大采高綜采工作面采場(chǎng)覆巖“兩帶”研究

郭雪勇

（晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)通風(fēng)管理部，山西長(zhǎng)治 046000）

大采高綜采工作面采場(chǎng)覆巖“兩帶”研究

郭雪勇

（晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)通風(fēng)管理部，山西長(zhǎng)治 046000）

通過(guò)對(duì)趙莊煤業(yè)3號(hào)煤層地質(zhì)研究，利用網(wǎng)絡(luò)并行電法采集數(shù)據(jù)，電阻率法勘探，準(zhǔn)確地劃分大采高綜采工作面采場(chǎng)覆巖“兩帶”。結(jié)果表明：由于斷層構(gòu)造對(duì)頂板巖體的破壞及工作面采動(dòng)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(fā)育高度增加較為顯著。

煤層；網(wǎng)絡(luò)并行電法；電阻率法；垮落帶；裂隙帶

大采高綜采是我國(guó)緩傾斜厚煤層開(kāi)采的發(fā)展趨勢(shì)。近年來(lái)的生產(chǎn)實(shí)踐表明，在一定條件下大采高綜采能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，但大采高綜采覆巖運(yùn)動(dòng)引發(fā)的地表環(huán)境問(wèn)題日益顯現(xiàn)[1-5]。理論分析和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，由于采高的擴(kuò)大，垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度都將比分層開(kāi)采明顯增大，傳統(tǒng)的分層開(kāi)采“兩帶”確定公式已經(jīng)不適用當(dāng)前的厚煤層開(kāi)采，《三下采煤規(guī)程》中也沒(méi)有收錄綜放、大采高綜采的經(jīng)驗(yàn)公式。已有的研究表明，采用傳統(tǒng)的全部垮落法管理頂板，覆巖運(yùn)移破斷呈現(xiàn)“三帶”形態(tài)，從下往上依次是垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶和彎曲下沉帶。其中垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶(簡(jiǎn)稱“兩帶”)高度是水體下安全開(kāi)采、采空區(qū)瓦斯抽放設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，是覆巖離層充填技術(shù)研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)，是突出礦井解放層選擇和開(kāi)采設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是本煤層、上鄰近層瓦斯抽放設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確地劃分大采高綜采工作面采場(chǎng)覆巖“兩帶”具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 礦井概況

趙莊礦為高瓦斯礦井，一盤區(qū)煤層瓦斯含量7.08m3/t，瓦斯涌出量隨著開(kāi)采深度的加大而增加。一盤區(qū)1301、1302、1303、1304等工作面已經(jīng)回采完畢，當(dāng)前正在開(kāi)采1306大采高綜采工作面。趙莊礦1306工作面位于一盤區(qū)，走向長(zhǎng)度1 962m，傾斜長(zhǎng)度219.5m。開(kāi)采山西組3號(hào)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(biāo)高1012.8～1 173.8m，煤層底板標(biāo)高404～516m。

在覆巖“兩帶”高度確定方面，采用并行電法測(cè)試技術(shù)。在大采高工作面采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)特征研究方面，采用支架壓力記錄儀實(shí)測(cè)支架工作阻力，分析各個(gè)循環(huán)的初撐力、加權(quán)平均阻力、循環(huán)末阻力，明確頂板周期來(lái)壓步距、來(lái)壓強(qiáng)度。通過(guò)支架運(yùn)轉(zhuǎn)特性實(shí)測(cè)分析，開(kāi)展支架架型、頂梁結(jié)構(gòu)、工作阻力的合理性評(píng)價(jià)。

