基于相似模拟的浅埋深煤层覆岩采动裂隙分析

根据相似模型试验,探讨了运用视电阻率法的物探技术来反演浅埋深覆岩采动裂隙发育演化规律的可行性,分析了采动过程中浅埋深煤层覆岩变形破坏前后电性参数的变化及其与覆岩裂隙发育范围、程度之间的关系。研究发现:视电阻率法可以探测浅埋深煤层覆岩采动裂隙的演化过程,电阻率变化率的等值线图可以体现裂隙发育形态,提出以电阻率变化率作为划分覆岩破坏"三带"的标准。在浅埋深煤层的采动过程中,上覆岩层导水裂缝带的范围持续向上方、前方扩展,但裂隙在水平与垂直方向的发育具有不平衡性,薄基岩层明显阻碍了裂隙向上的发育,水平方向的裂隙发育范围明显大于垂直方向。而一旦裂隙发育突破了基岩层,就会瞬间贯通该基岩层上方的附着岩层或地表。     

电法测试技术在覆岩破坏监测中应用

介绍了电法测试技术在覆岩破坏监测中的应用。从煤层开采引起的覆岩破坏的一般规律出发,分析了覆岩破坏与其电阻率和供电电流之间的关系,设计了现场探测覆岩破坏的方案,并进行了煤层开采覆岩裂隙演化规律和覆岩破坏范围的动态探测。通过对采动过程中覆岩视电阻率和电极供电电流的综合分析,得出1116(1)工作面开采后采空区上方0~13m为垮落带,13~43.5m为裂隙带。研究成果为煤矿安全生产提供了直观有效的技术参数。     

视电阻率动态监测断裂带发育规律

基于简易水文观测分析法探测煤层断裂带的弊端，运用电法勘探和岩石力学的有关原理，提出了在工作面巷道顶板施工地质钻孔，在孔中埋设电极，采用二极电阻率法，动态观测煤层顶板视电阻率的技术工艺；通过对5个工作面的实验测试，结果表明，煤层顶板视电阻率动态监测技术可以直观动态监测断裂带的发育形态以及采动矿压的显现规律，并取得了良好的监测效果，为矿井安全提供了有效的探测手段．实际探测表明，对于全空间电阻率观测，其视电阻率值的实际反应主要是以突出异常为主，当煤层覆岩视电阻率较背景电阻率值增大1-2倍时为裂隙发育带，当增大3倍以上的变化为垮落离层带．     

煤层开采覆岩破坏发育规律动态测试分析

针对工作面覆岩破坏高度观测的需要,改进单孔测试方法,利用顶板岩层钻孔和巷道形成探测区域,采用孔巷电阻率法进行电性参数采集与处理,在工作面回采推进过程中进行动态测试,根据顶板岩层视电阻率值的变化分析其内部结构变化特征,获得覆岩变形与破坏的发育规律,以及“垮落带、导水断裂带”发育高度值。在淮北某煤矿工作面顶板孔巷电性参数测试结果表明,该工作面开采条件下其垮落带高度为8.1~8.5 m,导水断裂带高度为29.0~32.5 m。根据岩层不同时间电阻率值分布的有效对比,可清晰分辨煤层顶板岩层变形与破坏的过程和规律,且多断面测试结果表明其实测结果的可靠性。     

基于EH-4大地电磁法探测导水裂缝带发育高度

在导水裂缝带发育高度探测研究上,针对传统观测技术工程量大、观测期长等问题,在分析传统观测技术及其适用条件基础上,研究采用地面物探技术EH-4大地电磁法,通过探测地下岩层视电阻率及其变化,较快捷地测定了泰安煤矿6103工作面开采覆岩视电阻率变化特征,确定了该工作面导水裂缝带最大发育高度为63．4m,马鞍形平底高度为58．9m。实践证明采用EH-4大地电磁法能有效探测煤层采后导水裂缝带发育形态及其发育高度。     

8.8m超大采高综采工作面顶板水害动态监测技术研究

针对上湾煤矿8.8 m超大采高综采工作面回采过程中顶板可能存在的水害隐患,采用视电阻率监测系统对工作面回采至石灰沟段顶板裂隙导通上覆含水层的情况进行了分段动态监测,结合地面水文观测孔及工作面涌水量对监测结果进行验证,并划分顶板水害预警级别。结果显示:在采空区内有明显的高阻异常发育,分析为煤层采空后顶板冒落导致上覆岩体裂隙增大所致。随着工作面的推进,在距离切眼1576～1766 m、1842～2260 m范围内存在低阻异常区,分析认为导水裂隙带导通了上覆含水层;通过查看井下采空区涌水和地面水文孔观测数据,验证了视电阻率监测结果。根据视电阻率监测情况对12401工作面顶板水害预警级别进行了评估,该工作面水害风险预警级别为二级预警,水害风险一般。     

