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高密度电阻率法观测煤层上覆岩层破坏
第29卷第4期 煤
文章编号:
0253-2336(200104-0018-02
炭科学技术 2001年4月
高密度电阻率法观测煤层上覆岩层破坏
刘盛东1,吴荣新1,张平松1,孙兴平2,徐 2
(11淮南工业学院,安徽淮南 232001;21淮南矿业(集团有限责任公司潘一矿,安徽
摘 要:
覆岩破坏引起稳态电场特征发生变化,。
通过观测煤层开采前后覆岩电阻率参数变化,化状况,据此,,,为煤层开采提供可靠的地质依据,。
关键词:
;;中图分类号132 文献标识码:
A 煤炭开采引起煤层上覆岩层变形破坏,产生冒落带和裂隙带,当裂隙网络发育高度超过一定限度,不可避免地导致上覆水体(如地表河流、湖泊以及地下砂岩水等溃入井下,重者造成淹井事故,威胁着煤矿的安全生产,轻者增加矿井排水能力,损失大量人力、物力和财力。
因此,研究覆岩破坏规律,确定合理开采上限,不仅对煤炭资源的合理有效开采,而且对保障煤矿安全生产,都具有十分重要的意义。
近2年来,利用地球物理方法技术研究覆岩破坏产生裂隙的发育状况,初步取得了比较明显效果。
本文针对煤层开采前后覆岩变形和破坏引起岩层电阻率变化这一特征,在煤层顶板布置电极,观测电阻率变化,从而得出顶板覆岩破坏范围。
得地层中的电阻率分布情况,从而可以划分地层、圈闭异常、确定冒裂带等。
观测时,可采用温纳、偶极等装置方式[1]。
112 覆岩破坏电阻率变化理论基础
覆岩破坏直流电场响应模型,一般说来煤系地层中黏土岩、泥岩、页岩类岩石电阻率为1至几十欧姆米,砂岩电阻率在数十至数千欧姆米,煤层的电阻率也为数十至数千欧姆米[2],这些参数作为开采前正常场参数。
煤层开采之后,覆岩变形破坏产生冒落带、导水断裂带和弯曲变形带。
在弯曲变形带内,岩体的电阻率变化不大;在导水断裂带中,其上部裂隙发育弱,其电阻率值一般是正常值的115倍,而在该带下部,裂隙发育,其电阻率值是正常值的215倍左右;在冒落带中,在采后一定时间里松散岩石块被压实,该带电阻率远比正常值大得多,一般该带电阻率是正常值的4~5倍以上[3]。
这样,便可按照电阻率值来确定“三带”的范围。
113 工作方法
1 基本原理
111 高密度电阻率法原理
高密度电阻率法集电剖面和电测深于一体,采用高密度布点,进行二维地电断面测量,提供的数
据量大,信息多,并且观测精度高,速度快,探测的深度也很灵活。
高密度电阻率法的物理前提是地下介质间的导电性差异。
和常规电阻率法一样,它通过A、B电极向地下供入电流I,然后在M、N极间测量电位差ΔV,从而求得该记录点的视电阻
33
率值ρs=KΔV/I(K为装置系数。
根据实测的视电阻率剖面,进行计算、处理、分析,便可获18
在工作面巷道煤层顶板布置1~3组钻孔,钻
孔倾角大于35°,钻孔钻进垂高大于12倍采高,具体深度视采高及岩性组合不同应调整。
采高大、刚性岩层组合中钻进深度应大一些;采高小、软性岩层中钻进深度可小一些。
在孔中布设电极,每隔1~3m设一电极,各电极由导线连接至巷道中,在巷道连接电法仪,按高密度电阻率法进行探测。
随
第29卷第4期 煤炭科学技术 2001年4月
岩,并夹有煤线,局部夹有砂岩。
采动影响前,视
电阻率实测结果如图3a所示,由图可见,采动前煤系地层表现为低阻,阻值基本为20Ω・m以下
工作面向钻孔推进,动态进行观测,从而得到电阻
率的动态变化情况。
2 实例及分析
211 装置布置
本次电法检测裂高实验是作为声波CT探测的辅助探测,钻孔布置在煤层顶板(如图1,煤层倾角7°,钻进深度52m,钻孔仰角40°,钻孔与煤层走向夹角45°,钻孔指向工作面面内。
在钻孔中每隔2m布置一个铜电极,电极最高点距所采煤层顶板36187m,共设置18个电极,电极电缆用PVC管加以保护。
钻孔孔口位于终采线外,护孔口不受破坏。
钻孔安装后,孔
。
图3 视电阻率实测结果
其中上部砂岩与煤层间阻值稍高,与地质剖面图相符合;钻孔周围阻值较高是因为采用水泥浆液注浆
