大采高綜采工作面采場覆巖“兩帶”研究

郭雪勇

（晉城煤業集團趙莊煤業通風管理部，山西長治 046000）

大采高綜采工作面采場覆巖“兩帶”研究

郭雪勇

（晉城煤業集團趙莊煤業通風管理部，山西長治 046000）

通過對趙莊煤業3號煤層地質研究，利用網絡并行電法采集數據，電阻率法勘探，準確地劃分大采高綜采工作面采場覆巖“兩帶”。結果表明：由于斷層構造對頂板巖體的破壞及工作面采動破壞的影響，垮落帶高度有所增加，裂隙帶高度也有增加，其中受斷層影響垮落帶發育高度增加較為顯著。

煤層；網絡并行電法；電阻率法；垮落帶；裂隙帶

大采高綜采是我國緩傾斜厚煤層開采的發展趨勢。近年來的生產實踐表明，在一定條件下大采高綜采能實現高產高效，但大采高綜采覆巖運動引發的地表環境問題日益顯現[1-5]。理論分析和實測結果表明，由于采高的擴大，垮落帶和導水裂縫帶發育高度都將比分層開采明顯增大，傳統的分層開采“兩帶”確定公式已經不適用當前的厚煤層開采，《三下采煤規程》中也沒有收錄綜放、大采高綜采的經驗公式。已有的研究表明，采用傳統的全部垮落法管理頂板，覆巖運移破斷呈現“三帶”形態，從下往上依次是垮落帶、導水裂縫帶和彎曲下沉帶。其中垮落帶和導水裂縫帶(簡稱“兩帶”)高度是水體下安全開采、采空區瓦斯抽放設計的重要依據，是覆巖離層充填技術研究和應用的基礎，是突出礦井解放層選擇和開采設計的基礎，是本煤層、上鄰近層瓦斯抽放設計的基礎，準確地劃分大采高綜采工作面采場覆巖“兩帶”具有重要的現實意義。

1 礦井概況

趙莊礦為高瓦斯礦井，一盤區煤層瓦斯含量7.08m3/t，瓦斯涌出量隨著開采深度的加大而增加。一盤區1301、1302、1303、1304等工作面已經回采完畢，當前正在開采1306大采高綜采工作面。趙莊礦1306工作面位于一盤區，走向長度1 962m，傾斜長度219.5m。開采山西組3號煤層，煤層厚度3.0～5.4m，平均4.48m，煤層傾角1°～8°，平均6°。工作面地面標高1012.8～1 173.8m，煤層底板標高404～516m。

在覆巖“兩帶”高度確定方面，采用并行電法測試技術。在大采高工作面采場礦壓顯現特征研究方面，采用支架壓力記錄儀實測支架工作阻力，分析各個循環的初撐力、加權平均阻力、循環末阻力，明確頂板周期來壓步距、來壓強度。通過支架運轉特性實測分析，開展支架架型、頂梁結構、工作阻力的合理性評價。

2 頂板“兩帶”電場監測原理

在煤層開采過程中，頂板巖層應力分布狀態改變，覆巖運移破斷形成“垮落帶”、“導水裂隙帶”和“彎曲下沉帶”等“三帶”，其中“垮落帶”和“導水裂隙帶”處于巖層移動破壞區域，為本次探測的目標[6-7]。通過開采前的電法背景測試，可得到頂板未破壞時的電阻率圖像；通過開采期間的連續監測，可得到頂板電阻率的連續變化圖像；在工作面回采期間，繼續監測一段時間，可得到其穩定后的電阻率圖像。通過對比不同階段的電阻率變化情況，總結頂板破壞規律。若破壞帶內不含水，則破壞帶的電阻率值會升高，升高的幅度越大，破壞越完全；若電阻率值沒有明顯變化區域，即為未破壞區；若破壞帶內充水，該破壞帶電阻率值會明顯降低。

隨著工作面向鉆孔孔口位置的逐步推進，鉆孔控制下方頂板范圍將經歷不受采動影響的背景電阻率值區、受采動超前影響的超前裂隙發育階段（電阻率變化出現波動），直到煤層開采頂板破壞發育穩定，“三帶”形成（由下到上，電阻率值的顯著分帶現象）。

