1012工作面底板采动特征的电法动态监测3.doc

五沟煤矿大断层无煤柱开采底板采动电法动态监测李建，吴俊松（皖北煤电集团公司五沟煤矿，安徽 淮北 235131）摘要：断层的存在破坏了岩体的完整性，断裂构造的结构面削弱了岩体的力学强度，因此在断裂带附近开采过程中，极易由于采动影响而引起断裂带附近底、板岩体变形和破坏，形成导水的通道。但是五沟煤矿F14断层特殊的压扭性构造结构条件下的破坏特征和一般条件下的断层受采动影响后的破坏失稳规律有着很大的差别，压扭性断层破碎带致密坚硬，可以很好的抑制裂隙的扩展，不至于在破碎带内形成远大于正常发育深度的底板导水破坏带，大大降低了突水机率，这对缩短断层防水煤柱非常有利。五沟煤矿在1012工作面设计了工作面底板采动特征的电法动态监测，现场实测验证F14大断层无煤柱开采的条件下底板采动场效应特征。关键词：断防煤柱；并行电法；动态监测；断层活化五沟煤矿隶属于皖北煤电集团公司，位于安徽省濉溪县境内,井田面积约17.5km2。共有可采煤层8层，平均可采总厚15.27m，其中72、81、82、10煤层为主要可采煤层，平均可采总厚为10.69m。井田各煤层主要为肥煤、焦煤。矿井地质储量1.3亿吨，其中可采储量4034万吨，断层煤柱2746万吨.井田构造复杂程度为中等偏复杂型，矿井水文地质条件属以裂隙充水为主的中等类型。F14断层位于矿井中部，正断层，走向NE，倾向NW，倾角70，落差10280m，在矿井内走向长度约5.5km，原防水煤柱留设宽度为100m。1012工作面里段靠近F14断层，实际留设断防煤柱32米且安全回采，为了进一步缩小断防煤柱，外段改造风巷穿过F14断层，进行无煤柱开采工业试验。1 1012工作面地质及水文地质概况五沟煤矿1012工作面位于南一采区西翼，南与1016采空区相邻。机巷全长1188m，风巷全长1507m，切眼全长68m。工作面10煤平均煤厚为4.9m，地质储量为82.30万吨，1012工作面于2010年2月1日开始回采，2010年12月1日收作。10煤顶底板砂岩裂隙含水层特征： 10煤顶板以灰白色中、细砂岩为主，夹灰色粉砂岩及泥岩。砂岩厚度23.94m电磁波岩裂隙发育不均，局部多发育垂直裂隙。含水层（段）砂岩裂隙不发育，含水性较弱。地下水处于封闭半封闭环境，以储存量为主。在不与其它含水丰富的含水层发生水力联系时，水量小且易于疏干。根据1012改造风巷实际揭露，M1点M5点段，岩层干燥，无淋水。10煤底板太原组含水层特征：地下水主要储存和运移在石灰岩岩溶裂隙网络之中，富水性主要取决于岩溶裂隙发育的程度，岩溶裂隙发育具有不均一性，因此富水性也不均一。2 1012工作面改造风巷揭露F14断层情况2.1 F14断层位置及产状工作面基本为单斜构造，原风巷沿F14大型正断层的保护煤柱线掘进，F14断层原留设100m防水煤柱。1012改造风巷外段在M1点处拨门施工，里段在N4点拨门施工，并在M5点、P2点处揭露F14断层，产状：35268，H=85m，断层位置及地质素描见图1、图2。断层带宽度为17m，断面附近岩层受挤压较破碎。根据1012风巷探查F14断层结果分析，该断层赋水性弱。2.2 F14断层两盘煤层及顶、底板受F14正断层影响，1012改造风巷揭露了10煤及8煤组，煤层起伏变化较大。10煤：黑色，块状粉末状，亮煤，干燥，厚度为3.7m5.0m；8煤组：81煤，黑色，粉末状，暗煤，厚度为2.0m3.0m；82煤，黑色，粉末状，暗煤，厚度为2.0m2.8m。