并行電法探測煤層頂板“兩帶”發(fā)育高度

曹始友，董方營，成文舉，謝瑞斌，石鵬程

(1.棗莊礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277599； 2.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院 山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室，山東 青島 266590； 3.棗莊礦業(yè)集團(tuán)高莊煤業(yè)有限公司，山東 濟寧 277600)

煤層開采使覆巖內(nèi)部應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致巖層變形與破裂，若裂隙貫通頂板含水層，可能引發(fā)頂板突水事故[1]。因此，需要采取有效方法監(jiān)測煤層開采過程中頂板“垮落帶”和“導(dǎo)水?dāng)嗔褞А?簡稱“兩帶”)發(fā)育高度，指導(dǎo)煤礦防隔水煤柱和防砂煤柱留設(shè)[2]。國內(nèi)目前對覆巖破壞的研究主要有理論計算、物理模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等基本方法[3-8]。然而，覆巖變形與破裂不僅受采厚、采深、工作面寬度、斷層和裂隙發(fā)育等因素的影響[9]，還與工作面推進(jìn)情況密切相關(guān)，是一個動態(tài)發(fā)育的過程[10]。因此，必須連續(xù)觀測覆巖的物性特征變化才能掌握各階段巖層的破壞情況。

巖層破裂后電阻率變化較明顯，因此探測煤層開采過程中覆巖電阻率變化特征，是實現(xiàn)對頂板巖層變形與破壞動態(tài)監(jiān)測的可靠手段之一[11-12]。鉆孔“并行電法”是在高密度電法勘探基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的一種現(xiàn)場實測新技術(shù)，屬于直流電阻率法[13]。該方法具備集電測深和電剖面法于一體的多裝置、多極距高密度組合功能，具有多次覆蓋疊加的優(yōu)勢，以及施工簡單、采集效率高、成本低、判定結(jié)果準(zhǔn)確及動態(tài)效應(yīng)強等特點；采集的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行二維和三維電阻率成像解釋[14-16]?？梢蕴綔y工作面頂、底板平面上的低阻含水構(gòu)造和垂向上不同深度地質(zhì)構(gòu)造的分布等，在煤礦開采巖層破壞探測工作中能夠取得較好的效果[16-18]。

采用“并行電法”技術(shù)對高莊煤礦3上303工作面進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。將采集的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行孔內(nèi)視電阻率反演、直流電法超前探測和電極電流比值反演解譯；分析頂板采動變形破壞過程中地球物理參數(shù)變化，確定煤層頂板“垮落帶”和“導(dǎo)水?dāng)嗔褞А卑l(fā)育高度，并分析其發(fā)育規(guī)律。結(jié)合煤礦水文地質(zhì)資料，利用“三下”開采規(guī)范中的經(jīng)驗公式計算“兩帶”發(fā)育高度并與探測結(jié)果相比較。多方法相互驗證旨在精確查明礦區(qū)3上煤層頂板“兩帶”發(fā)育高度及其動態(tài)變化規(guī)律，為頂板水害防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

高莊煤礦隸屬于滕州礦區(qū)，位于山東省濟寧市微山縣境內(nèi)，目前主采3上煤層。3上303工作面南距程圓村約142 m，西距湖東大堤約202 m，東距卓廟村約43 m。煤系地層屬二疊系山西組(P1s)，周邊鉆孔及巷道揭露表明：3上煤層基本頂為粉砂巖、細(xì)砂巖互層，平均厚度69.2 m；直接頂為泥巖，平均厚度2.1 m。煤層厚度為4.58～6.54 m，平均厚度5.3 m，埋深470 m左右，賦存穩(wěn)定，煤巖層傾角為6°～10°，研究區(qū)地層綜合柱狀圖見圖1。工作面內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，東部靠近劉仙莊斷層，采掘過程中可能揭露次生斷層。工作面開采的直接充水水源為頂板砂巖水，間接充水水源為上部侏羅系裂隙水和第四系松散層水。正常地段富水性弱，補給條件較差，但受構(gòu)造影響地段裂隙較發(fā)育，頂板砂巖層富水性相對增強。采掘過程中頂板巖層變形與破壞可能導(dǎo)通含水層，導(dǎo)致頂板砂巖水、構(gòu)造裂隙水等進(jìn)入工作面，威脅煤礦安全開采。

圖1 地層綜合柱狀圖

研究區(qū)周邊煤礦工作面開采實測垮采比、裂采比情況如下：三河口煤礦3下2315工作面垮采比為3.1，裂采比為14.1；付村煤礦3上401工作面裂采比為10.85，3上1003工作面裂采比為13.25；蔣莊煤礦3上603工作面裂采比為12.6。

