0 引言
煤矿工作面回采势必会导致上覆地层的破坏,从而形成所谓的“三带”,即冒落带、裂隙带和弯曲带。对于埋深较大、赋存于新生界松散层以下的工作面,往往涉及到复杂的地质及水文地质条件,在地面进行“三带”顶界面发育高度探测精度低且探测成本高,不能发挥应有的作用。井下钻孔电阻率法由于电极布设于钻孔中,而钻孔可以根据回采过程中煤层上覆地层的实际破坏情况进行设计,具有灵活操作、耦合性好、靠近目标的好处,且钻孔电阻率法对于导含水异常体的探测有灵敏度高、准确性大、反映明显的优点[1]。岐离率最早是由葛为中教授提出并做了相关计算研究工作[2],汤井田等在高阻油气藏边界确定的正反演方法中得到了精度很高的结果[3],汤洪志等将联合剖面歧离带变化率应用到铜矿床上,效果显著[4]。
“三带”顶界面发育高度准确探测一直是一个难以解决的问题,长期以来双端封堵分段注水法在“三带”高度探测中应用较为广泛,但是该方法存在明显的弊端,如气囊容易破损漏气,封堵不严实导致水的流向不明等[5]。而岐离率计算较为简单,解释方便,克服了近端探测干扰,压制了隐伏断裂面及渐变覆盖的影响,可大幅提高“三带”分界面的分辨率,具有一定的推广应用价值。
1 钻孔电阻率法原理
钻孔电阻率法是一个全空间的概念,将间距为2a的两个同线异性点电源A和B通电向外供电,这两个点电源在钻孔介质中形成同心球状的电场,基于电场叠加原理,可得出某一测点M处的电位U的表达式为[6]:
式中:I表示通电电流大小,ρ表示电阻率。
式中ΔUMN表示M处与N处的电位差。
图1
2 岐离率定义
在钻孔中按温纳装置的排列方式布设电极,对于采动工作面随着回采进度的不同,与钻孔形成不同的距离,选取一个回采工作面采动位置与钻孔一定距离处的探测结果为基准,分别计算大于和小于该距离时的视电阻率值与该距离处视电阻率值的差值,得到视电阻率差值断面图来表示相对高阻异常和相对低阻异常,从而可以表征 “三带”顶界面发育高度及含水性的宏观特征[12]。
式中:ρsC是采动工作面回采到C位置时,该位置与基准位置处视电阻率差值;ρsD是采动工作面回采到位置D时,该位置与基准位置处视电阻率差值;ρsZ是基准位置与正常地层的背景视电阻率差值;C位置与钻孔间距大于D位置与钻孔间距。
3 采动工作面“三带”顶界面发育高度测定
式中:H裂表示计算裂缝带高度;l表示裂缝带上界对应的孔深;l1表示工作面回采切眼与钻孔间距;α表示钻孔角度;β表示煤层沿钻孔平面投影方向的伪倾角;β1表示煤层沿巷道走向的伪倾角;η表示钻孔在巷道平面上的投影与巷道间的夹角。
图2
图2
钻孔电阻率法测线布置立体示意
Fig.2
Stereoscopic line layout diagram of the drilling resistivity method
如图3~图5所示,根据实际回采进度,得到回采位置距钻仓300 m处、140 m处以及80 m处分别与回采切眼距钻仓200 m处的视电阻率差值断面图。由图中可以看出,图3以高阻为主,反映的是探测区域受采动影响很小,且原煤岩层不含水;图4以中等阻值为主,反映的是探测区域受到一定的采动影响,出现了一些具有连通性的导水通道;图5以低阻为主,反映的是探测区域受采动影响较大,整个探测区域由于裂隙导通上覆含水层而具有一定的富水性,形成的“三带”已经破坏了上覆含水层或导水构造。将反演结果列在侧下方存在全空间与半空间视电阻率值差异的问题,只要全空间与半空间视电阻率曲线趋势一致,为了便于反映钻孔下方“三带”顶界面高度发育情况,完全可以将反演结果置于钻孔侧下方来表征全空间的视电阻率规律。钻孔电阻率法电场是三维分布的,对于均匀介质而言,全空间电位是半空间的一半,全空间电阻率是半空间的两倍。复杂地层需要进行正演模拟来得到全空间与半空间电阻率响应规律,经过有限差分正演得到:复杂地层全空间视电阻率与半空间视电阻率曲线趋势基本一致,且全空间复杂地层的电阻率响应值与异常体的电阻率值大小和异常体区域的大小有关,其值基本等于半空间条件下存在异常的电阻率响应值与半空间条件下均匀介质的的电阻率响应值的和。在岐离率计算过程中,已经将背景视电阻率值减掉,因此可以很好的通过半空间的处理结果来反映全空间时的覆岩破坏情况。
图3
图3
回采位置距钻仓300 m处与距钻仓200 m处视电阻率差值断面
