淺部煤層開采對(duì)斷層活化影響研究

吳新慶，吳 杰，丁順華，王海東，康 征，孫 嶺

(1.淄博礦業(yè)集團(tuán)許廠煤礦，山東 濟(jì)寧 272173；2.山東淄博市高青縣高城鎮(zhèn)鎮(zhèn)委辦，山東 淄博 256300)

淺部煤層開采對(duì)斷層活化影響研究

吳新慶1，吳 杰2，丁順華1，王海東1，康 征1，孫 嶺1

(1.淄博礦業(yè)集團(tuán)許廠煤礦，山東 濟(jì)寧 272173；2.山東淄博市高青縣高城鎮(zhèn)鎮(zhèn)委辦，山東 淄博 256300)

為了研究淺部煤層回采對(duì)斷層活化影響規(guī)律，評(píng)估斷層活化對(duì)工作面回采安全的影響程度，以許廠礦3336綜放工作面的F1斷層為研究對(duì)象，隨著采掘工作的推進(jìn)，采用并行電法對(duì)其活化情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)視電阻率變化特征分析得出：斷層隨煤層采動(dòng)而被重新激活，但該斷層未與頂板砂巖含水層發(fā)生明顯的連通，為不導(dǎo)水?dāng)鄬樱虼嘶罨瘮鄬踊静挥绊懝ぷ髅婊夭砂踩?/p>

斷層；活化；電法；監(jiān)測(cè)

Abstract: In order to study the influence of shallow seam mining on the activation of faults and to assess the impact of fault activation on safety in the working face,taking F1 fault of 3336 fully mechanized caving face in Xuchang Coal Mine as the object of study，with the advancement of mining work，the parallel electric method is used to dynamically monitor its activation. According to the change characteristic of the apparent resistivity, it is analyzed and the result shows that the fault is re-activated with the coal mining.However, the fault doesn’t connect obviously with the aquifer of sandstone roof,it’s water-noncondutive, so the activation fault basically does not affect the mining safety of the working face.

Keywords:fault; activation; electrical method; monitoring

0 引言

大量工程實(shí)例表明，原始地質(zhì)條件下斷層與含水層直接溝通，構(gòu)成導(dǎo)水?dāng)鄬拥耐凰鹿时壤^小，而絕大多數(shù)是原始地質(zhì)條件下的非導(dǎo)水?dāng)鄬樱诓蓜?dòng)影響下發(fā)生突水，即斷層發(fā)生活化導(dǎo)水。例如我國煤礦開采歷史過程中發(fā)生的很大一部分頂板突水事故都是由于煤層開采過程中隨著采掘應(yīng)力環(huán)境的變化，斷層活化導(dǎo)通頂板含水層造成的。此外斷層活化對(duì)采煤的影響還體現(xiàn)在斷層帶附近的“兩帶”發(fā)育高度比正常地區(qū)有較大的增長(zhǎng)。如在水體下開采的工作面，在開采過程中比正常塊段更容易引起礦井突水事故。因此，在煤層回采過程中對(duì)斷層活化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，開展煤層回采對(duì)斷層活化影響規(guī)律研究，評(píng)估斷層活化對(duì)工作面回采安全的影響程度，對(duì)防治煤礦水害事故，保障煤礦安全生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。本文以許廠煤礦330采區(qū)3336工作面為研究地質(zhì)單元，采用并行電法對(duì)F1斷層兩盤位移進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，研究F1斷層活化隨時(shí)間及回采位置等因素的演變規(guī)律，評(píng)估F1斷層活化對(duì)工作面回采的影響程度。

1 許廠煤礦3336工作面概況

3336工作面位于330西翼采區(qū)，所采煤層為3下煤。工作面標(biāo)高位于-200.7～-346.6 m，對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為+40.3～+40.7 m。工作面位于330向斜北翼，330向斜軸線位于X-2至A1-3孔一線，東翼傾角較大約24°～30°，西翼在軸部附近傾角約20°。根據(jù)工作面兩順槽實(shí)際揭露情況分析，有2條斷層影響工作面回采，即F1、F2斷層，落差依次為1.3 m、1.7 m，傾角72°、55°，傾向263°、318°，由于落差較小，預(yù)計(jì)對(duì)工作面回采影響較小。根據(jù)相鄰巷道及工作面實(shí)際揭露情況分析，預(yù)計(jì)3336工作面正常涌水量為5 m3/h?？紤]3323皮帶順槽施工期間3下煤層頂板砂巖含水層突水，實(shí)測(cè)最大涌水量40 m3/h，預(yù)計(jì)3336工作面最大涌水量為40 m3/h。斷層F1為一傾角72°，落差1.3 m的正斷層。在巷道揭露過程中，斷層及圍巖發(fā)育一定裂隙，斷層內(nèi)部膠結(jié)較好。

