diǎn)上，通過(guò)供電電極向周?chē)橘|(zhì)提供穩(wěn)定的電流，由測(cè)量電極測(cè)得不同位置的電位差值，然后依據(jù)相應(yīng)公式求得該記錄點(diǎn)視電阻率。通過(guò)程控開(kāi)關(guān)選擇不同的電極組合方式和不同極距間隔，可以有規(guī)律地自動(dòng)改變供電電極與測(cè)量電極的距離和位置，可以測(cè)量不同位置與深度的電位差值，快速地完成數(shù)據(jù)的采集。

鉆孔電阻率法相較于常規(guī)高密度電阻率法探測(cè)效果優(yōu)勢(shì)明顯，常規(guī)高密度電阻率法多數(shù)是在整個(gè)工作面回采完之后進(jìn)行覆巖裂隙高度的探測(cè)，整個(gè)過(guò)程是靜態(tài)的，僅僅能捕捉覆巖裂隙發(fā)育的高度，難以捕捉覆巖裂隙的演化形態(tài)及裂隙擴(kuò)展規(guī)律，難以準(zhǔn)確定位瓦斯抽采層位。

選擇在2#煤26071巷距停采線19 m處布置鉆窩A，施工1個(gè)鉆孔，孔號(hào)為1#，具體鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，鉆孔位置平面圖和剖面圖如圖4所示。鉆孔最大控制高度距離煤層頂板64.5 m，大于預(yù)計(jì)高度約18 m，鉆孔終孔點(diǎn)平面投影距離26071巷直線距離16 m。

表1 測(cè)試鉆孔參數(shù)

圖4 26071巷鉆孔1#布置平面圖和剖面圖

數(shù)據(jù)采集儀器為礦用防爆電法系統(tǒng)。鉆孔中電纜使用30芯/1.5 mm的孔中專(zhuān)用高密度電阻率法探測(cè)電纜。根據(jù)所設(shè)計(jì)的裂高探測(cè)精度要求，以2.0 m為電極間距制作專(zhuān)用電纜，測(cè)試電極確保每道電極與對(duì)應(yīng)的內(nèi)芯線連通良好，且內(nèi)芯線兩兩之間互不相通。鉆孔內(nèi)共布設(shè)電極38道，注漿凝固后進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4 煤層開(kāi)采覆巖破壞動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 鉆孔電阻率法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

鉆孔電阻率法測(cè)試裝置安裝成功之后第4天開(kāi)始進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，每間隔2 h測(cè)量一次，直到工作面推進(jìn)到鉆孔附近停止監(jiān)測(cè)，有效測(cè)量次數(shù)達(dá)156次。下面對(duì)工作面推進(jìn)到關(guān)鍵位置視電阻率測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。

圖5為2607工作面開(kāi)采位置距離孔口80 m時(shí)實(shí)測(cè)視電阻率曲線圖。整個(gè)鉆孔視電阻率值變化不大，主要分布在30～60 Ω·m范圍，對(duì)應(yīng)的砂巖層視電阻率略高于砂泥巖層和泥巖層。此時(shí)，煤層開(kāi)采對(duì)鉆孔周?chē)鷰r層的電阻率影響不大，將此時(shí)的數(shù)據(jù)作為背景場(chǎng)值。

圖5 2607工作面開(kāi)采位置距離鉆孔口80 m時(shí)鉆孔視電阻率曲線圖

圖6為開(kāi)采位置距離孔口60 m時(shí)的視電阻率斷面圖。孔深41 m以淺段視電阻率變化不大，但在孔深49～61 m段視電阻率明顯增大，表明該位置巖層處于裂隙明顯發(fā)育狀態(tài)，推測(cè)該區(qū)域內(nèi)巖層結(jié)構(gòu)受超前支撐壓力影響發(fā)生變化，造成巖石裂隙明顯發(fā)育，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)巖石電阻率變大。孔深41～49 m段視電阻率略有增加，說(shuō)明微裂隙發(fā)育。

圖6 2607工作面開(kāi)采位置距離鉆孔口60m時(shí)鉆孔視電阻率曲線圖

圖7為工作面開(kāi)采位置距離孔口39.5 m處的視電阻率斷面圖。孔深41 m以淺段視電阻率變化不大，但在孔深41～69 m段視電阻率明顯增大，且相比于圖4視電阻率大得多，表明該位置巖層處于裂隙明顯發(fā)育狀態(tài)，也說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)巖層結(jié)構(gòu)受超前支撐壓力影響發(fā)生變化，造成巖石裂隙明顯發(fā)育，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)巖石電阻率變大。裂隙發(fā)育范圍隨工作面推進(jìn)進(jìn)一步明顯擴(kuò)大。

圖7 工作面開(kāi)采位置距離鉆孔口39.5 m時(shí)鉆孔視電阻率曲線圖

圖8為工作面開(kāi)采位置距離孔口18.5 m處的視電阻率斷面圖。孔深41 m以淺段視電阻率變化不大，但在孔深41～71 m段視電阻率明顯增大，尤其是41～51 m段視電阻率比前期大得多，表明該區(qū)域內(nèi)巖層結(jié)構(gòu)受超前支撐壓力影響發(fā)生變化，造成巖石裂隙明顯發(fā)育，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)巖石電阻率變大。裂隙明顯發(fā)育范圍隨工作面推進(jìn)進(jìn)一步擴(kuò)大。在孔深55 m處，視電阻率比前期略小，說(shuō)明部分巖層中裂隙有閉合的趨勢(shì)。

