薄煤层开采覆岩“三带”可视化探测方法研究.pdf

73Rta three zones in thin coal seam miningJ.Safety in Coal Mines,2023,54(8):73-80.移动扫码阅读GUO Huanhuan,QIU Liming,LIUQiang,et al.Research on visualization detection method of overlying stra-(8):73-80.郭欢欢，邱黎开采覆岩带可视化探测方法研究,2023,54D0I:10.112023.08.013SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月煤砺发全No.8Vol.54第8 期第5 4 卷薄煤层开采覆岩“三带 可视化探测方法研究郭欢欢，邱黎明2，3,刘强？，杨乘4（1.永贵能源开发有限责任公司西秀分公司，贵州安顺5 6 10 0 1;2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京10 0 0 8 3；3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西西安7 10 0 7 7;4.贵州盘江煤电集团技术研究院有限公司，贵州贵阳5 5 0 0 0 0）摘要：薄煤层资源开采受上覆煤层瓦斯影响严重，采空区覆岩“三带”范围的探测对安全生产具有重要意义。基于此，开展了煤岩加载电阻率测试实验，分析了煤岩受载破坏过程中电阻率变化和分布规律，并根据现场实际进行了覆岩“三带”埋深规律理论分析及数值模拟，然后开展现场测试。应用直流电法进行的工作面电法测试正演“三带”视电阻率分布规律主要结论如下：煤样裂隙的扩展导致电阻率的变化，其电阻率突增点与煤岩破坏点具有良好的对应性；煤岩受载破坏过程中，电阻率等值线图在载荷作用下存在异常区域，且随煤岩受载产生的不均匀变形产生迁移；煤层开采中采空区受到割顶后集体下沉，将会在采空区上部的裂隙区形成较大的割裂区域，这部分割裂区域内部存在着较大的裂隙，并且会扩展到回风巷顶板岩层中，导致岩层中裂隙增加。电法探测结果表明：实践矿井工作面到垮落带水平距离约为2 0 m左右，断裂带影响阻值变大，其高度为17 m，该结果与理论计算及数值模拟结果一致。关键词：薄煤层开采；覆岩“三带”；电法测试；可视化探测；数值模拟中图分类号：TD326+.2文献标志码：A文章编号：10 0 3-4 9 6 X(2023)08-0073-08esearch on visualization detection method of overlyingg strata three zones in thin coal seam miningGUO Huanhuan,QIU Liming3,LIU Qiang,YANG Cheng*(1.Xixiu Branch of Yonggui Energy Development Co.,Ltd.,Anshun 561001,China;2.School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;3.Shaanxi Key Laboratory of Coal Mine Water DisasterControl Technology,Xi an 710077,China;4.Guizhou Panjiang Coal Power Group Technology Research Institute Co.,Ltd.,Guiyang 550000,China)Abstract:The mining of thin coal seam resources is seriously affected by the overlying coal seam gas.The detection of threezones of goaf roof is of great significance to the safety production.In this paper,we carried out loading coal and rock resistivitytesting experiment,analyzed the loading damage in the process of coal and rock resistivity change and distribution,and carried onthe theoretical analysis and numerical simulation of overlying strata three zones according to the actual embedded depth,and thencarried out field test.Direct current method has been used to test the forward three-zone apparent resistivity distribution.The main conclusions are as follows:the resistivity changes due to the crack propagation of coal samples,and the resistivity surgepoint corresponds well with the failure point of coal and rock;in the process of coal and rock failure under load,there areabnormal areas in the resistivity cloud diagram under load,and it migrates with the uneven deformation of coal and rock underload;the collective subsidence of the goaf after the roof is cut in the coal seam mining will form a large sectioned area in the收稿日期：2 0 2 2-0 6-17责任编辑：朱蕾基金项目：国家自然科学基金资助项目（5 2 0 0 4 0 16）；陕西省煤矿水害防治技术重点实验室开放基金资助项目（2 0 2 1SKMS05）作者简介：郭欢欢（19 8 6 一），男，河南永城人，工程师，本科，主要从事煤矿开采、企业管理等方面的研究。