圖1 3336工作面位置示意圖

構(gòu)造名稱傾角/翼傾角(°)性 質(zhì)落差(m)對(duì)回采的影響F172正斷層1.3較小F255正斷層1.7較小DF7074正0～35

2 電場(chǎng)預(yù)警監(jiān)測(cè)理論基礎(chǔ)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證煤層開采過程中斷層的活化規(guī)律，對(duì)3336工作面進(jìn)行并行電法預(yù)警監(jiān)測(cè)研究，動(dòng)態(tài)監(jiān)控煤層開采過程中底板激勵(lì)電流、電位、視阻率等相關(guān)地球物理場(chǎng)參數(shù)及其變化情況，由此來分析斷層的活化特征[1]。

本次研究采用WBD型并行電法儀系統(tǒng)，其最大優(yōu)勢(shì)在于任一電極供電，可在其余所有電極同時(shí)進(jìn)行電位測(cè)量，采集數(shù)據(jù)效率比傳統(tǒng)的高密度電法儀有大大提高。該系列儀器將并行采集技術(shù)和先進(jìn)的通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)成了并行電法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電法數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程獲取和智能控制[2]。參見圖2。

電法儀主要組成單元有：電流采集單元、電位采集單元、指令控制單元、通訊單元。指令控制單元是整個(gè)儀器的調(diào)度核心，負(fù)責(zé)向電流采集單元發(fā)送采集、存儲(chǔ)、上傳指令，接收并傳達(dá)通訊單元所發(fā)送的指令。儀器有內(nèi)置時(shí)鐘，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)開機(jī)和關(guān)機(jī)，如果在采集數(shù)據(jù)時(shí)斷電，能夠智能檢測(cè)系統(tǒng)供電情況，供電正常儀器自動(dòng)啟動(dòng)并繼續(xù)完成斷電前的工作，適應(yīng)井下因瓦斯超限或其它原因斷電的情況[3]。

3 斷層活化電法監(jiān)測(cè)

3.1 底板監(jiān)測(cè)孔布置與施工

2號(hào)監(jiān)測(cè)鉆孔位置布置在3336工作面外段皮帶順槽，距373點(diǎn)28 m。施工鉆孔的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見圖3所示 ，受現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工條件限制，實(shí)際技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)鉆孔參數(shù)表

2號(hào)監(jiān)測(cè)孔為俯角孔，鉆孔實(shí)際俯角為-5°，方位角12°。結(jié)合鉆探所獲得的鉆孔資料，對(duì)孔中各個(gè)電極布置進(jìn)行了合理安排，圖3為鉆孔地質(zhì)剖面圖。具體來說，鉆孔中擬布置32個(gè)電極，電極間距為1.5 m，1號(hào)電極距離孔口2 m，受鉆孔實(shí)際深度限制，孔內(nèi)實(shí)際埋入電極數(shù)為21個(gè)，控制孔深30 m。監(jiān)測(cè)控制區(qū)域?yàn)?下煤和鉆孔所構(gòu)成的三角形區(qū)域，控制平距延煤層走向距離為29 m，可滿足F1斷層受采動(dòng)影響的活化特征探測(cè)要求。

圖2 斷層活化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖

圖3 2#斷層監(jiān)測(cè)鉆孔布置平面圖

圖4 2#斷層監(jiān)測(cè)鉆孔地質(zhì)剖面圖

4.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3336工作面2號(hào)測(cè)試系統(tǒng)于2010年6月17日安裝完畢，2016年7月14日第一次進(jìn)行孔中電法數(shù)據(jù)采集，截止2016年8月28日工作面回采至孔口最后一次采集，表3為2號(hào)斷層監(jiān)測(cè)鉆孔的回采退尺與測(cè)試時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，目的是通過與回采進(jìn)度數(shù)據(jù)相結(jié)合，可進(jìn)一步分析采動(dòng)超前壓力等基本特征?，F(xiàn)場(chǎng)每天實(shí)際采集數(shù)據(jù)3組，其中AM數(shù)據(jù)2組，ABM數(shù)據(jù)1組，目的是加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)采集有效性的驗(yàn)證[4]。

表3 2號(hào)斷層監(jiān)測(cè)鉆孔電法數(shù)據(jù)采集情況表

圖5 2號(hào)孔7月14日視電阻率觀測(cè)結(jié)果剖面圖

4.3 結(jié)果分析

圖5～圖6分別為3336工作面2號(hào)斷層活化觀測(cè)孔于2016年7月14日和2016年7月15日所觀測(cè)的視電率剖面。由于這兩日工作面回采位置距離孔口62.4 m，遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)區(qū)，故可將該兩日視電阻率剖面作為背景視電阻率。從這兩日的測(cè)試剖面來看，視電阻率分布特征完全一致，且其大小分布在400 Ω·m以內(nèi)，反映了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集方面是穩(wěn)定的，為斷層活化特征監(jiān)測(cè)提供了有力基礎(chǔ)[5]。