Fig.3
Sectional view of the apparent resistivity difference between the mining position at 300 m from the drill chamber and 200 m from the drill chamber
图4
图4
回采位置距钻仓140 m处与距钻仓200 m处视电阻率差值断面
Fig.4
Sectional view of the apparent resistivity difference between the mining position at 140 m from the drill chamber and 200 m from the drill chamber
图5
图5
回采位置距钻仓80 m处与距钻仓200 m处视电阻率差值断面
Fig.5
Sectional view of the apparent resistivity difference between the mining position at 80 m from the drill chamber and 200 m from the drill chamber
以回采到200 m处为基准位置,小于该距离的视电阻率值与基准位置视电阻率值的差值依次减去大于该距离的视电阻率值与基准位置视电阻率值的差值,将所得数值的绝对值作为分子,将基准位置处视电阻率值与背景视电阻率值差值作为分母,其比值取最大值转换成百分数即为计算所得的岐离率Q(如:以200 m处为基准,用距离钻孔50 m处的视电阻率差值,依次减去200 m以外以5 m为间距的各处的视电阻率差值作为d=50 m处的岐离率计算分子,与分母作比值取最大值转换成百分数即为该处岐离率Q)。图6所示为采动工作面“三带”发育岐离率曲线,横坐标d表示采动工作面回采位置与钻孔间的距离。可以看出,冒落带岐离率极值超过20%,裂隙带岐离率极值减小到10%左右,弯曲带岐离率极值不到3%,接近于正常地层,表明岐离率曲线可以突出“三带”顶界面,探测分辨率明显提高。
图6
图6
采动工作面“三带”发育岐离率曲线
Fig.6
“Three-band” developmental dissociation rate curve of mining face
由回采过程不同位置与基准位置视电阻率差值断面图结合岐离率曲线可以画出“三带”顶界面发育高度,如图7所示。由图可确定冒落带顶界面发育高度为29.6 m,相对于钻孔呈似弧形发育;裂隙带顶界面发育高度为47.8 m,相对于钻孔呈似弧形发育;弯曲带顶界面发育高度为71 m,相对于钻孔呈斜弧形发育。
图7
图7
“三带”顶界面发育高度示意
Fig.7
The height of the “three belts” top interface development
为了形成比较,用双端封堵分段注水方法推导出的公式进行裂隙带高度计算,将l=60 m、l1=55 m、α=40°、η=19°、β=8°、β1=7°代入式(4)得裂缝带高度H裂=46.4 m。而井下钻孔视电阻率岐离率法确定的裂隙带顶界面发育高度为47.8 m,与理论计算值相近,因此岐离率能有效探测“三带”顶界面发育高度,可以代替繁杂的双端封堵分段注水方法,明显提高工作效率。
4 结论
通过井下钻孔电阻率法来探测采动工作面视电阻率值的变化,利用岐离率来确定“三带”顶界面发育高度,并与双端封堵分段注水法测得的结果进行对比,得出以下结论:
1) 钻孔电阻率法增强了对井下复杂环境的抗干扰能力,与煤岩层耦合性很好,通过分析复杂地层全空间与半空间视电阻率值的关系,确定反演结果用于钻孔视电阻率值探测的结果置于侧下方可以表征上覆岩层破坏规律,采用视电阻率差值来表征“三带”顶界面高度发育情况,提高了探测精度。
2) 利用岐离率增强了“三带”分界面的分辨能力,结合视电阻率差值断面图,可有效确定“三带”顶界面的发育高度,其中冒落带顶界面发育高度为29.6 m,裂隙带顶界面发育高度为47.8 m,弯曲带顶界面发育高度为71 m。探测结果与双端封堵分段注水法推导公式计算出来的理论值相近,推广利用价值高。
参考文献
并行电法在倾斜厚煤层工作面“三带”探测中的应用
[J].