覆岩变形破坏高密度电法探测的相似模拟

通过构建高密度电法覆岩探测物理相似模拟平台,模拟工作面回采不同阶段的覆岩变形破坏规律。研究表明,实际电阻率变化率随弯曲变形带、裂隙带至垮落带逐步增大,而探测敏感性随深度增大逐步减小,覆岩变形破坏在反演电阻率变化率断面图中表现为上下大,中间小的沙漏形异常形态。基于反演电阻率变化率的动态探测方法可以实现对覆岩变形破坏的有效划分,能够为现场高抽巷布置提供依据。     

受压岩石的电阻率变化特征与煤矿采空区覆岩的损伤演化

煤矿采空区覆岩损伤的准确表征对于采空区场地稳定性评价至关重要。而基于受压岩石电阻率变化特征采用高密度电法获取覆岩电阻率可以实现覆岩损伤的表征。基于孔隙率与电阻率、体积应变之间的相关关系推导岩石电阻率与体积应变的表达式,并结合RFPA软件对承载岩石电阻率特性进行验证性描述|采用类比法建立基于电阻率的损伤变量,并引出电阻率比例系数表征覆岩损伤程度|采用电阻率探测、理论公式与钻孔验证的点面结合的方法确定覆岩三带特征。结果表明：受压岩石电阻率由前期孔隙压缩而减小转为后期裂隙扩展而增加|在覆岩采空区处电阻率系数大于1.6,采空区邻近区域电阻率系数在1.2～1.6,其他区域电阻率系数小于1.2,为覆岩三带的确定提供理论参考。     

薄煤层开采覆岩“三带”可视化探测方法研究

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20 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。     

覆岩弯曲带动态沉陷规律的相似材料模型研究

分析了采煤过程中覆岩变化规律的研究现状,以相似材料模拟实验为基础,采用工业测量系统观测并对数据进行坐标转换、匹配、模型改正等处理,得到覆岩弯曲带的动态下沉曲线和水平移动曲线,并进行非线性回归分析,得出概率积分法预计参数以及回归拟合出弯曲带动态下沉和动态水平移动随时间变化的函数关系.     

直流电法在底板矿井水探测中的应用

矿井水一直都是杨庄煤矿采掘过程中的主要威胁,为了查明III51行人下山底板水的赋存状况,采用直流电法对底板进行了探测。介绍了测试方案、测点布置、探测仪器和探测关键技术措施等,并对探测的原始资料进行了评述,通过软件解释,得到了底板视电阻率相对低阻区。结果显示,该处有3处相对低阻区,其中第2低阻区赋水的可能性最大。通过打钻验证,该区域出水量达130m3/min。实践证明,直流电法在煤矿采区底板中探测水非常有效。     

厚松散层薄基岩坚硬顶板工作面覆岩破坏电法监测

掌握导水裂缝带发育高度对于厚松散层薄基岩煤矿工作面安全开采具有重要的意义。在煤层采动影响前,在工作面巷道向煤层工作面顶板施工1个仰孔,布置孔中电极电缆,形成钻孔电法监测系统。在巷道中连接并行电法仪器和钻孔电缆,数据采集方式称为AM法。随采煤工作面位置逐渐接近并进入钻孔控制范围,监测电极电流值和视电阻率值发生变化。结果表明:对潘北煤矿厚松散层薄基岩坚硬顶板工作面电法监测显示,弯曲下沉带电极电流值和视电阻率值较为稳定,受采动影响程度较小;导水裂缝带内,电极电流值明显下降,视电阻率值明显升高;顶板高度0~40 m采动超前影响范围可达410 m左右;工作面坚硬顶板砂岩地层为控制覆岩破坏的关键层,采空区上方坚硬顶板岩层垮落滞后工作面9~16 m;工作面导水裂缝带高度为37 m,导水裂缝带未发育到基岩面,风化砂质泥岩裂隙在采动应力作用下存在闭合现象。     

瞬变电磁法在贵港岩溶勘查中的应用

应用瞬变电磁法在岩溶地区进行面积性控制测量，在上覆低阻层（浮土、水）条件，通过分析视电阻率及二次场，准确地推断出岩溶及破碎带的分布情况。     

煤矿井下探测中影响不含水断层视电阻率变化的单一主控因素分析

选取晋城矿区典型3号无烟煤试样，在实验室进行单轴加载条件下的电阻率测试实验，并开展矿井瞬变电磁法探测不含水断层现场试验，研究了不含水断层的视电阻率变化特征。结果表明:煤样加载全过程，经过压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、峰值后破裂阶段、残余变形阶段5个阶段；煤样应力应变曲线表现为由低到高再到低的特征，煤样电阻率曲线表现为由高到低再到高的特征；加载过程中，压密阶段、弹性变形阶段应力越大电阻率越小，应力为影响电阻率变化的主控因素；塑性变形阶段，电阻率先减小后增大，应力和裂隙共同影响电阻率变化，由应力为主要因素逐渐转变到裂隙为主要因素；峰值后破裂阶段和残余变形阶段电阻率急速增大，裂隙为影响电阻率变化的主控因素；通过瞬变电磁法探测不含水断层试验，发现不含水断层导致视电阻率明显升高，表明裂隙为影响断层视电阻率单一变化的主要因素。     