2 頂板“兩帶”電場(chǎng)監(jiān)測(cè)原理

在煤層開(kāi)采過(guò)程中，頂板巖層應(yīng)力分布狀態(tài)改變，覆巖運(yùn)移破斷形成“垮落帶”、“導(dǎo)水裂隙帶”和“彎曲下沉帶”等“三帶”，其中“垮落帶”和“導(dǎo)水裂隙帶”處于巖層移動(dòng)破壞區(qū)域，為本次探測(cè)的目標(biāo)[6-7]。通過(guò)開(kāi)采前的電法背景測(cè)試，可得到頂板未破壞時(shí)的電阻率圖像；通過(guò)開(kāi)采期間的連續(xù)監(jiān)測(cè)，可得到頂板電阻率的連續(xù)變化圖像；在工作面回采期間，繼續(xù)監(jiān)測(cè)一段時(shí)間，可得到其穩(wěn)定后的電阻率圖像。通過(guò)對(duì)比不同階段的電阻率變化情況，總結(jié)頂板破壞規(guī)律。若破壞帶內(nèi)不含水，則破壞帶的電阻率值會(huì)升高，升高的幅度越大，破壞越完全；若電阻率值沒(méi)有明顯變化區(qū)域，即為未破壞區(qū)；若破壞帶內(nèi)充水，該破壞帶電阻率值會(huì)明顯降低。

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

3 工作面頂板“兩帶”電場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

測(cè)試地點(diǎn)選在1306工作面，1號(hào)監(jiān)測(cè)鉆孔孔口位置選擇在13063巷10號(hào)橫貫向外20m，2號(hào)監(jiān)測(cè)鉆孔孔口位置選擇在13061巷5號(hào)橫貫向外5m。在巷道內(nèi)布置“兩帶”監(jiān)測(cè)鉆場(chǎng)，向頂板施工監(jiān)測(cè)鉆孔，在鉆孔中埋設(shè)電極電纜形成電法監(jiān)測(cè)頂板“兩帶”系統(tǒng)，電法儀安裝在巷道孔口后方采集數(shù)據(jù)。鉆孔布置平面圖，見(jiàn)圖1。

3.2 數(shù)據(jù)采集

本次探測(cè)使用的儀器為網(wǎng)絡(luò)并行電法儀，該儀器的最大優(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，可清楚地反映探測(cè)區(qū)域的自然電位、一次供電場(chǎng)電位的變化情況，采集數(shù)據(jù)效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的高密度電法儀。網(wǎng)絡(luò)并行電法采集電位圖，見(jiàn)圖2。通過(guò)AM法和ABM法裝置自動(dòng)順次切換電極，取得大量的電法數(shù)據(jù)，不僅可實(shí)現(xiàn)所有現(xiàn)行的直流高密度電法探測(cè)（如溫納二極、三極、四極等）數(shù)據(jù)反演，而且可進(jìn)行高分辨地電阻率法反演。

3.3 1號(hào)孔資料分析

1）背景測(cè)試階段。對(duì)于頂板裂高監(jiān)測(cè)孔數(shù)據(jù)，采用高密度電阻率法進(jìn)行反演，電極裝置采用三極法。此時(shí)鉆孔中監(jiān)測(cè)電極安裝結(jié)束，工作面距離孔口98.6m，此時(shí)探測(cè)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(dá)到50～220 Ω·m，其地層巖性變化特征較為明晰，這為后續(xù)煤層采動(dòng)影響時(shí)巖層變形與破壞電阻率值對(duì)比提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2）垮落帶發(fā)育形成。頂板0～20m高度范圍內(nèi)電阻率值升高相對(duì)較快，裂隙發(fā)育過(guò)程明顯，表明垮落帶逐漸形成；頂板20m以上的區(qū)域，電阻率值變化相對(duì)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(fā)育相對(duì)較少。

3）導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育形成。根據(jù)頂板“兩帶”巖層視電阻率的變化特征，結(jié)合該區(qū)域的地層條件，1號(hào)鉆孔監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，頂板“兩帶”發(fā)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(guò)背景電阻率值10倍以上，甚至達(dá)到幾千歐姆·米以上，為典型的巖層破壞特征；b.導(dǎo)水裂縫帶高度為58m，該段巖層電阻率值變化不均勻，局部達(dá)到幾千歐姆·米以上，且上下溝通特征明顯，為破壞導(dǎo)通區(qū)。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(xiàn)出破壞特征；頂板巖層58m以上段電阻率值未見(jiàn)普遍的上升或下降現(xiàn)象，局部受采動(dòng)影響產(chǎn)生不同程度變化，但其變化倍數(shù)較小，其為彎曲下沉帶特點(diǎn)。