2 研究方法及物探設(shè)計

2.1 研究方法

研究區(qū)內(nèi)沉積序列清晰，地層相對穩(wěn)定，在橫縱方向上都有固定變化規(guī)律的地、電特性。然而，煤層開采過程中，覆巖破壞導(dǎo)致裂隙大量發(fā)育時會打破地層原有的電性規(guī)律，此時富水區(qū)范圍和煤層變薄區(qū)也與正常煤層間存在電性差異，這為并行電法探測技術(shù)的實施提供了良好的地球物理前提。

在充分分析煤礦地層條件、巖石物理性質(zhì)、水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對3上303工作面進(jìn)行并行電法監(jiān)測。借助煤層頂板鉆孔構(gòu)建孔內(nèi)并行電法監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)工作面不同回采進(jìn)度條件下煤層頂板巖層電阻率的響應(yīng)特征，開展連續(xù)電法監(jiān)測，分析其電流、電阻率數(shù)據(jù)，掌握“兩帶”動態(tài)發(fā)育規(guī)律，最終確定頂板裂隙發(fā)育的最大高度，為工作面安全開采提供依據(jù)。研究技術(shù)路線見圖2。

圖2 研究技術(shù)路線框圖

2.2 物探設(shè)計

測區(qū)鉆孔布置示意圖見圖3。頂板鉆孔布置于3上303運輸巷，開切眼向外150 m處。鉆孔與運輸巷夾角10°、仰角45°、孔深113 m，朝向工作面內(nèi)，控制垂高80 m，控制平距78.9 m。實際施工的鉆孔觀測系統(tǒng)及地質(zhì)剖面見圖4，左側(cè)巖性參照3上煤層礦井綜合水文地質(zhì)柱狀圖。以煤層頂板孔口位置為坐標(biāo)零點，垂直向頂板上方為y軸正方向，代表探測區(qū)域距離煤層頂板的垂直高度；沿鉆孔測線在煤層頂板投影指向開切眼方向為x軸正方向，代表觀測時間對應(yīng)回采工作面距離孔口的位置。觀測孔內(nèi)共安裝43個電極，電極間距1.5 m，孔頂為1號電極，無窮遠(yuǎn)B極布置在巷道外口[19]。

圖3 鉆孔布置示意圖

圖4 鉆孔觀測系統(tǒng)及其地質(zhì)剖面圖

3 物探結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

首先將孔內(nèi)電極按設(shè)計順序連接好，然后布置無窮遠(yuǎn)極(B極與N極)作為電位參照點，A極為供電極，M極為測量極。2020年3月31日進(jìn)行首次電阻率值采集，將其作為孔內(nèi)電法系統(tǒng)的巖層電阻率背景值，為后續(xù)探測剖面對比提供基礎(chǔ)。此時回采工作面距離孔口137.7 m，當(dāng)日開始“兩帶”觀測孔動態(tài)監(jiān)測；截至6月2日采集完最后一組數(shù)據(jù)，此時工作面回采到距孔口6.9 m處，之后孔內(nèi)電法測線被完全破壞。此次孔內(nèi)測線設(shè)備安裝滿足要求，現(xiàn)場共采集有效電法數(shù)據(jù)14組。采集數(shù)據(jù)與工作面位置關(guān)系見表1。對回采位置與測試時間進(jìn)行統(tǒng)計，并與回采進(jìn)度數(shù)據(jù)相結(jié)合，可進(jìn)一步分析采動超前壓力等基本特征。

表1 電法數(shù)據(jù)采集與工作面位置關(guān)系

3.2 孔內(nèi)視電阻率反演結(jié)果

孔內(nèi)視電阻率反演與直流電法超前探測電阻率見圖5(藍(lán)色基調(diào)代表低電阻率值，紅色基調(diào)代表高電阻率值；紅色線框為視電阻率反演結(jié)果，黃色線框為直流電法超前探測結(jié)果)。

(a)3月31日，回采工作面距離孔口137.7 m

(b)4月17日，回采工作面距離孔口83.6 m

(c)4月22日，回采工作面距離孔口77.9 m

(d)4月28日，回采工作面距離孔口68.1 m

(e)5月7日，回采工作面距離孔口57.0 m

(f)5月18日，回采工作面距離孔口39.8 m

(g)5月29日，回采工作面距離孔口16.2 m

(h)6月2日，回采工作面距離孔口6.9 m

圖5(a)為探測電阻率背景值圖。此時回采工作面距孔口137.7 m，鉆孔之間巖層電阻率值在60 Ω·m以下，反映了正常砂巖(40～60 Ω·m)、泥巖(10～40 Ω·m)的電阻率值[11]。

