礦井工作面開采底板破壞規(guī)律鉆孔電法測試分析

蔣法文 黃暉 吳桁 韓必武 劉亮 付茂如

摘要：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行綜合測試與判斷。淮南潘北礦3煤層距底板灰?guī)r層較近，現(xiàn)場利用底板巷道布置鉆孔電法測試系統(tǒng)，根據(jù)煤層開采進度進行實時監(jiān)測，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)合背景值對比分析獲得了巖層破壞特征規(guī)律認識。結(jié)果表明，該工作面3煤層頂分層開采破壞深度為14.5m左右，其結(jié)果動態(tài)、可靠。

關(guān)鍵詞：底板破壞深度；鉆孔電法；電阻率

淮南礦區(qū)目前正在開采深部A組煤層，其開采中主要受到來自于底板灰?guī)r水的威脅，因此需要查清煤層開采后底板巖層的破壞發(fā)育規(guī)律，正確判定底板受采動影響的破壞深度是精確預(yù)測底板阻水能力的首要條件。上個世紀80年代以來，全國已進行了許多有關(guān)底板采動破壞特征規(guī)律研究的現(xiàn)場觀測。受當時技術(shù)方法等條件的限制，一般是在煤層底板內(nèi)沿傾斜剖面布置鉆孔，終孔于底板法線，每個鉆孔在底部留2.0m裸孔段作為注（放）水觀測點，其余孔段注漿封閉，因而這些現(xiàn)場觀測為點式間斷觀測，難以確切反映底板采動破壞的變化形態(tài)和破壞深度。為了能夠連續(xù)觀測底板破壞過程，深入研究底板采動破壞的動態(tài)變化，準確探測采動破壞深度，張文泉和張紅日等采用鉆孔注水系統(tǒng)進行了底板采動破壞過程的連續(xù)探測研究；劉傳武等采用聲波檢測技術(shù)觀測煤層底板的破壞深度及演化規(guī)律，但受方法本身所限，這些方法在施工難度及探測精度等方面仍存在一定程度的不足。我局與安徽理工大學合作開展了利用工作面底板放水巷道施工頂板鉆孔，布置地電場測試系統(tǒng)，現(xiàn)場原位測試頂部煤層開采過程中底板的變形與破壞特征，利用巖層物性特征變化討論巖層的破壞深度等參數(shù)，取得了相應(yīng)的認識。測試點為潘北礦3煤層開采工作面，該工作面按3煤底板至C1灰?guī)r層的頂板作為隔水層，其隔水層最小厚度為14.12m，因此煤層開采過程中需要獲得相應(yīng)的底板破壞技術(shù)參數(shù)實測值。現(xiàn)結(jié)合工作面回采過程中底板巖層的電性特征監(jiān)測測試內(nèi)容進行闡述，可為煤礦安全開采及水害防治技術(shù)研究提供參考。

1底板鉆孔電法測試

1.1測試技術(shù)原理

孔間電阻率CT法是利用施工在巖層中的鉆孔構(gòu)建測試區(qū)域，進一步獲得地電場在時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，因此孔間電法對于識別巖層破碎、斷層帶、含水變化等特征具有敏感性，其分辨率較高。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，在地面或者是另一鉆孔中設(shè)置一定數(shù)量的接收點，依次激發(fā)源點，在地下產(chǎn)生相應(yīng)的穩(wěn)定電流場，用接收點處測得的電位值來重構(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。

數(shù)據(jù)采集儀器為并行電法儀，該儀器最大優(yōu)勢在于任一電極供電，在其余所有電極同時進行電位測量，可清楚地反映探測區(qū)域的自然電位、一次供電場電位的變化情況，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)進行處理。電阻率三維反問題的一般形式可表示為：

△d=G△m式中：G為Jacobi矩陣；△d為觀測數(shù)據(jù)d和正演理論值d。的殘差向量；△m為初始模型m的修改向量。由于它們變化范圍大，一般用對數(shù)來標定反演數(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△m的算法為

1.2工作面測試布置

測試工作面為潘北礦A組煤采區(qū)首采工作面，走向長度451m，傾向長度108m，設(shè)計采用分層開層，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。老底為細粉砂巖，平均厚度9.44m，性脆易碎，硬度一般?，F(xiàn)場在-490m東翼放水聯(lián)巷左幫鉆窩中專門設(shè)置鉆場，施工底板鉆孔電法探測系統(tǒng)，朝向工作面退尺方向下布置2個傾角不同的鉆孔，其技術(shù)參數(shù)見表1，1#和2#探測孔均為仰角孔，位于同一垂直剖面上，形成有效的探測與監(jiān)測空間。

系統(tǒng)布置時，1#孔中布置64個電極，測線長度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個電極，極距為2m，測線長度94m。兩者所形成的探測區(qū)域完全滿足孔間全電場電性參數(shù)采集及探測技術(shù)要求。圖1為鉆孔地質(zhì)剖面及電極總體布置示意圖。井下測試是在兩孔電極間連續(xù)進行，通過不同位置電極點的組合實施連續(xù)測量，得到不同供電電極、測量電極對應(yīng)深度的電流及電位值。

1.3數(shù)據(jù)采集與分析

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

1）背景電阻率

圖2為測試斷面底板巖層視電阻率成像結(jié)果剖面?？梢钥闯觯诨夭晒ぷ髅孢€未到斷面監(jiān)測范圍時，3煤底板砂泥巖地層，其電阻率值相對均勻，總體在100～250，局部存在一定的差異，可以作為背景電性剖面。前期實驗研究揭示，巖層變形至破壞過程中，隨著裂隙發(fā)育程度增加，其導電性減弱，測試視電阻率值增大，兩者呈正相關(guān)關(guān)系，這些為后續(xù)采動中巖層變形與破壞對比分析提供基礎(chǔ)。

2）采動變化過程

根據(jù)工作面回采進度，結(jié)合斷面控制范圍，進一步獲得不同時間點底板巖層電性分布特征。圖3為測試過程中選取的幾幅變化過程中的斷面視電阻率剖面，這段時間工作面共推進80.6m，平均推進速度為每天2.9m。為了突出底板巖層受采動影響的變化特征，將每天的視電阻率測試分布與背景值對比，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，當工作面剛推進到監(jiān)測區(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，局部視電阻率值達到1000Ω·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突出，底板擾動破壞深度基本穩(wěn)定，應(yīng)力狀態(tài)已達平衡。

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)驗標準。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烈段；而底板下方15.3m以下深的巖層，測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致的電極與圍巖之間耦合不佳。由于1、2#監(jiān)測孔頂部上方存在三條小斷層，從而導致原本理論上應(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，推測可能是由于應(yīng)力變化不均導致。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12～15.3 m，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，有的甚至達到3倍以上，為典型的巖層破壞特征。

2）受斷層影響帶與無構(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）本次測試所獲得的底板巖層破壞特征值對礦井安全生產(chǎn)具有重要的指導意義，可為煤礦防治水技術(shù)參數(shù)利用提供對比。對于A組煤層為首次測試，其可對比性有限，建議后續(xù)增加工作面實測值，提高分析精度。