而形成的水泥柱影响所致,其阻值通常小于60Ω・m,影响半径小于5m,与实际施工情况相符合,阻值成层均匀性说明封孔注浆质量良好。
工作面终采1个月后,待冒裂带发育基本稳定
图1 钻孔电极布置
212 探测资料及分析
随工作面的推进,不断地进行电阻率法探测,
从而获得煤层顶板破坏的动态变化数据。
电阻率法采用对称四极装置。
受实际装置限制,本次实验只反映出钻孔深度19~51m范围。
对所采集数据通过视电阻率计算并绘制出等值线图像。
由图2钻孔地质剖面知:
电极控制段地层主要为泥岩及砂质泥
后所测视电阻率等值线如图3b所示。
由图3显然可见采动前、后视电阻率值变化很大,钻孔下部及中上部视电阻率值阻值均显然大于采前阻值。
比较采动前、后视电阻率值的变化可见,距钻孔5m范围内,阻值增大显然与钻孔本身稳定性有关。
故应根据5m以外阻值判断顶板破坏。
钻孔深度27m以下,视电阻率值为100~160Ω・m,为未破坏时正常视电阻率值的2~4倍,并呈斜条带状分布,该条带与钻孔夹角为35°左右,在实际空间上几乎水平,可定为导水断裂带;按钻孔比例关系换算该带高度:
H1=36187×27/52=19114m。
钻孔深度27~39m,视电阻率值基本为10~40Ω・m,视电阻率比采动前视电阻率值略有升高,可定为弯曲变形带,换算该带的高度为H2=8151m。
钻孔深度39m以上,采动前、后阻值基本不变,为正常地层。
本次检测在钻孔下部未发现180Ω・m以上的阻值,说明冒落带在底部电极点以下及孔深18m以下,换算冒落带高度H0=36187×18/52≈12m
(下转第22页
图2 过钻孔地质剖面
19
第29卷第4期 煤炭科学技术 2001年4月
4 结 论
ANSYS是一种功能强大的有限元软件,可以
灵活、方便地对问题进行分析、计算。
ANSYS是高度集成的系统,随着版本的不断更新,功能的不断扩充和完善,在科学和工程计算领域将会有更广阔的应用前景。
、非线性主],因此得到尽可Ψ(θ,i,是对、控制的基础。
应用,对后续工作有极大的理。
图4为所求得的的二维磁化曲线族,图5为相应的三维磁化曲线族
。
图4
515kW参考文献:
[1] 王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践
[M].西安:
西北工业大学出版社,1999.
[2] 詹琼华.开关磁阻电机[M].武汉:
华中理工大学出版社,
1992.
[3] 张国瑞.有限单元法[M].北京:
机械工业出版社,1992.[4] 王振民,郝润科,温景国.SR电机的自然机械特性[J].煤
炭学报,1995(6.
作者简介:
陈 燕(1977-,女,山西朔州人,在读硕士研究生。
研究方向为电力电子及电力传动。
图5 515kWSRM三维磁化曲线
(收稿日期:
2000-09-20;责任编辑:
王宗禹
(上接第19页
以下,这是因为孔深18m位于终采线位置。
由此
可见,该处导水裂隙带高度为19114m。
而声波CT探测其导水裂隙带高度为1717m,地面钻孔同
多组钻孔,进行动态观测,可获得有代表性的、准确的“三带”发育时空关系。
参考文献:
[1] 葛如冰,黄伟义,张玉明1高密度电阻率法在灰岩地区的应
时测得该处导水裂隙带高度为17m,冒落带高度
为9m。
三者差别不大,基本一致。
综上所述,电法测试实验证明,覆岩破坏后电阻率值明显增大,一般为未破坏时正常视电阻率值的2~4倍以上。
采用孔中高密度电阻率法用于探测煤层覆岩破坏是经济可行的,结合其他物探资料和钻探资料,裂高探测的准确度将大大提高。
高密度电阻率法探测的结果是二维剖面,对冒裂带、弯曲变形带的位置、形状均有可视性反映,结合钻孔地质资料与地层产状,就能可靠解释覆岩破坏形态。
在实际检测中,可在工作面沿走向布置22
用研究[J].物探与化探,1999(1.
[2] 岳建华,刘树才1矿井直流电法勘探[M].徐州:
中国矿
业大学出版社,2000.
[3] 程久龙,刘 斌,于师建,等1覆岩破坏直流电场特征数值
计算[J].计算物理,1999(1.