F14大型正断层上盘8煤组顶板岩性为灰黑色块状泥岩，较破碎；下盘10煤顶板岩性不浅灰色中厚层状细砂岩，坚硬；断层破碎带岩性为灰色灰黑色中厚层状泥岩，并夹有条带状细砂岩，较破碎。3 F14断层赋、导水性精查时有J1-7、30-1、26-5、80-2、28-5钻孔穿过F14断层，没有发生漏水现象。1011、1012风巷探查F14断层钻探工程在揭露F14断层时，无出水现象，仅仅是钻进至灰岩时出现出水。南一10采区回风大巷、-360水平南翼轨道大巷等巷道揭露了F14断层，巷道过断层处，岩性破碎、裂隙发育，无水；采用了瞬变电磁法在360南翼轨道大巷G20+58m迎头处探查F14断层的赋水性，探测的结果没有发现断层带范围内有水文异常现象。据J1-7孔对F14断层破碎带抽水试验，q=0.006122L/s.m，K=0.01021m/d，水化学类型为HCO32-K+Na+型水，与底板灰岩水的类型不相同，说明断层的导水性是差的；同时按煤矿防治水规定，q0.1为弱富水性。根据2007年9月煤炭科学研究总院西安研究院五沟煤矿F14断层富水性瞬变电磁法勘探报告：太灰顶界面附近的低阻异常范围大，富水性较好，而10煤上20m、10煤及10煤下30m的低阻异常范围较小，富水性较差。综上所述，虽然F14断层切割多个导水层位，但上述地面钻探、物探和井下钻探、物探与巷道揭露资料，以及抽水试验成果表明： F14断层不仅富水性总体差，而且导水性也差。主要原因是F14断层及两侧煤岩体有少量裂隙发育，但多被方解石或粘土填充；断层带内岩石破碎，但以泥质基质为主；最后一个原因与该断层反转有关，先期为拉张应力的正断层，后期为挤压应力但没有超过先期拉张应力的正断层。4 电场预警监测理论基础为了进一步验证F14断层的赋、导水性，完善构造控水防治体系，五沟煤矿与安徽惠洲地下灾害研究设计院合作，进行1012工作面改造风巷段底板水并行电法预警监测研究。采用并行电法动态监测技术，动态监控煤层开采过程中底板激励电流、电位、视电阻率等相关地球物理场参数及其变化情况，由此来确定采场底板动态破坏空间展布情况、底板水渗流动态运移情况、岩体破坏的时空效应，以其达到预测预报突水可能发生的时间和位置的目的。通过开采前的电法背景测试，可得到底板未破坏时的电阻率图像；在开采期间的连续监测，可得到底板电阻率的连续变化图像；在工作面回采期间，继续监测一段时间，可得到其稳定后的电阻率图像。通过不同阶段的电阻率变化情况，可分析底板破坏规律。若破坏带内不含水，则破坏带的电阻率值会升高，升高的幅度越大，则破坏越完全；若电阻率值没有明显变化区域，即为未破坏区；若破坏带内充水，则该破坏带内的电阻率值会明显降低。通过对煤层开采中底板地电场的监测可以获得介质电性参数变化情况，水的渗流造成了地电场异常，通过地电场异常，可反演地下水的渗流过程，从而达到对于底板水害的预警。根据电极观测装置的不同，并行电法数据采集方式分为两种：AM法和ABM法。利用并行电法仪采集的数据可以进行高密谋电阻率法和高分辨地电阻率法解释，也可以进行二维和三维电阻率成像解释。5 现场监测布置及数据采集方法根据探测目的和现场实际情况，本次监测工作主要在1012工作面风巷改造段里段往外约100m区域内，在风巷、改造风巷巷道靠外侧底板内埋设电极电缆，电法仪采集站设在改造风巷M5点附近。具体施工时在风巷F7F5段、改造风巷P1M7段离巷道外帮30cm的底板挖深50m、宽30cm的沟。