Application of parallel electric method in the detection of “Three Belts” in working face of inclined thick coal seam
[J].
联合剖面法的一种资料整理解释方法
[A]//
A data sorting and interpretation method of joint section method
[A]//
井地电阻率法岐离率确定高阻油气藏边界
[J].
根据油气藏的特征，抽象出地球物理模型，利用有限元软件FEPG对三维油气藏模型的稳恒电流场进行了数值模拟.根据井地电阻率法计算结果，定义了一种新的参数歧离率，分析了不同深度油气藏和油气藏偏离钻井位置时歧离率的变化规律，并利用该参数及其梯度确定油气藏边界范围.理论分析表明，参数歧离率可很好地突出油气藏异常并确定其横向边界范围.
Determining the boundary of high-resistivity reservoirs by well resistivity method
[J].
联合剖面歧离带变化率法应用研究
C]//
Application of the variation rate method of joint profile dissociation band
C].
深部厚冲积层下综放开采导水裂隙带高度实测
[J].
Field measurement of the height of water flowing fractured zone in deep full-mechanized top coal caving mining face under thick alluvium
[J].
釆动覆岩破坏特征及其应用研究
[D].
The characteristics of the failure of overlying strata and its application
[D].
高密度电阻率法观测煤层上覆岩层破坏
[J].
Observation of overburden damage in coal seams by high-density resistivity method
[J].
采煤面覆岩变形与破坏立体电法动态测试
[J].<FONT face=Verdana>采用立体直流电法，通过在井下巷道中煤层顶底板位置施工若干钻孔，在孔中埋置一定数量电极，形成孔间探测剖面，并根据采动进度测取不同时期岩层电场变化特征，进一步反演其三维立体电阻率值，可对上覆岩层受采动超前影响至后期变化规律进行全面的分析研究，为煤矿安全生产提供直观有效的技术参数。淮南某矿采面覆岩破坏顶底板跨孔立体电法测试应用中，共获得28组连续观测数据，对采动应力超前及顶板岩层变形与破坏裂隙发育特征给出动态分析，所获得的冒落带和裂隙带高度值与“三下”开采规程计算值相吻合。应用结果表明，与传统地面钻孔法及井下其他物探方法相比，该项自主创新技术具有测试成本低廉、结果判定准确、动态效应强等特点，其推广应用价值显著。</FONT>
Dynamic test of deformation and failure of overburden strata by mining method
[J].
网络并行电法在覆岩破坏动态监测中的应用
[D].
Application of network parallel electrical method in dynamic monitoring of overburden failure
[D].
采动条件下覆岩地电场响应特征研究
[D].
Study on the response characteristics of overburden ground under mining conditions
[D].
顶板岩层“三带”划分的综合分析法
[J].
A comprehensive analysis method for the “Three Zones” division of roof rock strata
[J].
岐离率在油气藏勘探中的应用研究
[J].
Application of Deviation Rate in Oil and Gas Reservoir Exploration
[J].
基于人工神经网络技术的综放导水裂隙带高度预计
[J].
Prediction of the height of water-conducting fracture zone in fully mechanized cavities based on artificial neural network technology
[J].
导水裂隙带高度预测途径探讨
[J].
Discussion on the height prediction path of water conducting fracture zone
[J].
矿井工作面底板水害综合探查技术研究
[J].
Study on comprehensive exploration technology of water damage in mine working face
[J].
覆岩破坏直流电场特征数值计算
[J].
Numerical calculation of DC electric field characteristics of overburden failure
[J].
覆岩破坏视电阻率变化特征研究
[J].
Study on the variation characteristics of apparent resistivity of overburden failure
[J].