作者简介:
刘盛东(1962-,男,安徽潜山人,硕士,副教授。
1984年毕业于淮南矿业学院。
现从事应用地球物理、工程物探、矿井物探的教学与科研工作。
发表《煤层内断层在双巷声波
CT重建图像中的表现》等论文10余篇。
(收稿日期:
2001-01-18;责任编辑:
曾康生
第29卷第4期 煤炭科学技术 2001年4月
miningwillcauserockdeformationandfailureinoverburdenabovecoalseam.Whenthefailurereachedtoacertaindegree,waterabovetheoverburdenwillrushintothemine.Thegeo2physicstechnologyandmethodcanbeusedforthestudyofoverburdenfailure.Thepaperintroducedthebasicprinciple,workingmethodandapplicationcaseofthemethod.
The
COALSCIENCEAND
TECHNOLOGY
ENGLISHABSTRACTS
PerformanceTestandAnalysisofShotcreteonHorizontal
FreezingWallofMetroTunnel———BaseonthehorizontalgroundfreezingprojectintunnelexcavationforDabeiyaoMetroStationinFu2BaLineofBeijingMetroSystem,ameasurementandanalysisonshotcreteperformancesofthefreezingwallwereconducted.Mainlythetemperature,strengthandoftheshotcreteonthefreezingwallwereandmeasuredresultswereof2cretemeasuredtheoftheandthedeformationofthecanshowthestabilityoftheshotcrete.Thecombinedsupporttechnologywiththehorizontalfreezingandshotcretecansolvethesupportprob2leminundergroundexcavationwithsoftandwaterbearingstra2taformetrosystemandcanbeappliedtootherundergroundex2cavationprojects.
methodismainlydependingonthechangesofthestaticelectricfieldcausedbytheoverburdenthemainchangeistheelectricontheresistanceoperationandthefromthecalculationofthethechangesoftheresistanceratecanshowthechangesoftheoverburdenfailure.Accordingthechangeoftheresistancerate,awaterinrushfailurezonecanbedetermined.ThismethodhasbeensuccessfullyappliedinHuainanMiningAreaandtheresultsofthepracticehavecertified.
ResearchFactorsAffectedtoStrengthofCoke———The
paperstudiedthefactorsaffectedtostrengthofcokewithcoalquality,coalpetrology,coalashcontentandothers.Theresultsshownthatasinglecoalwithmediumcoalreactionandmediumcokingblendedcoalarebestinthermalproperty.Reactionandstrengthafterreactionofthecokewithblendedcoalhasaplusandsumrelationship.Adifferentashcontentofcoalwillhavedifferentinfluencetothereactionofthecoke.
DevelopmentofNewIntelligentMileMeterforMineLo2
comotive———Thepaperintroducedthefunctions,technicalpa2rameters,electriccircuitdesignandworkingprincipleofthenewintelligentmilemeterforminelocomotive.Themetercandisplaytheaveragespeedandtotalmiles,butalsocansetanalarmvalueforoverspeed(baseonaminecertaincondition.Themeterhasalightandlanguagealarmfunction.Whenadrivingspeedoverasetvalue,thelightandlanguagealarmwillbefunctioned.Thememorysystemofthemetercanstoreover100averagespeedvaluesandmaxaveragespeedsandcanbedisplayed.Thedesignofthemeterisaminedesign.Duetoaspecialapplicationcondition,arequiredhighstability,highreli2abilityandhighantiinterferencecapacity,specialmeasuresaremadeforthedesignofthehardwareandsoftware.Themetercanprovideaconvenienttothedriverofthelocomotiveduringthedrivingandalsocanprovidereliabledataforthelocomotivemaintenanceandtransportationmanagement.Themetercanbeablackboxforaccidentinvestigation.
MechanismofRockBurstOccurredfromFloorof
HuafengMine———Baseonthemeasurementofphysicalme2chanicpropertiesforseam,faceroofandfloorinNo.1410MiningFaceofHuafengMineandthelabstudyonrockbursttendency,thepaperanalyzedtherockburstmechanisminfloorofseamroadwayofHuafengMinewithacomputerdataanalysisprogramFLACtostudyandcalculatefloordeformationandhorizontalstructurestressoftheseamroadwayandsupportpressurerelationshipoccurredbyminingandexcavation.Thepaperholdthattheexistingofkeystrataintherockstrataisanecessaryconditiontothefloorstratawithgreatdeformationenergy.Ahighstressfunctionisapowersourceforthefloorstratawithdeformationenergyandrockstratatobefailed.Baseontheconditionstooccurrockburstinthefloor,thepaperpro2videthemeasurestopreventthefloorrockburstinthekeylayerofthefloorstrata.
HighDensityElectricResistanceMethodAppliedtoMon2
itorandMeasureOverburdenFailureAboveSeam———Acoal
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