3.4 2號(hào)孔資料分析

1）背景測(cè)試階段。由于2號(hào)孔布置在斷層影響區(qū)域中，而且在鉆孔電極安裝過(guò)程中有出水現(xiàn)象，表明孔中導(dǎo)水裂隙發(fā)育，雖然通過(guò)鉆孔注漿能將這些導(dǎo)水裂隙局部進(jìn)行填充，但是在回采過(guò)程中，這些導(dǎo)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(fā)育。為了突出采動(dòng)破壞對(duì)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(dòng)破壞影響數(shù)據(jù)，避免頂板構(gòu)造導(dǎo)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(fā)育情況。在圖中藍(lán)色（冷色調(diào)）代表巖體相關(guān)度較好，采動(dòng)影響變化不大區(qū)域；反之紅黃色（暖色調(diào)）區(qū)域代表相關(guān)度差，采動(dòng)影響較為嚴(yán)重的區(qū)域。

2）垮落帶形成。由圖3、圖4可知，黃色區(qū)域?yàn)殡娮杪噬邊^(qū)域，表明該區(qū)域中巖體裂隙發(fā)育嚴(yán)重，破裂活動(dòng)劇烈。分析可知，在工作面回采至57m范圍內(nèi)，煤層頂板0～22m以下比值較高，表明巖體阻值升高相對(duì)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(nèi)頂板25m以上高度，其頂部電阻率比值相對(duì)變小，該區(qū)域巖體電阻率變化不大，表明該區(qū)域巖體裂隙發(fā)育過(guò)程相對(duì)較慢，頂板裂隙帶發(fā)育尚未全面開(kāi)始，存在局部裂隙發(fā)育，圖中Y2主要為該區(qū)域頂板巖體局部裂隙發(fā)育變化。

3）導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育形成。煤層頂板0～22m之間的電阻率高比值區(qū)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(xiàn)垮落區(qū)的特征。而Y3位于工作面頂板以上59m處，該區(qū)域分布范圍相對(duì)狹長(zhǎng)，且比值范圍1.2～1.3之間，具備煤層頂板裂隙發(fā)育特點(diǎn)。

根據(jù)頂板“兩帶”巖層視電阻率典型特征，結(jié)合區(qū)域基本地質(zhì)條件，分析認(rèn)為該區(qū)域中開(kāi)采變形與破壞中的“兩帶”高度為：a.垮落帶發(fā)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(fā)育在煤層頂板鋁質(zhì)泥巖層位之中；b.導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為59m，發(fā)育層位在2號(hào)煤線位置。

5 結(jié)論

1）1 號(hào)鉆孔兩帶測(cè)試結(jié)論。根據(jù)1號(hào)監(jiān)測(cè)孔的觀測(cè)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(guān)鍵層位，超前影響范圍較大。在采動(dòng)應(yīng)力超前作用區(qū)域，首先順巖層界面及裂隙面等弱面發(fā)育離層，隨回采工作面的逐步推進(jìn)，裂隙帶發(fā)育過(guò)程出現(xiàn)周期性變化，在電阻率圖像上也有一定表現(xiàn)。在回采工作面推進(jìn)以后，采空區(qū)周邊裂隙不斷發(fā)育，最終形成垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶。垮落帶發(fā)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(fā)育的最大高度位于2號(hào)煤線下方，主要與巖層厚度及巖性結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。

2）2 號(hào)鉆孔兩帶測(cè)試結(jié)論。由于2號(hào)孔布置在斷層影響區(qū)域中，而且在鉆孔電極安裝過(guò)程中有出水現(xiàn)象，表明孔中導(dǎo)水裂隙發(fā)育，雖然通過(guò)鉆孔注漿能將這些導(dǎo)水裂隙局部進(jìn)行填充，但是在回采過(guò)程中，這些導(dǎo)水裂隙的二次破壞張裂同樣能影響到頂板兩帶的變化發(fā)育。為了突出采動(dòng)破壞對(duì)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(dòng)破壞影響數(shù)據(jù)，避免頂板構(gòu)造導(dǎo)水裂隙的二次破壞影響。

由于斷層構(gòu)造對(duì)頂板巖體的破壞，加上工作面采動(dòng)破壞的影響，2號(hào)鉆孔垮落帶高度相比1號(hào)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(fā)育高度增加較為顯著。

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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(xué)本科，工程師，從事煤礦通風(fēng)管理工作。