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电阻率法实测导水裂隙带高度技术研究及应用

2024-01-12 64 上传者：管理员

摘要：下霍煤矿采用综合机械化放顶煤的采煤方法开采3号煤层，为了保障采掘活动安全，获取相关开采技术参数，需查明煤层开采后的“三带”发育高度；收集分析了井田二采区地层资料及工作面开采技术条件，用经验公式估算了开采后导水裂隙带发育高度，并决定在2303工作面布置电阻率测试系统对导水裂隙带高度进行实测；在回风巷距回采工作面216 m距离处施工测试钻孔并布设电极，在回采过程中对煤层顶板岩层视电阻率开展监测分析，获得了开采前、中、后期的岩层电阻率数据，分析得到3号煤层开采后实测导水裂隙带高度为80 m,裂采比为16;通过实际应用可知，相比其它测试方法，电阻率测试法具有结论可靠、低成本、易施工等特点。

关键词：
导水裂隙带
放顶煤开采
煤矿防治水
电阻率测试法
裂采比
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实测煤层开采后上覆岩层形成导水裂隙带高度对于煤矿安全生产具有重要的意义。目前对导水裂隙带发育高度的研究主要分为理论计算法和实测法，理论计算法主要通过经验公式估算裂隙发育高度，由于各个矿区地质条件和开采方式的不同，计算结果一般只能用作参考值。实测法又分为物探法和封孔注水观测漏失量法，电阻率测试法属于物探法。电阻率测试法利用煤系地层中不同类别岩石地层的电阻率差异及煤层开采后顶板岩层裂隙发育引起的电阻率变化，对覆岩破坏过程进行监测分析[1,2,3]。

根据下霍煤矿工作面回采情况，将电阻率测试法“三带”观测系统布置在2303放顶煤回采工作面回风巷，通过监测回采过程中各标高地层的电位变化情况，分析控制区域的电性分布变化特征，得出3号煤层采后顶板岩层破坏情况和裂隙发育高度[4]。

1、2303工作面开采概况

1.1 工作面开采技术条件

下霍煤矿3号煤平均埋藏深度530 m, 2303回采工作面布置于二采区[5],工作面北部、西部为村庄保护煤柱，东部为2302工作面采空区，如图1所示。

2303工作面采用低位放顶煤采煤方法，顶板管理为全部垮落法，煤层厚度平均5 m, 煤厚稳定，距离煤层底板0.6 m处有1层厚度为0.2 m较为稳定的夹矸[6]。

图1 2303回采工作面布置示意

1.2 覆岩地层结构分析

根据2303工作面内地质钻孔地层柱状图综合分析，3号煤层覆岩为中、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩交互沉积的层状基岩地层，沉积比较稳定，对3号煤层顶板岩层裂隙的发育具有良好的抑制作用[7],根据地质报告中岩石力学试验结果，本井田内3号煤层顶板为中硬型覆岩力学结构，上覆地层岩性统计如表1所示。

表1 3号煤层上覆地层岩性统计

1.3 综放工作面“三带”发育模型

综放工作面纵向及工作面推进方向上方覆岩结构“三带”发育过程示意[8,9]如图2所示。

图2 综放工作面纵向覆岩“三带”发育示意

2、电阻率实测法的施工准备和步骤

2.1 钻孔施工

电阻率法试验时通常在回采巷道中往顶板施工1个终孔高度大于导水裂缝带预计高度的钻孔，钻孔施工布置地点一般距正在回采的工作面250～350 m以上，以避免采动影响。将电极布设于孔内，然后注浆封闭确保电极点与孔壁耦合良好[10]。在回采工作面向试验钻孔方向逐渐推进的过程中，孔内电极将电性参数传输到系统并存储下来，通过这些数据分析岩层裂隙发育情况及动态变化过程。

2.2 装置布设和数据采集

煤层顶板原始地电场特征可在采动影响前获得，在开采期间定期接收钻孔内布置的电极数据，可得到顶板岩层在受采动影响下的电阻率值连续变化图像，通过比较地电场变化情况，分析得到围岩裂隙发育规律[11]。若电阻率值没有明显变化，则裂隙不发育，即为未破坏区；若电阻率值明显升高，说明裂隙发育，升高的幅度越大，裂隙发育越完全。

高密度电阻率法是集电测深法和电剖面法于一体的一种多极距、多装置的组合方法，一次布极即可进行多装置数据采集，并可进行二维断面成像。

3、2303工作面“两带”高度计算及实测

3.1 经验公式计算

2303工作面平均煤厚为5 m, 根据《煤矿防治水手册》综放开采”两带”高度计算经验公式[12,13,14],见表2,结合3号煤层顶板岩性为中硬型覆岩力学结构，带入计算，结果表明2303综放工作面最大垮落带高度为27 m, 最大裂缝带高度72 m, 最大导水裂缝带高度为99 m, 裂高/采厚为19.8.

