電阻率法實測導水裂隙帶高度技術研究及應用

常浩宇

(長治三元中能煤業有限公司,山西 長治 046000)

實測煤層開采后上覆巖層形成導水裂隙帶高度對于煤礦安全生產具有重要的意義。目前對導水裂隙帶發育高度的研究主要分為理論計算法和實測法,理論計算法主要通過經驗公式估算裂隙發育高度,由于各個礦區地質條件和開采方式的不同,計算結果一般只能用作參考值。實測法又分為物探法和封孔注水觀測漏失量法,電阻率測試法屬于物探法。電阻率測試法利用煤系地層中不同類別巖石地層的電阻率差異及煤層開采后頂板巖層裂隙發育引起的電阻率變化,對覆巖破壞過程進行監測分析[1-3]。

根據下霍煤礦工作面回采情況,將電阻率測試法“三帶”觀測系統布置在2303放頂煤回采工作面回風巷,通過監測回采過程中各標高地層的電位變化情況,分析控制區域的電性分布變化特征,得出3號煤層采后頂板巖層破壞情況和裂隙發育高度[4]。

1 2303工作面開采概況

1.1 工作面開采技術條件

下霍煤礦3號煤平均埋藏深度530 m,2303回采工作面布置于二采區[5],工作面北部、西部為村莊保護煤柱,東部為2302工作面采空區,如圖1所示。

圖1 2303回采工作面布置示意

2303工作面采用低位放頂煤采煤方法,頂板管理為全部垮落法,煤層厚度平均5 m,煤厚穩定,距離煤層底板0.6 m處有1層厚度為0.2 m較為穩定的夾矸[6]。

1.2 覆巖地層結構分析

根據2303工作面內地質鉆孔地層柱狀圖綜合分析,3號煤層覆巖為中、細砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖交互沉積的層狀基巖地層,沉積比較穩定,對3號煤層頂板巖層裂隙的發育具有良好的抑制作用[7],根據地質報告中巖石力學試驗結果,本井田內3號煤層頂板為中硬型覆巖力學結構,上覆地層巖性統計如表1所示。

表1 3號煤層上覆地層巖性統計

1.3 綜放工作面“三帶”發育模型

綜放工作面縱向及工作面推進方向上方覆巖結構“三帶”發育過程示意[8-9]如圖2所示。

圖2 綜放工作面縱向覆巖“三帶”發育示意

2 電阻率實測法的施工準備和步驟

2.1 鉆孔施工

電阻率法試驗時通常在回采巷道中往頂板施工1個終孔高度大于導水裂縫帶預計高度的鉆孔,鉆孔施工布置地點一般距正在回采的工作面250～350 m以上,以避免采動影響。將電極布設于孔內,然后注漿封閉確保電極點與孔壁耦合良好[10]。在回采工作面向試驗鉆孔方向逐漸推進的過程中,孔內電極將電性參數傳輸到系統并存儲下來,通過這些數據分析巖層裂隙發育情況及動態變化過程。

2.2 裝置布設和數據采集

煤層頂板原始地電場特征可在采動影響前獲得,在開采期間定期接收鉆孔內布置的電極數據,可得到頂板巖層在受采動影響下的電阻率值連續變化圖像,通過比較地電場變化情況,分析得到圍巖裂隙發育規律[11]。若電阻率值沒有明顯變化,則裂隙不發育,即為未破壞區;若電阻率值明顯升高,說明裂隙發育,升高的幅度越大,裂隙發育越完全。

高密度電阻率法是集電測深法和電剖面法于一體的一種多極距、多裝置的組合方法,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。

3 2303工作面“兩帶”高度計算及實測

3.1 經驗公式計算

2303工作面平均煤厚為5 m,根據《煤礦防治水手冊》綜放開采”兩帶”高度計算經驗公式[12-14],見表2,結合3號煤層頂板巖性為中硬型覆巖力學結構,帶入計算,結果表明2303綜放工作面最大垮落帶高度為27 m,最大裂縫帶高度72 m,最大導水裂縫帶高度為99 m,裂高/采厚為19.8.

表2 綜放開采“兩帶”高度經驗公式

3.2 觀測鉆孔布置及參數選取

綜合考慮煤厚、地質構造、探測地點與工作面的距離等因素,將觀測鉆孔布置在2303工作面回風巷,觀測鉆孔開孔位置位于X22Y2導線點前27 m處,如圖3所示。保證鉆孔內電極初始采集數據為頂板較完整時的電性參數。

圖3 觀測鉆孔布置平面圖

為了保證實測數據的可靠性,根據計算結果及觀測系統安裝技術要求,2303工作面觀測鉆孔設計參數如表3所示。

表3 觀測鉆孔參數

探測鉆孔施工后可以通過測斜獲取鉆孔實際軌跡和相對方位,如圖4所示。紅色實線為實際鉆孔曲線,藍色為設計鉆孔曲線。測斜結果表明觀測鉆孔的終孔距煤層頂板最大垂高為114.92 m,能夠滿足測試需求。