從圖5(b)～(d)可看出距孔口83.6～68.1 m時觀測電阻率結(jié)果，較好地顯示了頂板巖層受采動應(yīng)力超前影響，部分區(qū)域電阻率值由低到高的變化過程?；夭晒ぷ髅婢嗫卓?3.6 m時，孔內(nèi)觀測區(qū)域視電阻率值與背景值相比有一定變化，在水平方向35 m處電阻率值開始升高，位于頂板細(xì)砂巖層位，表明該區(qū)域已經(jīng)受采動應(yīng)力超前影響，最大超前影響距離達(dá)48.6 m；距孔口68.1 m時，受采動應(yīng)力超前影響區(qū)域電阻率值和范圍繼續(xù)變大，水平方向30 m處電阻率值也開始升高，主要位于頂板細(xì)砂巖層位，表明裂隙繼續(xù)發(fā)育，超前影響距離為38.1 m。

從圖5(e)～(f)可看出距孔口57.0～39.8 m時觀測電阻率結(jié)果，隨著工作面回采的推進(jìn)，觀測剖面中高阻區(qū)范圍和電阻率值逐漸增大，表明受采動影響煤層頂板巖體開始逐漸被破壞，垮落帶開始發(fā)育。測線下部高阻區(qū)變得不均勻，說明受應(yīng)力作用巖體結(jié)構(gòu)破壞的同時水文地質(zhì)條件也發(fā)生了變化，這些變化因素疊加在一起，形成電阻率綜合變化效果。

從圖5(g)可看出距孔口16.2 m時觀測電阻率結(jié)果，采動應(yīng)力影響越來越大，頂板上方及前方巖體裂隙繼續(xù)發(fā)育，裂隙相互連通，形成垮落帶。采空區(qū)上方部分區(qū)域電阻率值升高到150 Ω·m以上，觀測范圍內(nèi)出現(xiàn)電阻率分帶現(xiàn)象，通過對比“兩帶”發(fā)育特征勾勒出垮落帶發(fā)育位置曲線，確定垮落帶發(fā)育最大高度為20 m。

從圖5(h)可看出距孔口6.9 m時觀測電阻率結(jié)果，此時觀測段已基本回采完畢，絕大部分頂板巖層位于采空區(qū)上方，此時整個觀測剖面主要呈高電阻率值分布且有明顯的分帶現(xiàn)象。在剖面下部高阻區(qū)比較集中，表明在采空區(qū)形成一定步距后，應(yīng)力集中破壞程度較高，頂板近煤層巖體垮落，垮落帶發(fā)育充分，頂部巖體位移量較大，裂隙區(qū)進(jìn)一步發(fā)育。

3.3 直流電法超前探測結(jié)果

圖5中黃色線框內(nèi)為直流電法超前探測電阻率圖。從圖5(b)～(c)可看出距孔口83.6～77.9 m時直流電法超前探測電阻率結(jié)果，該時間段內(nèi)由于回采工作面沒有進(jìn)入測線探測區(qū)域，視電阻率剖面整體有波動變化，但圖像特征基本一致，各層位特征仍反映正常巖層層位的電阻率值。

從圖5(d)～(e)可看出距孔口68.1～57.0 m時直流電法超前探測電阻率結(jié)果，隨著工作面回采的推進(jìn)，明顯觀測到彎曲下沉現(xiàn)象出現(xiàn)于鈣質(zhì)含礫黏土層位，視電阻率值明顯上升，推測該高度出現(xiàn)真空離層，煤層頂板上方巖體開始逐漸被破壞。

從圖5(f)～(h)可看出距孔口39.8～6.9 m時直流電流超前探測電阻率結(jié)果，在距孔口39.8 m時觀測到54 m范圍內(nèi)視電阻率值開始升高，推斷為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育位置。隨著工作面向前推進(jìn)，采動應(yīng)力影響越來越大，頂板上方及前方巖體裂隙繼續(xù)發(fā)育，觀測范圍內(nèi)煤層頂板上方鈣質(zhì)含礫黏土層位出現(xiàn)電阻率分帶現(xiàn)象。直到工作面開采至距孔口6.9 m時，該范圍一直呈現(xiàn)高電阻率值，但高度不再向上發(fā)育。通過對比“兩帶”發(fā)育特征勾勒出導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育曲線，確定導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育最大高度為54 m。

3.4 電極電流比值反演結(jié)果

電極電流強度變化趨勢相對穩(wěn)定且與工作面推進(jìn)關(guān)系密切，因此可以采用電極電流數(shù)據(jù)進(jìn)行反演。以距孔口137.7 m時電極電流值作為標(biāo)準(zhǔn)值，以工作面推進(jìn)過程中的探測值與標(biāo)準(zhǔn)值之比作為研究參數(shù)。當(dāng)工作面距孔口較遠(yuǎn)時，巖層電阻率值總體較低，孔內(nèi)電極電流值較高；巖層受采動影響后裂隙發(fā)育，電極電流值逐漸變小。

