孔内直流电法探测煤层底板破坏深度研究

摘要

煤炭安全开采一直备受社会各界的关注，其中突水灾害作为煤矿重大灾害之一，尤其是底板承压水经常造成经济、人员等重大损失。当煤层工作面开始回采时，势必对工作面底板岩石造成破坏，使其电性发生变化，底板隔水层厚度降低，若无法确定剩余隔水层厚度能否承受底板承压水的压力，将会对工作面正常回采造成严重影响。直流电阻率法主要反应地下岩、矿石的电性信息，而钻孔一般与目标体距离较近，本文结合直流电阻率法特点与钻孔距离目标体近的优点，提出了一种通过钻孔进行直流电法探测从而确定煤层破坏深度的方法。该方法是在钻孔内布设供电电极和接收电极，在工作面回采前进行一次数据采集并计算视电阻率，通过回采不同程度时探测到的视电阻率与初始视电阻率获得视电阻率变化率，结合视电阻率、视电阻率变化率以及数据采集时每个电极位置的电流变化情况进行工作面底板破坏深度的确定。 本文首先通过数值模拟，分别对高阻、低阻底板破坏带的直流电法探测结果特征进行分析，通过视电阻率变化率计算公式得出不同电性的底板破坏带视电阻率变化率特征，得出以下结果：高阻底板破坏带的视电阻率变化率形态较为复杂，随着回采工作面的推进，在其前方和下方形成变化率闭合等值线；低阻底板破坏带的视电阻率变化率形态较为简单，当底板下方电阻率一致时，视电阻率变化率极大值处于底板破坏带中心位置，当底板下方电阻率为高-低-高-低状态时，较薄的底板破坏带视电阻率变化率极大值出现在破坏带下方边界，对于较厚底板破坏带视电阻率极大值出现在破坏带位置。 随后选取某矿区准备回采的工作面通过网络并行电法仪采集电流数据和电位数据，通过采集到的数据计算视电阻率以及视电阻率变化率，绘制电流断面图、视电阻率断面图和视电阻率变化率断面图，结合三种数据综合分析底板破坏深度。与传统直流电法相比，孔内直流电法采集到的电流变化情况、视电阻率及视电阻率变化率的综合解释对底板破坏厚度具有更高的分辨能力。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 煤层底板突水研究现状

1.2.2 矿井直流电法研究现状

1.3 本文研究的主要内容

1.4 论文的组织结构

2 基本原理

2.1 底板采掘破坏带探测基本原理

2.1.1 孔内电阻率成像法

2.1.2 数据采集方式

2.1.3 数据处理方式

2.2 矿井直流电法三维正演

2.2.1 点电源激励下的微分方程

2.2.2 边界条件

2.2.3 异常场法

2.2.4 有限差分算法的实现

2.3 本章小结

3 钻孔电阻率法数值模拟

3.1 均匀背景模型设计

3.2 均匀背景模型模拟结果及分析

3.2.1 高阻底板破坏带

3.2.1 低阻底板破坏带

3.3 均匀背景模型视电阻率变化率分析

3.3.1 高阻底板破坏带视电阻率变化率

3.3.2 低阻底板破坏带视电阻率变化率

3.4 层状模型设计

3.5 层状模型模拟结果及分析

3.5.1 高阻底板破坏带

3.5.2 低阻底板破坏带

3.6 层状模型视电阻率变化率分析

3.6.1 高阻底板破坏带视电阻率变化率

3.6.2 低阻底板破坏带视电阻率变化率

3.7 本章小结

4 工程试验

4.1 矿区背景

4.2 监测钻孔设计

4.2.1 钻孔位置选择及参数设计

4.2.2 实测钻孔参数

4.3 数据采集

4.4 钻孔内监测数据处理与分析

4.4.1 孔内电流数据处理与分析

4.4.2 孔内视电阻率数据处理与分析

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

作者简历

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