圖4 鉆孔測斜結果

3.3 觀測系統安裝

用膠帶將PVC管和電法大線送入觀測孔內,待安裝完畢后對鉆孔進行注漿封孔。鉆孔施工中需二次注漿,第一次是開孔10 m左右鉆進與注漿,安裝孔口管與應急閘閥,主要為方便后續的鉆孔注漿工作以及掃孔安裝測試系統[15]。第二次是鉆孔打到預定位置后需進行鉆孔測斜,如果鉆孔參數符合設計要求,待傳感器安裝完畢則進行全孔注漿,全孔注漿時,排氣管必須返漿,確保電極耦合效果,本次測試共安裝58個電極,電極距2.2 m.

3.4 數據采集

工作面頂板巖層背景值的采集在觀測系統安裝完成后進行,此時回采工作面距離孔口位置216 m.最終工作面回采到距離鉆孔孔口30 m位置(到達停采線位置),共采集有效電法數據13組。采集數據與工作面位置關系如表4所示。

表4 鉆孔電法數據采集情況

3.5 成果分析

選取有變化規律的圖像剖面進行對比,剖面圖以藍綠色為較低電阻率值區,紅色為較高電阻率值區。巖層變形與破壞程度越大反映出的電阻率值越高,從而根據電阻率值的高低進行頂板巖層變形與破壞的規律解釋[16]。

2021年6月29日探測電阻率成果見圖5.以當日測得的視電阻率值作為頂板巖層電阻率背景值,反映了未受采動影響的正常段砂巖層的電阻率值。

圖5 6月29日探測電阻率背景值圖

2021年8月29日至9月11日觀測電阻率結果見圖6.此時工作面切眼距孔口位置由40 m到30 m,工作面共推進10 m,觀測段已基本回采完畢,此時觀測剖面電阻率值呈現明顯的分帶現象,表明在老空區頂板近煤層頂部巖體位移量較大,垮落帶發育。

圖6 9月11日探測電阻率結果圖

考慮到工作面回采結束后,頂板垮落帶、導水裂隙帶不會立即發育完全,由于該監測鉆孔布置在工作面停產線之后,有條件進行后續穩定數據采集工作,故在2022年2月18日,采集穩定后數據探測電阻率結果見圖7.結合之前結果進一步對比分析可知,工作面頂板上方20 m內,顯示為高電阻率值,說明頂板巖層冒落,為垮落帶;巷道頂板上方20～80 m范圍為裂隙發育特征;垂高80 m以上,電阻率值與背景值相比變化不大,裂隙不發育。

圖7 2022年2月18日探測電阻率結果圖

3.6 可靠性評價

下霍煤礦周邊王莊煤礦、高河煤礦等同屬潞安礦區,開采煤層均為二疊系下統山西組3號煤層,開采地質條件相似,這些礦井都開展過厚煤層開采覆巖破壞高度的現場實測,如表5所示。

表5 周邊礦井導水裂隙帶高度實測數據

采用數學回歸分析方法對潞安礦區導水裂隙帶高度實測數據進行分析,如圖8所示。得到導水裂隙帶發育高度計算公式如下:

圖8 潞安礦區導水裂隙帶高度實測數據回歸分析圖

H=15.2h+6

式中:H為導水裂縫帶發育高度,m;h為采高,m.

上式已在潞安礦區高河煤礦、霍爾辛赫煤礦、王莊煤礦以及郭莊煤礦等礦井得到了應用,實踐證明該經驗公式符合潞安礦區開采地質條件。采用本公式計算2303工作面導水裂隙帶發育高度,結果為82 m,裂高/采厚為16.4,與視電阻率實測法的結論十分接近,說明試驗結論是可靠的。

4 結 語

1) 電阻率測試法在回采工作面未受采動影響區域提前施工探測鉆孔,布設電阻率觀測系統,隨著工作面的推進,對頂板巖層視電阻率進行連續監測,通過對觀測區域采前、采中、采后不同時空電阻率數據的分析,得出“三帶”高度發育實測值。相較封孔注水觀測漏失量等“三帶”高度實測方法,電阻率測試法具有工程量小、成本低、可以對頂板巖層破壞進行連續監測等優點。

2) 綜合分析電阻率值變化特征,可以判斷2303工作面采后垮落帶發育高度為工作面頂板上方0～20 m,導水裂縫帶高度為工作面頂板上方20～80 m,彎曲下沉帶為工作面頂板上方80 m至地表,垮高/采厚比為4,裂高/采厚比為16,經過可靠性評價,證明試驗結果是可靠的。

3) 本次“三帶”發育高度實測成果適用于二采區2303工作面正常地質地段以及類似地質結構區域,對于綜采工作面構造及陷落柱發育地段,其“三帶”發育高度會相應增大,則本次實測參數僅作為安全生產的參考指標。