3 工作面頂板“兩帶”電場監測情況

3.1 現場監測系統布置

測試地點選在1306工作面，1號監測鉆孔孔口位置選擇在13063巷10號橫貫向外20m，2號監測鉆孔孔口位置選擇在13061巷5號橫貫向外5m。在巷道內布置“兩帶”監測鉆場，向頂板施工監測鉆孔，在鉆孔中埋設電極電纜形成電法監測頂板“兩帶”系統，電法儀安裝在巷道孔口后方采集數據。鉆孔布置平面圖，見圖1。

3.2 數據采集

本次探測使用的儀器為網絡并行電法儀，該儀器的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，采集數據效率遠高于傳統的高密度電法儀。網絡并行電法采集電位圖，見圖2。通過AM法和ABM法裝置自動順次切換電極，取得大量的電法數據，不僅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，而且可進行高分辨地電阻率法反演。

3.3 1號孔資料分析

1）背景測試階段。對于頂板裂高監測孔數據，采用高密度電阻率法進行反演，電極裝置采用三極法。此時鉆孔中監測電極安裝結束，工作面距離孔口98.6m，此時探測電阻率分布為頂板巖體背景電阻率，電阻率值總體較低（＜150 Ω·m），其中泥巖段電阻率更低，僅40 Ω·m以下，而砂巖和粉砂巖段電阻率值稍高，達到50～220 Ω·m，其地層巖性變化特征較為明晰，這為后續煤層采動影響時巖層變形與破壞電阻率值對比提供了基礎數據。

2）垮落帶發育形成。頂板0～20m高度范圍內電阻率值升高相對較快，裂隙發育過程明顯，表明垮落帶逐漸形成；頂板20m以上的區域，電阻率值變化相對較小，表明頂板難以隨采隨冒，該處巖層受工作面回采影響較小，裂隙發育相對較少。

3）導水裂縫帶發育形成。根據頂板“兩帶”巖層視電阻率的變化特征，結合該區域的地層條件，1號鉆孔監測區域內，頂板“兩帶”發育高度為：a.垮落帶高度為16m，該段巖層電阻率值整體較高，超過背景電阻率值10倍以上，甚至達到幾千歐姆·米以上，為典型的巖層破壞特征；b.導水裂縫帶高度為58m，該段巖層電阻率值變化不均勻，局部達到幾千歐姆·米以上，且上下溝通特征明顯，為破壞導通區。局部巖層電阻率值在1000 Ω·m以下，其電阻率值顯著增加但未表現出破壞特征；頂板巖層58m以上段電阻率值未見普遍的上升或下降現象，局部受采動影響產生不同程度變化，但其變化倍數較小，其為彎曲下沉帶特點。

3.4 2號孔資料分析

1）背景測試階段。由于2號孔布置在斷層影響區域中，而且在鉆孔電極安裝過程中有出水現象，表明孔中導水裂隙發育，雖然通過鉆孔注漿能將這些導水裂隙局部進行填充，但是在回采過程中，這些導水裂隙的二次破壞張裂影響同樣能影響到頂板兩帶的變化發育。為了突出采動破壞對頂板巖體的影響，因此采用了比值分析處理方法，盡量提取和突出采動破壞影響數據，避免頂板構造導水裂隙的二次破壞影響。圖3和圖4反映了冒落帶的變化發育情況。在圖中藍色（冷色調）代表巖體相關度較好，采動影響變化不大區域；反之紅黃色（暖色調）區域代表相關度差，采動影響較為嚴重的區域。

2）垮落帶形成。由圖3、圖4可知，黃色區域為電阻率升高區域，表明該區域中巖體裂隙發育嚴重，破裂活動劇烈。分析可知，在工作面回采至57m范圍內，煤層頂板0～22m以下比值較高，表明巖體阻值升高相對較快，垮落帶逐漸形成。在頂板22m高度的層位，是比值梯度變化最大的位置，如圖中Y1所示。

在工作面回采范圍內頂板25m以上高度，其頂部電阻率比值相對變小，該區域巖體電阻率變化不大，表明該區域巖體裂隙發育過程相對較慢，頂板裂隙帶發育尚未全面開始，存在局部裂隙發育，圖中Y2主要為該區域頂板巖體局部裂隙發育變化。

