煤層頂?shù)装宀蓜?dòng)破壞同步動(dòng)態(tài)監(jiān)測電性特征分析*

楊海平 劉盛東 楊 彩 章 俊

(①中國礦業(yè)大學(xué)， 資源與地球科學(xué)學(xué)院， 徐州 221116，中國) (②中國礦業(yè)大學(xué)， 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 徐州 221116，中國) (③中國礦業(yè)大學(xué)， 礦山互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 徐州 221116，中國) (④中國礦業(yè)大學(xué)， 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心， 徐州 221116，中國)

0 引 言

中國華北石炭-二疊紀(jì)煤層的頂板砂巖裂隙含水層是煤層開采的直接充水水源，同時(shí)開采也受到底板太原組和奧陶系強(qiáng)巖溶含水層的威脅(Zhang， 2005)。地下煤層開采，引起煤層頂、底板圍巖應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致圍巖變形破裂，圍巖滲透性改變，具有溝通煤層頂、底板含水層的風(fēng)險(xiǎn)。深部開采的“三高一擾動(dòng)”(何滿潮等， 2005； 謝和平， 2017)在礦井水害問題上表現(xiàn)顯著。在煤層回采過程中，對(duì)圍巖形變及導(dǎo)水通道進(jìn)行有效監(jiān)測，對(duì)于煤層回采工作面突水預(yù)測、采煤方法的改進(jìn)、安全生產(chǎn)評(píng)價(jià)具有重要意義。為此，選擇研究區(qū)域?yàn)樾熘菔肯堤M的9號(hào)煤層，對(duì)該煤層頂、底板采動(dòng)過程進(jìn)行同步電法動(dòng)態(tài)監(jiān)測，得到采動(dòng)前后頂、底板巖層電性的同步響應(yīng)，對(duì)煤層回采過程中頂、底板圍巖在采煤擾動(dòng)下的電性規(guī)律進(jìn)行分析。

國內(nèi)外對(duì)煤層開采引起的圍巖破壞形態(tài)以及導(dǎo)水通道形成等工程問題進(jìn)行了大量的研究，煤層在自然垮落法開采過程中，分別在頂板形成垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶、離層帶和彎曲下沉帶，底板形成裂隙破壞帶等特征。形成了頂板覆巖破壞的“上三帶”或“上四帶”以及底板“下三帶”“下四帶”等理論(李白英， 1999； 施龍青， 2009； 呂玉廣等， 2016)。其中導(dǎo)水裂隙帶是頂板涌水的主要通道，將導(dǎo)水裂隙帶頂界高度作為頂板水害評(píng)價(jià)工作的重點(diǎn)； 底板破壞帶深度的預(yù)測，對(duì)于底板灰?guī)r水的防治至關(guān)重要。

近年來隨著電法勘探、監(jiān)測設(shè)備與技術(shù)的發(fā)展，以圍巖自然電位、電阻率等電性指標(biāo)評(píng)價(jià)圍巖變形破壞程度的方法(張平松等， 2009， 2021； 靳德武等， 2020； 吳榮新等， 2020； 魯晶津， 2021)得到應(yīng)用與推廣，隨著并行電法監(jiān)測技術(shù)在國內(nèi)各礦區(qū)的推廣應(yīng)用(劉盛東等， 2011， 2019； 楊彩等， 2012； Yang et al.， 2017； 劉靜等， 2018)，以圍巖電性為研究對(duì)象，以并行電法技術(shù)為手段，并通過與鉆孔注水法、光纖應(yīng)變法、鉆孔聲波、鉆孔電視等方法的現(xiàn)場對(duì)比實(shí)踐，表明并行電法動(dòng)態(tài)測量技術(shù)具有參數(shù)多、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢，在煤層開采過程中可進(jìn)行探測與監(jiān)測，主要是分別用于煤層頂板或底板的破裂監(jiān)測中，而同時(shí)在采煤工作面進(jìn)行煤層頂、底板全空間地電場特征的監(jiān)測還未見報(bào)道，這是本文研究內(nèi)容的創(chuàng)新所在。

1 研究區(qū)域地質(zhì)概況與觀測系統(tǒng)布置

1.1 研究區(qū)域地質(zhì)概況

圖 1 礦井水文地質(zhì)剖面示意圖Fig. 1 Profile of hydrogeological section plane of mine

圖 2 煤層頂、底板采動(dòng)破壞同步電法監(jiān)測系統(tǒng)布置圖Fig. 2 Layout of synchronous electrical monitoring system for coal seam roof and floor mining failure

