網絡并行電法探測頂板“三帶”技術研究

劉 湘

網絡并行電法探測頂板“三帶”技術研究

劉 湘

(淮北礦業集團公司祁南煤礦,安徽宿州 234115)

祁南礦綜采342采區工作面巖層移動采用網絡并行電法探測巖層移動,探明工作面煤層回采頂底板圍巖移動變化規律,查明巖層移動的影響范圍及影響程度,為煤層工作面回采及防水煤(巖)柱的留設提供依據,指導礦井的安全與生產管理。

網絡;監測;頂板“三帶”

0 引言

祁南煤礦綜采342工作面位于34采區右翼一區段,工作面上限補15線以南以-300m防砂煤柱線為界、該線以北以-330m防水煤柱線為界;下部為344工作面,該工作面已回采。工作面沿煤層偽傾斜方向布置,里低外高,走向長1190m,傾斜寬185m,煤層總厚2.7～4.2 m,一般2.9～3.8m。煤層傾角10～20°,平均15°。工作面及周邊共發育6條斷層,其中落差大于5m的斷層1條,2.0～4.0m的斷層4條,對工作面回采有影響的斷層3條。監測范圍內無斷層影響工作面回采。

工作面水文地質條件中等,主要受煤系砂巖裂隙水的影響和“四含”水的威脅。根據生產揭露,32煤層頂底板砂巖裂隙含水層補給水源不足,多為靜儲量,多以淋滲水形式進入工作面。工作面“四含”防砂(水)煤柱高度約28～80m,巖性以泥巖、粉砂巖為主,局部有灰白色中粒砂巖;“四含”巖性為礫石、粘土質礫石、粘土夾礫石及粘土質砂為主,富水性相對較弱。工作面西北部外圍約60～140m處分布有四含礫巖區,富水性相對較強。

由于342面上方“四含”富水性較弱,且距基巖面高度僅55m左右,適宜進行井下工作面“裂高”監測的工作,因此選取本工作面采用網絡并行電法進行動態監測,來分析探測煤層開采后頂底板巖層破壞與開采過程之間的動態關系,為今后同類覆巖條件下煤層開采防水煤(巖)柱的留設提供依據。

1 342工作面煤層開采頂底板巖層破壞監測

1.1 網絡并行電法系統

探測使用的儀器為網絡并行電法儀,為安徽惠洲地下災害研究設計院與江蘇東華測試技術有限公司研制的新產品,設計為礦井本安型。最大優勢在于任一電極供電,可在其余所有電極同時進行電位測量,可清楚地反映探測區域的自然電位、一次供電場電位的變化情況,采集數據效率比傳統的高密度電法儀又大大提高,并可實現所有現行的直流高密度電法探測(如溫納二極、三極、四極等)數據反演和高分辨地電阻率法反演。

1.2 網絡并行電法數據解析

1.2.1 高密度電阻率法反演

目前所說的電法CT成像技術,其數據采集使用傳統的高密度電法儀,這類電法儀每次供電僅能得到一個電位值,為串行數據采集系統,其觀測系統及數據序列擬斷面圖如圖1。高密度電阻率法是集電測深和電剖面法于一體的一種多裝置、多極距的組合方法,它具有一次布極即可進行多裝置數據采集,并可進行二維斷面成像,因此得到廣泛應用。

圖1 串行電成像系統數據序列及擬斷面圖

高密度電阻率法可采用的裝置有:溫納二極裝置圖2 (a),溫納三極裝置(w-A)圖2(b),溫納三極裝置(w-B)圖2(c),溫納四極裝置(w-α)圖2(d);溫納偶極裝置(wβ)圖2(e);溫納微分裝置(w-γ)圖2(f)等。

各裝置視電阻公式為:

圖2 高密度電阻率法電極裝置圖

引入裝置系數,則各裝置的視電阻率公式為:

1.2.2 高分辨地電阻率法反演

高分辨地電阻率法采用的基本裝置是單極-偶極裝置(如圖3)。該裝置測量的特點是測量時供電電極C保持不變,測量電極P1P2保持相同間距(2b)移動,對測線進行視電阻率掃描測量,每次測量的記錄點為P1P2的中點。視電阻率計算公式:

圖3 單極—偶極裝置圖

高分辨地電阻率法其實就是以某一電流電極為中心形成電位等位面。當所測的電位發生異常,正好反應地下等位面所構成的薄殼層里的異常。但是,單憑一個供電點所測的異常還不能確定異常的位置,必須依靠更多的信息。這就需要設計空間探測,由不同的電流電極供電,在相應的電位電極觀測到異常,這樣就可按圖解法確定異常的位置和大小,同時也實現了多次覆蓋測量(圖4)。

圖4 高分辨地電阻率法數據解析原理圖

根據等位殼層反映異常的原則,以電流電極為圓心,以發生電位異常的電位電極到電流電極的距離為半徑畫弧,它們在地下的交會影像就是所探測的異常。

1.3 現場布置施工與數據采集

1.3.1 現場布置

根據探測研究內容要求和實際巷道情況,在回風巷距f8點前16m位置3#鉆機窩中布置2個監測鉆孔,鉆孔位置示意圖見圖5和圖6,鉆孔參數如表1。

1#探測孔為仰孔,觀測煤層開采對覆巖破壞的影響,根據鉆孔測斜資料,鉆孔仰角約為35°。根據打鉆情況和鉆孔柱狀圖,所做各電極布置及地質剖面見圖6。監測孔中套管外電極為1#至44#電極。

2#探測孔為俯孔,俯角20°,水平方位角與1#孔一致。用于觀測煤層底破壞深度。根據打鉆情況和鉆孔柱狀圖,所做各電極布置和地質剖面圖見圖5和6。監測孔中套管外電極為45#至64#電極,電極間距4m。

1.3.2 數據采集

1#孔于2008年2月27～28日安裝,2#孔于2008年3月3～4日安裝。孔口位于3#鉆機窩中,2孔孔口位于1 #孔口正下方,1#孔口3煤頂板約1.0m。由于基巖面高度比預計高度明顯偏小,1#孔實際深度約80m,76m處已達基巖面,孔內電纜安裝總長為77.5m,比原設計鉆孔孔深110m減小較多。鉆孔傾角實際為35°。2#孔實際鉆進深度80m,孔內電纜安裝80m。儀器監控站位于鉆孔后70m處4#鉆窩位置。

圖5 探測鉆孔布置平面圖

表1 現場監測鉆孔參數表

圖6 監測孔地質剖面和電極布置圖

數據采集采用現場采集方法。工作面于2008年4月2日開始進行第一次數據采集,于5月26日工作面回采至監測鉆孔孔口位置后采集最后一次數據,共采集33天數據。平均每天采集數據2組以上,以驗證數據采集有效性。

對于采集的數據首先用儀器配套軟件系統進行解編,再用網絡并行電法處理系統進行視電阻率反演。由于煤層高阻值屏蔽影響,電流場在煤層頂底板兩側變化大,在利用雙孔電位進行全空間電阻率反演結果效果不太靈敏,不能準確反映采煤過程對“三帶”的動態變化規律。因此,采用常規高密度溫納三極電阻率法對1#孔、2#孔分別處理,反映煤層開采頂底板巖層破壞情況。由于不同電極接觸不同巖性具有一定的耦合差,并且不同巖層電阻率值有所差異,但由于采用監測手段,因此,可采用視電阻率值的相對變化量來反映巖層破壞情況。以電極耦合穩定后的背景視電阻率值為參照,將不同時間測視的視電阻率值與背景視電阻率相比求取比值,來反映煤層開采對頂底板巖層破壞的動態變化情況。

對于反演結果采用Surfer軟件成圖,再利用Illustrator軟件對視電阻率圖進行地質剖面圖的疊加,以進一步解釋。

2 結語

網絡并行電法技術采用并行電法采集數據,一次布置測線電極,任一對電極供電,可同時測量所有電極電位,極大地降低了干擾電流影響,提高了信噪比。具有連續實時動態監測,成像結果對“三帶”變化反映明顯,可獲得“三帶”發育與采煤過程的動態變化關系,探測費用低等優點。

[1] 柴登榜.礦井地質工作手冊[M].北京:煤炭工業出版社,1986.

[2] 張景海.煤礦安全手冊[M].北京:煤炭工業出版社, 1992.

責任編輯:訾興建

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劉湘(19762),女,安徽蕭縣人,安徽省淮北礦業集團有限公司祁南煤礦地測科助理工程師。