圖6 2號(hào)孔7月15日視電阻率觀測(cè)結(jié)果剖面圖

圖7～圖12分別為3336工作面2號(hào)斷層活化觀測(cè)孔于2016年7月19日、7月21日、7月24日、7月26日、7月28日和8月3日所觀測(cè)的視電率剖面。從這個(gè)階段的視電阻率剖面來看，監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)三個(gè)影響區(qū)的視電阻率分布相對(duì)背景電阻率變化較小，表明監(jiān)測(cè)區(qū)巖層受采動(dòng)影響較小。

圖7 2號(hào)孔7月19日視電阻率觀測(cè)結(jié)果剖面圖

圖8 2號(hào)孔7月21日視電阻率觀測(cè)結(jié)果剖面圖

圖9 2號(hào)孔7月24日視電阻率觀測(cè)結(jié)果剖面圖

圖10 2號(hào)孔7月26日視電阻率觀測(cè)結(jié)果剖面圖

圖11 2號(hào)孔7月28日視電阻率觀測(cè)結(jié)果剖面圖

圖13為3336工作面2號(hào)斷層活化觀測(cè)孔于2016年8月5日所觀測(cè)視電阻率剖面。與背景對(duì)比可見，該日監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)視電阻率分布特征發(fā)生了一定程度的變化，其中，套管影響區(qū)內(nèi)局部電阻率值升高，而煤層影響區(qū)內(nèi)電阻率值則降低，分析為煤層開采引起的超前應(yīng)力場(chǎng)作用所致。斷層監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)視電阻率分布未有明顯的變化，供電電流相對(duì)前期仍有較明顯的改變，表明斷層帶附近應(yīng)力相對(duì)集中。

圖12 2號(hào)孔8月3日視電阻率觀測(cè)結(jié)果剖面圖

圖13 2號(hào)孔8月5日視電阻率觀測(cè)結(jié)果剖面圖

圖14 2號(hào)孔8月14日視電阻率觀測(cè)結(jié)果剖面圖

圖14圖15分別為3336工作面2號(hào)斷層活化觀測(cè)孔于2016年8月14日和8月18日所觀測(cè)的視電率剖面，該段時(shí)間內(nèi)，煤層開采位置逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)區(qū)。從該時(shí)間段內(nèi)視電阻率分布可見，套管影響區(qū)視電阻率特征基本無明顯變化；煤層影響區(qū)受采空引起應(yīng)力場(chǎng)的重新分布及煤層的開采的影響，視電阻率表現(xiàn)出先上升后下降的小幅度變化過程；但斷層影響區(qū)內(nèi)視電阻率分布特征表現(xiàn)出明顯升高，且范圍較大[6]。

圖16中8月21日觀測(cè)電流突然急劇減小，表明該日孔內(nèi)電纜損壞，說明了煤層采動(dòng)一段時(shí)間后，巷道周邊一定范圍內(nèi)頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)已遭到嚴(yán)重破壞，反映了老空區(qū)內(nèi)采動(dòng)應(yīng)力的滯后現(xiàn)象。該時(shí)間段內(nèi)，斷層活化特征明顯，巖層運(yùn)動(dòng)幅度大。

圖15 2號(hào)孔8月18日視電阻率觀測(cè)結(jié)果剖面圖

圖16 3336工作面2號(hào)孔供電電流連續(xù)觀測(cè)結(jié)果圖

4 結(jié)論

本文采用并行電法對(duì)許廠煤礦3336工作面的F1斷層隨時(shí)間及回采位置等因素的變化而活化規(guī)律進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和研究，分析得出的結(jié)論如下：

(1) 供電電流的連續(xù)改變，反映了斷層帶附近巖層內(nèi)部應(yīng)力的相對(duì)集中，說明監(jiān)測(cè)斷層隨煤層采動(dòng)得到重新激活，即斷層活化[7]；

(2) 斷層活化后在回采進(jìn)程通過斷層帶之前，其運(yùn)動(dòng)幅度相對(duì)較小，但在煤層回采穿過斷層帶并逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)區(qū)后，受老空區(qū)內(nèi)巖層破壞，斷層活化特征明顯[8]；

(3) 監(jiān)測(cè)斷層在活化后巖層視電阻率值明顯升高，表明該斷層未與頂板砂巖含水層發(fā)生明顯的連通現(xiàn)象，即該斷層未因煤層開采隨采掘應(yīng)力環(huán)境的變化而導(dǎo)水，本次監(jiān)測(cè)的活化斷層基本不影響工作面回采安全。

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Studyontheinfluenceofshallowcoalseamminingonfaultactivation

WU Xin-qing1，WU Jie2，DING Shun-hua1，WANG Hai-dong1，KANG Zheng1，SUN Ling1

(1.ZiboMiningGroup,XuPlantCoalMine,Jining, 272173,China;2.GaoqingCountyGaochengTownCommitteeOfficeinZibo,Shandong,Zibo, 256300,China)

TD745

A

1672-7169(2017)03-0001-08

2017-06-03

吳新慶(1968-)，男，山東淄博人，大學(xué)畢業(yè)，淄礦集團(tuán)許廠煤礦副總工程師。E-mail：dckwxq@126.com