3）導水裂縫帶發育形成。煤層頂板0～22m之間的電阻率高比值區域范圍較大，且比值較高，主要在1.3以上，分布范圍大，且比值較高，呈現垮落區的特征。而Y3位于工作面頂板以上59m處，該區域分布范圍相對狹長，且比值范圍1.2～1.3之間，具備煤層頂板裂隙發育特點。

根據頂板“兩帶”巖層視電阻率典型特征，結合區域基本地質條件，分析認為該區域中開采變形與破壞中的“兩帶”高度為：a.垮落帶發育高度為22m，該段巖層電阻率值比值整體較高，比值在1.3以上，為典型的巖層破壞特征，主要發育在煤層頂板鋁質泥巖層位之中；b.導水裂縫帶發育高度為59m，發育層位在2號煤線位置。

5 結論

1）1 號鉆孔兩帶測試結論。根據1號監測孔的觀測分析，由于1306工作面頂板0～16m范圍中的砂巖為控制頂板變形與破壞的關鍵層位，超前影響范圍較大。在采動應力超前作用區域，首先順巖層界面及裂隙面等弱面發育離層，隨回采工作面的逐步推進，裂隙帶發育過程出現周期性變化，在電阻率圖像上也有一定表現。在回采工作面推進以后，采空區周邊裂隙不斷發育，最終形成垮落帶和導水裂隙帶。垮落帶發育的最大高度位于頂板中砂巖與泥巖分界面的上方，而裂隙帶發育的最大高度位于2號煤線下方，主要與巖層厚度及巖性結構變化有關。

2）2 號鉆孔兩帶測試結論。由于2號孔布置在斷層影響區域中，而且在鉆孔電極安裝過程中有出水現象，表明孔中導水裂隙發育，雖然通過鉆孔注漿能將這些導水裂隙局部進行填充，但是在回采過程中，這些導水裂隙的二次破壞張裂同樣能影響到頂板兩帶的變化發育。為了突出采動破壞對頂板巖體的影響，因此采用了比值分析處理方法，盡量提取采動破壞影響數據，避免頂板構造導水裂隙的二次破壞影響。

由于斷層構造對頂板巖體的破壞，加上工作面采動破壞的影響，2號鉆孔垮落帶高度相比1號孔有所增加，裂隙帶高度也有增加，其中受斷層影響垮落帶發育高度增加較為顯著。

參考文獻：

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[3]王家臣.我國綜放開采技術及其深層次發展問題的探討[J].煤炭科學技術，2005（1）：14-17.

[4]王家臣.厚煤層開采理論與技術[M].北京：冶金工業出版社，2009.

[5]弓培林.大采高采場圍巖控制理論及應用研究[M].北京：煤炭工業出版社，2006.

[6]錢鳴高，繆協興，許家林.巖層控制中的關鍵層理論研究[J].煤炭學報，1996，21（3）：225-230．

[7]錢鳴高，許家林.覆巖采動裂隙分布的“O”型圈特征研究[J].煤炭學報，1998，23（5）：466-469.

Study on Two-zone of Overlying Strata on Large-mining-height Fully-mechanized Mining Face

GUO Xueyong
(Ventilation Department,Zhaozhuang Mine,Jincheng Coal Group,Changzhi 046000,China)

On the geological analysis of No.3 coal seam in Zhaozhuang Mine,with data collection by parallel electrical technologyand exploration byresistivitymethod,twozones(cavingzone and fissure zone) of overlying strata on large-mining-height fully-mechanizedmining face were precisely divided.The results showthat the height ofcavingzone and fissure zone increase tosome degree,which is caused by the failure of fault structure on roof rock and ofmining.Especially,the development height of the caving zone caused byfaults increases considerably.

coal seam;parallel electrical technology;resistivitymethod;cavingzone;fissure zone

TD823.9

A

1672-5050（2015）05-0037-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.013

（編輯：樊敏）

2015-06-24

郭雪勇（1984-）,男，山西晉城人，大學本科，工程師，從事煤礦通風管理工作。