電阻率法在覆巖破壞測(cè)試中的應(yīng)用

摘 要：研究煤層上覆巖層在采動(dòng)過(guò)程中的破壞特征是保證礦井安全開采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確定巖體的破壞高度對(duì)開采工藝的選擇、安全煤柱的留設(shè)以及水害防治等具有重要意義。采用電阻率法監(jiān)測(cè)某工作面煤層開采前、后的動(dòng)態(tài)變化，劃分出巖體的破壞帶，為后續(xù)煤層的開采提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：覆巖；電阻率；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；破壞帶

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.081

礦井煤層在開采過(guò)程中，由于原巖體應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了告便，造成上覆巖層逐漸失穩(wěn)形成彎曲下沉帶、導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶。隨著礦井開采深度的不斷加大，開發(fā)力度不斷加強(qiáng)，高覆蓋層、大應(yīng)力場(chǎng)的研究對(duì)礦井安全開采極為重要。本文在介紹幾種常見覆巖破壞的監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，采用電阻率測(cè)試某礦井上覆巖層在開采前后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為煤層頂板“三帶”的劃分借鑒作用。

1 覆巖破壞測(cè)試方法

（1）數(shù)值模擬和物理模型法。模擬法包括數(shù)值模擬和相似材料的物理模型模擬，是最為常見的兩種研究煤層頂板破壞規(guī)律的技術(shù)手段。數(shù)值模擬法以其具有模型構(gòu)建簡(jiǎn)單，參數(shù)設(shè)置方便等優(yōu)勢(shì)，在覆巖破壞中不可或缺的技術(shù)手段，不過(guò)礦井地質(zhì)條件復(fù)雜多變，往往假設(shè)的模型與實(shí)際情況存在較大的出入，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)加以重視。物理模型模擬是基于相似原理的理論之上[1]，通過(guò)在室內(nèi)構(gòu)建礦井地質(zhì)環(huán)境、煤層厚度、礦井壓力以及開采工藝等參數(shù)，研究巖層在開采過(guò)程的變形特征。同樣該方法也存在與實(shí)際礦井環(huán)境存在出入的問題[2]。

（2）地球物理法。地球物理方法是依據(jù)巖土體之間物理性質(zhì)的差異為研究對(duì)象，利用儀器測(cè)定覆巖的變化特征，進(jìn)而判斷出巖體的破壞高度。地球物理法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，具有快速、準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，在工程應(yīng)用中發(fā)揮很大的優(yōu)勢(shì)。目前，應(yīng)用于覆巖破壞的物探手段主要有淺層地震法，電阻率法，瞬變電磁法，聲波測(cè)井等。但是物探方法屬于間接手段，每種方法都有特定的使用條件，因此應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)注意合理選擇。

（3）冒落鉆孔探測(cè)法。鉆孔法是一種最直接的探測(cè)方法，可直接揭露出破壞區(qū)的巖體特征，但是，所得到的數(shù)據(jù)只能反映鉆孔通過(guò)時(shí)的覆巖裂隙發(fā)育情況，不能得到其動(dòng)態(tài)過(guò)程，并且只是一孔之見，難以全面放映出巖體的破壞特征[3]。

2 工程應(yīng)用

（1）工程概況。某礦區(qū)為巨厚新生界松散層覆蓋條件下的全隱蔽式井田，根據(jù)井田鉆探資料，井田內(nèi)地層從新到老依次為第四系、第三系、二疊系、石炭系和奧陶系等。由于井田面積較大，所處地質(zhì)條件差異性大，不同采區(qū)和工作面采后覆巖破壞高度變化大，為保證安全開采對(duì)采取工作面開展覆巖破壞高度探測(cè)是必要的。

工作面推進(jìn)中巖層的電性在縱向和橫向上發(fā)生的變化，代表了覆巖破壞和裂隙發(fā)育特征。因此，通過(guò)測(cè)取覆巖不同高度處巖層電阻率變化來(lái)分析其變形與破壞規(guī)律，這是電法監(jiān)測(cè)覆巖破壞的地質(zhì)基礎(chǔ)。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育僅為一定高度以下巖層電阻率所發(fā)生的變化，每次測(cè)試時(shí)以采動(dòng)未影響到的巖層電阻率分布作為基礎(chǔ)，通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)試可以從時(shí)空規(guī)律上直觀分析巖層的破壞過(guò)程和規(guī)律[4]。

（2）探測(cè)布置及分析。為了研究巖體“三帶”的破壞高度，采用電阻率法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)開采前后上覆巖層的變化規(guī)律?，F(xiàn)場(chǎng)首先在工作面回風(fēng)順槽布置2個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔布置一定的電極，根據(jù)孔中埋設(shè)電極所測(cè)電阻率的變化探測(cè)覆巖破壞特征，鉆孔如圖1所示。在工作面開采前，采用探測(cè)儀器采集一組電阻率數(shù)據(jù)作為背景值，如圖2（a），背景值作為后續(xù)巖體破壞特征的參比。在工作面開采過(guò)程中，實(shí)施連續(xù)監(jiān)測(cè)工作，進(jìn)一步評(píng)價(jià)探測(cè)煤層開采后覆巖破壞“垮落帶”、“導(dǎo)水裂縫帶”的高度及覆巖破壞的形態(tài)變化特征。

數(shù)據(jù)處理時(shí)，先以煤層頂板為坐標(biāo)0點(diǎn)，向上為正，向工作面切眼方向?yàn)闄M坐標(biāo)正向。所有電阻率結(jié)果圖像均采用統(tǒng)一圖標(biāo)，藍(lán)綠色（冷色調(diào)）為較低電阻率值區(qū)，紅色調(diào)為較高電阻率值區(qū)。工作面距孔口距離16.1～3.9m見圖2（b）。采空區(qū)電阻率值顯著升高到400Ωm以上，電阻率值呈現(xiàn)明顯的分帶現(xiàn)象，垂高10m以下，電阻率值最高，普遍達(dá)400～500Ωm以上；垂高10～43m，電阻率值高低不均達(dá)300～500Ωm，為裂縫帶發(fā)育不均勻的反映；垂高43m以上，電阻率值多為100～200Ωm，分布相對(duì)均勻，電阻率值相對(duì)較低，為彎曲下沉帶的范圍?！叭龓А卑l(fā)育情況： 垮落帶高度為11m；導(dǎo)水裂縫帶高度為43m。

3 結(jié)論

本文在介紹覆巖破壞測(cè)試方法的基礎(chǔ)之上，采用電阻率法對(duì)煤層上覆巖體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)成果為礦井的安全開采提供保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]李向陽(yáng)，李俊平，周創(chuàng)兵等.采空?qǐng)龈矌r變形數(shù)值模擬與相似模擬比較研究[J].巖土力學(xué)，2005，26（12）：1907-1912.

[2]劉向紅，劉盛東，胡彩春.原位探測(cè)技術(shù)在覆巖破壞監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].煤炭科技，2009（01）：44-46.

[3]吳榮新，張衛(wèi)，張平松.并行電法監(jiān)測(cè)工作面“垮落帶”巖層動(dòng)態(tài)變化[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37（04）：571-577.

[4]高召寧，鄭志偉，應(yīng)治中.電法測(cè)試技術(shù)在覆巖破壞監(jiān)測(cè)中應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭，2015（03）：36-39.

作者簡(jiǎn)介：趙紅宇（1989-），男，安徽宿州人，本科，助理工程師，主要從事煤田地質(zhì)勘察工作。