1.2 現(xiàn)場觀測系統(tǒng)布置

在工作面巷道中選取一處觀測站，設(shè)置并行電法井下工作站和鉆窩，鉆窩內(nèi)施工4個(gè)觀測鉆孔，鉆孔開孔方向均指向工作面切眼方向，分別在頂、底板各施工2個(gè)觀測孔(圖 2)，頂板施工仰角鉆孔分別為1#鉆孔(傾角26°，孔深72m)和2#鉆孔(傾角10°，孔深67m)，底板施工俯角鉆孔分別為3#鉆孔(傾角-29°，孔深60m)和4#鉆孔(傾角-40°，孔深63m)， 4個(gè)鉆孔施工完成后，對(duì)鉆孔進(jìn)行測斜以確定每一個(gè)測點(diǎn)電極的空間位置。在每個(gè)鉆孔均勻布置24對(duì)電極(供電電極與采集電極相互間隔20cm的隔離間距)，單孔電法測線長59.8m，相鄰電極對(duì)間距2.6m。現(xiàn)場電阻率數(shù)據(jù)采集供電電壓96V，恒流時(shí)間0.5s，采樣間隔50ms，數(shù)據(jù)采集模式AM法(劉盛東等， 2006)，利用單點(diǎn)電源供電形成的電場，即任一電極供電(A極)，其余電極作為 M 極同時(shí)進(jìn)行電位測量，然后自動(dòng)順次切換電極，直至所有電極完成供電，公共供電電極B設(shè)在工作面停采線位置，距鉆窩450m，相當(dāng)于無窮遠(yuǎn)，公共比較電極N在鉆窩內(nèi)，完成一個(gè)供電循環(huán)后，從采集數(shù)據(jù)中提取三極數(shù)據(jù)； 自然電位數(shù)據(jù)采集的采樣間隔是10s。基于以上數(shù)據(jù)中提取自然電位及4個(gè)鉆孔及其孔間的電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在工作面距離鉆窩90m開始數(shù)據(jù)采集，此時(shí)工作面采動(dòng)對(duì)監(jiān)測區(qū)域視為無影響。此次頂、底板電法數(shù)據(jù)監(jiān)測周期歷時(shí)2個(gè)月(2017年10月12日～12月11日)，得到了煤層頂、底板受采動(dòng)影響過程的地電場響應(yīng)特征。

圖 3 煤層頂、底板4個(gè)鉆孔背景視電阻率剖面圖(單位： Ohm·m)Fig. 3 Profile of background value of apparent resistivity of four boreholes in coal seam roof and floor(unit: Ohm·m)

2 頂?shù)装宀蓜?dòng)破壞電阻率響應(yīng)特征分析

基于直流電法的體積效應(yīng)，只對(duì)視電阻率的淺層數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖 3分別為4個(gè)鉆孔的視電阻率剖面圖，“五灰”、“八灰”和“十灰”在鉆孔附近均表現(xiàn)為相對(duì)高電阻值(視電阻率范圍100～120 Ohm·m)，與實(shí)際地層相符。

在此基礎(chǔ)上，提取4個(gè)鉆孔的鄰孔對(duì)穿電阻率數(shù)據(jù)采用AGI EarthImager 2D反演后，得到工作面距離鉆窩不同距離頂?shù)装邈@孔四孔聯(lián)合視電阻率剖面圖(圖 4)，將工作面遠(yuǎn)離鉆窩90m處的剖面作為背景視電阻率剖面(圖 4a)。將進(jìn)一步進(jìn)行相應(yīng)的分析。隨著工作面回采，工作面距離鉆窩60m時(shí)(圖 4b)，頂板“八灰”發(fā)生破裂，底板破壞帶深度延伸至“十灰”上部，圖 4中黑色虛線圈定區(qū)域?yàn)轫數(shù)装宀蓜?dòng)破壞劇烈變化區(qū)域，通過對(duì)比該區(qū)域視電阻率前后變化情況，頂板受張力破壞引起的視電阻率變化大于底板，隨著工作面回采至距離鉆窩40m，圖 4中紅色虛線圈定區(qū)域的視電阻率值開始升高，圍巖的破壞范圍不斷向上、下隨著工作面擴(kuò)展(圖 4c)。當(dāng)工作面回采至距離鉆窩30m(圖 4d)，工作面靠近藍(lán)色虛線圈定區(qū)域，該區(qū)域視電阻率顯著升高； 此時(shí)綠色虛線圈定區(qū)域的視電阻率基本保持不變，分析判定底板破壞帶發(fā)育至底板下砂巖層中部25m左右停止； 紅色虛線圈定區(qū)域視電阻率值與圖 4c相比保持穩(wěn)定狀態(tài)，未進(jìn)一步向上方發(fā)展，認(rèn)為研究區(qū)域內(nèi)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至“五灰”底部32m左右； 黑色虛線圈定區(qū)域在頂?shù)装寰霈F(xiàn)顯著低阻區(qū)域，推斷是由于工作面回采進(jìn)度緩慢(約為1m·d-1)，受地應(yīng)力作用在工作面后方的垮落巖體被壓實(shí)同時(shí)底板有出水，導(dǎo)致工作面后方視電阻率變低?？缈纂娮杪时O(jiān)測動(dòng)態(tài)變化圖可以清楚地顯示孔間電阻率隨采煤工作面逐步推進(jìn)的動(dòng)態(tài)變化情況，結(jié)合地質(zhì)資料，可以確定頂板“五灰”沒有完全被破壞，底板“十灰”受采動(dòng)影響受到破壞，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至底板下砂巖層中部。