E-mail:通讯作者：邱黎明（19 9 1一），男，河南周口人，副教授，博士，主要从事煤岩动力灾害监测预警方面的研究。E-mail：q i u l m u s t b.e d u.c n74SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤防发全第8 期第5 4 卷fracture area of the upper part of the goaf.There are large cracks in this part of the sectioned area,and it will extend to the roofrock of the return air roadway,resulting in the increase of cracks in the rock;the electrical detection results show that thehorizontal distance from the working face to the caving zone is about 20 m,and the influence resistance value of the fracture zonebecomes larger and its height is 17 m,which is consistent with the theoretical calculation and numerical simulation results.Key words:thin coal seam mining;overlying strata three zones;electrical test;visual detection;numerical simulation煤炭是我国的主要能源，在我国发展中发挥了巨大的贡献。但随着工业化的发展，以煤炭为主的化石能源的大量利用释放了大量的温室气体，造成了严重的环境问题。我国煤炭资源赋存条件复杂，煤岩动力灾害风险较大 2-3 ,特别是对于薄煤层开采矿井，碳中和压力较大。如何提高煤层开采的智能化水平，降低灾害发生的风险，提高资源采出率，是薄煤层开采矿井实现碳中和的重要途径。在采煤工作面推进过程中，上覆岩层随着煤层的采动逐渐发生垮落，在采空区形成垮落带、断裂带、弯曲下沉带等纵向“三带”。这些“三带”范围探测精度有限，导致采空区遗漏煤现象严重，造成了薄煤层的煤炭资源损失浪费。因此，对于薄煤层采空区覆岩“三带”范围的监测极为重要。直流电法基于探测煤岩内部电阻率的差异，能够反映出煤层内部的结果变化 2-3 。吴荣新等 4 通过在工作面高抽巷布置电法测试系统监测，发现回采工作面采动应力的变化与覆岩破坏电性呈周期性变化相一致；张平松等 5 在煤层顶底板位置布置电法测试装置对采动应力超前规律及顶板变形与裂隙发育特征进行分析，其垮落带和断裂带高度与“三下”开采规程计算数值相吻合；杨伟俊等 6 通过在边坡稳定性分析中引进超高密度直流电法系统，进行数据分析充分说明了直流电法在边坡稳定性分析中的高效便捷；刘树才等7 通过巷道内接收地面-巷道直流电阻率法技术分析偶极源电场及不同深度归一化电位差曲线分布特征，可有效探测巷道全方位隐蔽致灾因素；孙希奎等 8 通过电阻率法动态监测对工作面底板应力分布及破坏规律进行探究，得出了电阻率变化与开采对工作面的扰动关系，解决了相应煤层底板突水问题；王超等 9 基于电阻率与岩石孔隙率、体积应变之间的关系推导出了电阻率与体积应变的关系，并对不同区域的电阻率系数进行了研究。关于煤层内部变化的精细化研究，已应用于水力压裂区域的影响范围测试、煤炭火灾勘察 等；LI等 12 、吴小平等 13 研究了直流电法三维有限元模拟方法;高卫富等 14 、刘玉等 15 利用ANSYS对全空间直流电法的异常体进行了正演数值模拟。由此可见，直流电法探测技术具有探测范围广、精度高的特点，能实现对复杂结构的可视化探测基于此,开展了煤岩加载电阻率测试实验，分析了煤岩受载破坏过程中电阻率变化和分布规律，并根据现场实际进行了覆岩“三带”埋深规律理论分析及数值模拟；基于实验及数值模拟基础，开展了直流电法现场测试，探究了覆岩“三带”的视电阻率分布规律；研究有助于为煤层开采提供技术支持，全方位保障矿井的安全生产。1煤岩加载电阻率响应规律1.1煤岩受载破坏过程电阻率变化规律为了确定煤体受载破坏过程的电阻率变化规律；本实验测试了某矿区2 种煤样的电阻率单轴破坏变化情况。其中载荷控制系统试验机采用YAW-600微机控制电液伺服煤岩试验机，电阻表采用LCR电表，仪器由本研究采用VICTOR4080LCR测试仪器。测试方法如图1。2 块不同试样的电阻率变化情况及最终破坏情况如图2。321绝缘垫片；2 一煤样；3 一LCR电表。图1实验加载示意图Fig.1Schematic diagram of experimental loading从图2 可以看出：a煤样电阻率随着加载的进行呈现出“波动变化-缓慢上升-加速上升”的变化趋势，其中波动段电阻率分布在6 0 0 Qm左右，随后在煤样破坏时电阻率突增到了9 0 0 Qm以上；而b煤样电阻率在整个加载过程中呈现出“下降-波动变化-突增”的变化趋势，