由技术人员现场安装电极和电缆，电缆用PVC管材保护。6 数据采集及预报本技术的一大特点是动态和连续观测特性，但要求现场工作量大，因此所采用的并行电法测试，通过仪器电极切换装置进行各个电极的切换工作，利用高密谋电阻率法的不同形式，分别扫描测试获得不同测试点的基础数据值。在采集信号的同时，对工作面推进尺度也尺度也进行测量，获得工作面推进速度与检测时间关系对照表，为分析动态裂隙发育提供相应参数。 现场数据采集为检修班时间，避免工作相互影响；拟采用人员跟踪形式，成立数据采集处理工作组，其中现场数据采集组每天中班下井，采集一组AM和ABM数据；室内数据处理组在接收到数据后立即进行数据处理，并结合上一次电性参数对比结果提供预报剖面，给出异常位置；将结果及时反馈到矿方地测部门。5 采前、采后动态监测结果分析根据观测方案设计，以采前采后的两组数据（如表1）为例进行分析对比，以总结其变化规律。日期工作内容激发点接收点探测量物理点数测线度度(m)备注11月1日新改造风巷电法探测484748471=2256300工作1站11月12日新改造风巷电法探测454445441=1980242工作1站电法探测分别采用巷道电测深法和三维全空间电阻率反演来反映底板电性参数变化情况。对双巷采集的数据采用全空间三维电阻率反演技术，采用全空间层状模型，主要反映相对低阻区连通情况，得到两次观测的工作面底板不同深度水平切面图，其中工作面底板最上面上张水平切面为煤层底板5m的切面图，最深切面为底板下80m。再根据双巷三维电阻率成像结果，结合巷道揭露煤层和地质构造变化情况，以及巷道的积水情况，对该工作面含水、导水构造的分布及连通性综合探测成果进行综合分析，得出1012工作面新改造风巷段底板采前和采后的富水性探成果。如图3，为煤层底板68m的采前和采后的电阻率成像水平切面图。现将两次观测结果分析如下：相对低阻异常区DZT：采前观测位于靠近1012风巷X=3560m之间，对应巷道位于风巷F6测点到N1测点之间；采后观测靠近1012风巷位于X=060m之间，对应巷道位于风巷M1测点到N1测点之间，较采前的探测结果相比该低阻区域有所扩大（从F6扩大至M1至M2点前10m），尤其是在一、二灰层位表现更为明显；采后观测视电阻率值均在30m以上，朝底板下延伸达到80m，进入灰岩顶界面。采后观测视电阻率值低于20m以下的范围亦有所扩大，可能与灰岩水有较强的水力联系，对该区域应引起足够重视，及时进行注浆加固。相对高阻异常区域GZT：采前探测对应巷道位于1012新改造风巷M4测点至P2测点之间；采后探测对应巷道位于1012新改造风巷M5测点至P2测点之间。两次探测电阻率值均在150m以上，主要受到F14（35268，H=85m）断层影响，朝底板下延伸超过达到80m，进入灰碉地层，为裂隙强发育区域，为重点防患区域，建议进行打钻注浆进行底板强加固。采后探测受打钻或工作面采动影响，该阻区域在倾向上向断层上盘集中，但阻值变得更高，说明裂隙更加发育，是工作面采动底板破坏的最薄弱面。采前、采后两次探测在1012风巷M1测点N1测点之间浅部范围内阻值都是40以下，可能与裂隙带或与巷道内的潮湿积水有关，可能相对富含砂岩裂隙水。7 小结由采前、采后对比分析发现，采后较采前相比，相对低阻异常区DZT范围有所扩大，相对高阻异常区域GZT阻值有所增高，说明在采动影响下采场底板断层面上节理裂隙都有进一步的扩展。