圖8 工作面開(kāi)采位置距離鉆孔口18.5 m時(shí)鉆孔視電阻率曲線圖

圖9為2607工作面開(kāi)采位置距孔口不同距離時(shí)鉆孔視電阻率曲線圖。從圖中可以看出孔深41～70 m范圍隨著工作面的推進(jìn)視電阻率逐漸增大，說(shuō)明該段巖層裂隙逐漸發(fā)育。但在47～51、55～57、63～65 m段出現(xiàn)了視電阻率先增大后降低的現(xiàn)象，判斷為巖層裂隙出現(xiàn)先增大后閉合的過(guò)程。在孔深41 m以淺以及71 m位置，采動(dòng)過(guò)程中視電阻率變化不大或采后視電阻率逐漸減小，表明在工作面推進(jìn)過(guò)程中，這些位置的裂隙相對(duì)不發(fā)育或發(fā)育后很快閉合。

圖9 2607工作面開(kāi)采位置距鉆孔口不同距離時(shí)鉆孔視電阻率曲線圖

4.2 覆巖裂隙帶發(fā)育規(guī)律分析

通過(guò)對(duì)2607工作面開(kāi)采過(guò)程中覆巖鉆孔電阻率法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，覆巖裂隙較發(fā)育層位最先出現(xiàn)在孔深49～61 m位置，逐漸發(fā)育到41～69 m位置，表現(xiàn)為視電阻率大大增加；受超前支撐壓力的影響，局部裂隙出現(xiàn)壓實(shí)、閉合，表現(xiàn)為視電阻率相對(duì)減小。隨著工作面的不斷推進(jìn)，受周期來(lái)壓的影響，孔深41～69 m段范圍內(nèi)的巖層電阻率明顯增大，推斷該區(qū)域覆巖裂隙擴(kuò)展、貫通，出現(xiàn)了大面積的塑性破壞區(qū)，該層位適合布置高位鉆孔，因此瓦斯抽采的最佳層位確定為孔深41～69 m(煤層上方垂高26～47.5 m)范圍內(nèi)的巖層。

5 工程應(yīng)用

覆巖裂隙瓦斯抽采應(yīng)用在2618工作面2#煤層2#鉆場(chǎng)開(kāi)展，通過(guò)覆巖破壞鉆孔電阻率法動(dòng)態(tài)探測(cè)得到覆巖裂隙演化規(guī)律和裂隙帶發(fā)育范圍，確定裂隙帶發(fā)育高度26～47.5 m范圍內(nèi)的砂巖層為瓦斯抽采的最佳層位，因此，多分層松軟破碎地質(zhì)條件下高效鉆進(jìn)施工的終孔位置應(yīng)控制在此范圍內(nèi)。定向長(zhǎng)鉆孔工程布置示意圖如圖10所示。

圖10 定向長(zhǎng)鉆孔施工層位布置示意圖

按照定向長(zhǎng)鉆孔施工層位布置方案，采用定向高位長(zhǎng)鉆孔瓦斯高效抽采技術(shù)，在頂板不同層位共施工4個(gè)定向高位鉆孔，不同鉆孔的位置高度和瓦斯抽采效果對(duì)比見(jiàn)表2。從表2各鉆孔的抽采流量及抽采濃度數(shù)據(jù)可以看出，2618-1#鉆孔抽采效果最差，該鉆孔施工層位為2#煤層頂板上22.3 m，不在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)確定的最佳抽采范圍之內(nèi)。2618-2#鉆孔抽采流量及抽采濃度雖然較2618-1#鉆孔有小幅度的增加，但是較2618-3#、2618-4#鉆孔抽采流量及抽采濃度差距明顯，其抽采層位位于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)確定的最佳抽采范圍的頂部，說(shuō)明該層位雖然有裂隙發(fā)育，但貫通效果較差。2618-3#、2618-4#鉆孔抽采效果較好，尤其是2618-4#孔，其抽采流量及抽采濃度均為四個(gè)鉆孔中最高，2618-3#鉆孔位于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)確定的瓦斯抽采最佳層位的偏下方位置，2618-4#鉆孔的抽采層位與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)確定的最佳抽采層位一致，說(shuō)明通過(guò)鉆孔電阻率法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)確定的裂隙帶發(fā)育范圍是適合瓦斯抽采的最佳層位。

表2 不同層位鉆孔瓦斯抽采流量和濃度對(duì)比

6 結(jié)論

(1)鉆孔電阻率法能夠很好地適用高瓦斯高地應(yīng)力的煤層開(kāi)采條件，并且可以彌補(bǔ)常規(guī)探測(cè)方法中無(wú)法掌握裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程的不足，做到全時(shí)空捕捉裂隙發(fā)育過(guò)程，準(zhǔn)確定位覆巖裂隙最佳發(fā)育層位，指導(dǎo)瓦斯高位長(zhǎng)鉆孔層位施工。

(2)通過(guò)鉆孔電阻率法對(duì)覆巖破壞裂隙帶發(fā)育范圍動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)效果的分析，獲得了李雅莊煤礦2#煤層上覆巖層采動(dòng)裂隙演化規(guī)律及裂隙帶發(fā)育高度，確定了裂隙帶發(fā)育范圍26～47.5 m處的巖層為瓦斯抽采的最佳層位。

(3)2618工作面瓦斯抽采應(yīng)用充分驗(yàn)證了鉆孔電阻率動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)法定位瓦斯抽采層位的準(zhǔn)確性，通過(guò)合理地布置瓦斯抽采高位鉆孔大大提高了瓦斯抽采效率，降低了瓦斯抽采成本，為李雅莊礦的安全高效生產(chǎn)提供了重要技術(shù)保障，可在同類(lèi)礦井推廣應(yīng)用。