电阻率法监测煤层底板破碎带数值模拟

提出了采用直流电阻率法监测煤层底板破碎带的演化规律,分析总结了底板破碎带的一般演化规律,建立了相应的地电模型,并采用共轭梯度算法,对煤层底板破碎带的地电响应特征进行了三维有限元数值模拟。模拟结果表明,采用电阻率法监测煤层底板破碎带的演化规律效果明显,尤其对横向电性结构的变化反映灵敏,能清晰地显示出破碎带在回采过程的演化情况,有利于煤矿底板突水实时监测和预报。     

水力压冲影响范围监测技术研究

水力压冲技术是针对低渗煤层瓦斯治理的有效手段之一。以水力压冲的基本原理为基础,通过分析新田煤矿现场情况,制订了水力压冲施工方案,建立了水力冲压影响范围监测流程,并通过监测视电阻率变化分析出该压冲钻孔的影响区域,推算出有效影响半径约20 m;压冲过程中的抽采钻孔出水点经验证与出水情况相吻合。结果表明,利用视电阻率监测水力压冲影响范围具有较高的精度。     

岩石脆性临界破坏视电阻率变化与应力比

针对岩体破坏过程中电阻率变化问题,分析了岩石受载变形破坏过程中电阻率的演化规律,利用重整化群理论并结合岩石压缩破坏试验,研究分析岩石电阻率变化与岩石变形破坏演化阶段之间的关系,在此基础上推导出了受载条件下岩石破裂前电阻率突变所对应的应力和岩石峰值应力比值的表达式,实验室加载情况下其值大都在70%~80%,同时根据相关实验数据应力比均值约为75%,误差在±9%之内,验证了分析的合理性。     

矿井瞬变电磁法在石墨矿中的应用

为了对石墨矿采空区及裂隙带富水性进行评价,开展了瞬变电磁法在矿井中的应用方式探究。结合矿井实际条件,将瞬变电磁技术应用到井下巷道内进行探测,采用多匝数和小回线(边长1 m左右)井下测量装置,对即将掘进的巷道迎头进行不同仰角全方位的数据测量;利用瞬变电磁视电阻率晚期公式计算不同方位的视电阻率,绘制同一仰角不同方位的扇形视电阻率剖面图,从而圈定前方的相对富水异常区。通过钻孔进行抽放水并验证,发现瞬变电磁法探测深度大约60 m左右,该方法可有效地预测巷道掘进迎头前方的含水异常,以及前方采空区的积水情况和裂隙发育区的含水情况,从而达到排查水害的目的。     

岩石电阻率特性及在煤矿采空区探查中的应用

地层电阻率蕴含丰富地层信息，岩石电阻率的准确描述对于电阻率探测解释尤为重要。系统分析岩土材料电阻率特性，结合麦克斯韦电导率理论公式推导非饱和岩石电阻率公式，并采用阿尔奇公式验证其合理性|采用高密度电法与瞬变电磁法对场区进行综合探测，利用岩石电阻率理论解释采空空洞及覆岩电阻率特征，并进行钻探验证。结果表明，受压岩石电阻率与体积应变正相关，采空空洞邻近区域存在电性异常过渡带，过渡带高度与垮落断裂带高度较为一致，同时电阻率综合探测可以基本揭露采空区展布形态。     

煤层气井排采过程中煤储层水系统的动态监测

为了研究煤层气井排采过程中煤储层水系统的动态传播特征,基于煤系不同岩层不同含水状态的导电性差异,在沁南地区选择一口煤层气排采井,分别在该井排采前、排采半年后进行了煤储层水系统瞬变电磁动态探测。在该井排采范围内设置400 m×300 m的矩形测网,垂直地层走向布置16条测线,每条测线上布置400个测点,在测网内部形成20 m×10 m的观测坐标网格,通过数据采集、资料处理与定量解释,获得排采前、排采半年后各测线、测点煤系视电阻率对比图、视电阻率拟断面对比图、视电阻率顺层切片图,分析结果表明排采前煤储层水系统分布相对较均一,排采半年后煤储层水系统非均质性十分明显。在连通性差的区域,排采半年后煤储层水系统中静水储量部分被排出,煤层及其顶板砂岩视电阻率有不同程度地升高;在连通性较好区域,由于地下水动态补给,煤层及其顶板砂岩视电阻率降低。