電極電流比值與回采距離動態(tài)變化關(guān)系如圖6所示(所有電流比值結(jié)果圖像均采用統(tǒng)一圖標(biāo)，藍(lán)色為較低電流比值區(qū)，紅黃色為較高電流比值區(qū))。

圖6 電極電流比值與回采距離動態(tài)變化圖

由圖6可見，當(dāng)工作面推進(jìn)至距孔口約85 m時，垂高14 m位置電極電流比值略有降低，可能是受到采動超前應(yīng)力的影響所致。當(dāng)工作面回采至距孔口55 m時，在垂高9～11、24～28、32～43 m內(nèi)電極電流比值均有所降低，說明受采動影響裂隙發(fā)育也較為普遍；隨著工作面回采的推進(jìn)，測線控制范圍內(nèi)巖體受采動影響裂隙發(fā)育范圍逐漸增大，電極電流比值降低范圍也增大，比值降低至0.5左右。當(dāng)工作面回采至距孔口43.0～6.9 m時，整個電極系統(tǒng)電流比值幾乎都顯著降低，部分區(qū)域降至0.2左右。煤層頂板垂高18 m以下部分，在采空區(qū)上方表現(xiàn)為連續(xù)低電流比值，即垮落帶的范圍。

4 頂板“兩帶”發(fā)育規(guī)律綜合分析

4.1 電法探測“兩帶”結(jié)果

煤層開采后頂板巖體結(jié)構(gòu)受應(yīng)力作用視電阻率值不斷升高，且隨著工作面向孔口推進(jìn)，高阻區(qū)也逐漸向孔口移動。根據(jù)3上303工作面運輸巷布置的觀測孔，并行電法探測垮落帶高度和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨纫姳?。

表2 “兩帶”高度對比

由表2可見，電阻率反演和鉆孔電流比值成像結(jié)果基本一致，確定垮落帶高度為20 m，位于中砂巖和泥巖層位；導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?4 m，位于鈣質(zhì)含礫黏土層位。孔內(nèi)探測與直流電法超前探測結(jié)果見圖7。根據(jù)回采剖面圖，工作面平均采高為5.3 m，因此垮采比為3.7，裂采比為10.2。

圖7 孔內(nèi)視電阻率法與直流電法超前探測結(jié)果

4.2 “兩帶”高度對比

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》要求，中厚煤層、中硬型頂板的“兩帶”發(fā)育高度計算公式如下[20]：

(1)

(2)

(3)

式中：M為煤層開采厚度，m；Hli為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?，m；HR為垮落帶高度，m。

計算得到垮落帶高度為14.2 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?6.0 m。

對比周邊三河口煤礦、付村煤礦、蔣莊煤礦3煤層垮采比和裂采比，結(jié)果相近。說明本次探測結(jié)果較為準(zhǔn)確，對“兩帶”發(fā)育高度探測的研究真實可靠。

5 結(jié)論

采用并行電法對高莊煤礦3上303工作面煤層頂板垮落帶、導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ъ础皟蓭А卑l(fā)育情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，得到了工作面回采過程中煤層頂板巖層變形與破壞的全程特征，主要結(jié)論如下：

1)覆巖破壞動態(tài)監(jiān)測采用孔內(nèi)視電阻率法、直流電法超前探測和電極電流比值等方法相結(jié)合，探測反演結(jié)果相互驗證，結(jié)果更加可靠。有效解決了通過地面地質(zhì)探查鉆孔過第四系松散層時探測成孔難、成本高、鉆孔無效段多等問題。

2)探測結(jié)果表明，工作面煤層頂板垮落帶高度為20 m，垮采比為3.7，位于中砂巖和泥巖層位；導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為54 m，裂采比為10.2，位于鈣質(zhì)含礫黏土層位。探測結(jié)果與“三下”開采規(guī)范經(jīng)驗公式計算結(jié)果基本一致。

3)孔內(nèi)視電阻率法反演結(jié)果表明，采動應(yīng)力超前影響距在工作面距孔口83.6 m時最大，為48.6 m，之后采動應(yīng)力超前影響區(qū)域的電阻率值和范圍繼續(xù)變大，但高度不再增加。

4)該探測方法不僅為研究區(qū)煤層頂板“兩帶”高度確定提供了有效方法，而且對相似條件下煤礦開采覆巖破壞特征研究具有一定的參考價值。