3.2 观测钻孔布置及参数选取

综合考虑煤厚、地质构造、探测地点与工作面的距离等因素，将观测钻孔布置在2303工作面回风巷，观测钻孔开孔位置位于X22Y2导线点前27 m处，如图3所示。保证钻孔内电极初始采集数据为顶板较完整时的电性参数。

表2 综放开采“两带”高度经验公式

图3 观测钻孔布置平面图

为了保证实测数据的可靠性，根据计算结果及观测系统安装技术要求，2303工作面观测钻孔设计参数如表3所示。

表3 观测钻孔参数

探测钻孔施工后可以通过测斜获取钻孔实际轨迹和相对方位，如图4所示。红色实线为实际钻孔曲线，蓝色为设计钻孔曲线。测斜结果表明观测钻孔的终孔距煤层顶板最大垂高为114.92 m, 能够满足测试需求。

图4 钻孔测斜结果

3.3 观测系统安装

用胶带将PVC管和电法大线送入观测孔内，待安装完毕后对钻孔进行注浆封孔。钻孔施工中需二次注浆，第一次是开孔10 m左右钻进与注浆，安装孔口管与应急闸阀，主要为方便后续的钻孔注浆工作以及扫孔安装测试系统[15]。第二次是钻孔打到预定位置后需进行钻孔测斜，如果钻孔参数符合设计要求，待传感器安装完毕则进行全孔注浆，全孔注浆时，排气管必须返浆，确保电极耦合效果，本次测试共安装58个电极，电极距2.2 m.

3.4 数据采集

工作面顶板岩层背景值的采集在观测系统安装完成后进行，此时回采工作面距离孔口位置216 m.最终工作面回采到距离钻孔孔口30 m位置(到达停采线位置),共采集有效电法数据13组。采集数据与工作面位置关系如表4所示。

表4 钻孔电法数据采集情况

3.5 成果分析

选取有变化规律的图像剖面进行对比，剖面图以蓝绿色为较低电阻率值区，红色为较高电阻率值区。岩层变形与破坏程度越大反映出的电阻率值越高，从而根据电阻率值的高低进行顶板岩层变形与破坏的规律解释[16]。

2021年6月29日探测电阻率成果见图5.以当日测得的视电阻率值作为顶板岩层电阻率背景值，反映了未受采动影响的正常段砂岩层的电阻率值。

图5 6月29日探测电阻率背景值图

2021年8月29日至9月11日观测电阻率结果见图6.此时工作面切眼距孔口位置由40 m到30 m, 工作面共推进10 m, 观测段已基本回采完毕，此时观测剖面电阻率值呈现明显的分带现象，表明在老空区顶板近煤层顶部岩体位移量较大，垮落带发育。

图6 9月11日探测电阻率结果图

考虑到工作面回采结束后，顶板垮落带、导水裂隙带不会立即发育完全，由于该监测钻孔布置在工作面停产线之后，有条件进行后续稳定数据采集工作，故在2022年2月18日，采集稳定后数据探测电阻率结果见图7.结合之前结果进一步对比分析可知，工作面顶板上方20 m内，显示为高电阻率值，说明顶板岩层冒落，为垮落带；巷道顶板上方20～80 m范围为裂隙发育特征；垂高80 m以上，电阻率值与背景值相比变化不大，裂隙不发育。

图7 2022年2月18日探测电阻率结果图

3.6 可靠性评价

下霍煤矿周边王庄煤矿、高河煤矿等同属潞安矿区，开采煤层均为二叠系下统山西组3号煤层，开采地质条件相似，这些矿井都开展过厚煤层开采覆岩破坏高度的现场实测，如表5所示。

表5 周边矿井导水裂隙带高度实测数据

采用数学回归分析方法对潞安矿区导水裂隙带高度实测数据进行分析，如图8所示。得到导水裂隙带发育高度计算公式如下：

H=15.2h+6

式中：H为导水裂缝带发育高度，m; h为采高，m.

图8 潞安矿区导水裂隙带高度实测数据回归分析图

上式已在潞安矿区高河煤矿、霍尔辛赫煤矿、王庄煤矿以及郭庄煤矿等矿井得到了应用，实践证明该经验公式符合潞安矿区开采地质条件。采用本公式计算2303工作面导水裂隙带发育高度，结果为82 m, 裂高/采厚为16.4,与视电阻率实测法的结论十分接近，说明试验结论是可靠的。

4、结语

1) 电阻率测试法在回采工作面未受采动影响区域提前施工探测钻孔，布设电阻率观测系统，随着工作面的推进，对顶板岩层视电阻率进行连续监测，通过对观测区域采前、采中、采后不同时空电阻率数据的分析，得出“三带”高度发育实测值。相较封孔注水观测漏失量等“三带”高度实测方法，电阻率测试法具有工程量小、成本低、可以对顶板岩层破坏进行连续监测等优点。

2) 综合分析电阻率值变化特征，可以判断2303工作面采后垮落带发育高度为工作面顶板上方0～20 m, 导水裂缝带高度为工作面顶板上方20～80 m, 弯曲下沉带为工作面顶板上方80 m至地表，垮高/采厚比为4,裂高/采厚比为16,经过可靠性评价，证明试验结果是可靠的。

3) 本次“三带”发育高度实测成果适用于二采区2303工作面正常地质地段以及类似地质结构区域，对于综采工作面构造及陷落柱发育地段，其“三带”发育高度会相应增大，则本次实测参数仅作为安全生产的参考指标。

参考文献:

[1]申晨辉.综放开采导水裂缝带高度及影响因素研究[D].北京:煤炭科学研究总院,2019.

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[4]刘湘.网络并行电法探测顶板“三带”技术研究[J].淮北职业技术学院学报,2010,9(5):83-85.

[5]牛鹏飞.回采工作面采空区埋管方式与抽采远控装置优化研究[J].能源与节能,2021(12):105-109.

[6]李小龙.工作面过断层切眼对接技术方案研究[J].煤炭与化工,2021,44(2):66-68,71.

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