圖 4 煤層頂?shù)装逅目茁?lián)合視電阻率剖面圖(圖中視電阻率取對(duì)數(shù)處理，單位： log10 Ohm·m)Fig. 4 Profile of apparent resistivity of four boreholes combination in coal seam roof and floor (the apparent resistivity in the figure is logarithmic， the unit is log10 Ohm·m)

圖 5 工作面底板直流電法三維探測Fig. 5 3D detection of panel floor by DC method a. 底板三維探測電阻率反演結(jié)果圖； b. 回采面電阻率反演剖面圖

圖 6 第42#電極自然電位曲線圖Fig. 6 Self-potential curve of the 42nd electrode

圖 7 頂?shù)装宀煌恢秒姌O自然電位曲線圖Fig. 7 Self-potential curves of electrodes at different positions of coal seam roof and floor

圖 8 自然電位時(shí)間—強(qiáng)度剖面圖Fig. 8 Profile of self-potential time-intensity

為驗(yàn)證底板破壞電阻率監(jiān)測的準(zhǔn)確性，在電法監(jiān)測數(shù)據(jù)采集前，在10月1日對(duì)監(jiān)測鉆孔所在工作面底板進(jìn)行三維并行電法探測，在工作面選取回采面、機(jī)巷、風(fēng)巷布置“U”形設(shè)計(jì)并行三維電法觀測系統(tǒng)，相鄰電極距是10m，對(duì)底板電阻率分布情況進(jìn)行靜態(tài)探測，如圖 5所示。數(shù)據(jù)經(jīng)三維電阻率反演后(圖 5a)，提取回采面所在剖面進(jìn)行分析(圖 5b)。從剖面上明顯看到底板破壞帶深度在-40m標(biāo)高左右，工作面底板標(biāo)高-15m，破壞帶深度在25m，與動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果基本符合。

3 頂?shù)装宀蓜?dòng)破壞自然電位動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征

此次采用雙模式電極進(jìn)行自然電位數(shù)據(jù)的采集，可有效保證自然電位數(shù)據(jù)不受電極極化效應(yīng)的影響。自然電位采樣頻率為0.1Hz。自然電位原始數(shù)據(jù)上的高頻毛刺主要來源于現(xiàn)場采煤機(jī)、動(dòng)力電纜等的電磁干擾。通過對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行去除奇異點(diǎn)、小波變換處理，去除現(xiàn)場高頻噪聲，取低頻部分信號(hào)，得到工作面回采過程中自然電位的變化曲線(圖 6)，自然電位的低頻信號(hào)與原始信號(hào)總體走勢基本吻合。分別選取頂板“五灰”中下部6#電極，“五灰”下砂巖中的13#電極，“十灰”下砂巖中的73#電極、75#電極進(jìn)行分析(圖 7)，整個(gè)回采過程自然電位的變化可分為3個(gè)階段： 10月27日之前，工作面遠(yuǎn)離鉆窩，圍巖破壞范圍并沒有影響到監(jiān)測區(qū)域，此時(shí)自然電位曲線產(chǎn)生波動(dòng)，幅值在50mV以內(nèi)； 當(dāng)工作面進(jìn)入測線監(jiān)測區(qū)域，頂?shù)装彘_始破裂，自然電位曲線開始波動(dòng)加大(a， b，c點(diǎn))，且底板破壞的時(shí)間略早于頂板，隨著工作面不斷回采，受地應(yīng)力作用，原已產(chǎn)生的裂隙受擠壓產(chǎn)生閉合，自然電位曲線下降(d， f，g點(diǎn))，同時(shí)也產(chǎn)生新的裂隙(e， h點(diǎn))，在此階段曲線變化幅值較大在50～300mV以上； 11月29日以后，頂?shù)装辶严痘景l(fā)育穩(wěn)定，自然電位曲線亦恢復(fù)為平緩波動(dòng)。

將各電極按相對(duì)頂、底板高度自上而下(縱軸=0處為煤層頂板)依回采時(shí)間(橫軸)成自然電位時(shí)間剖面(圖 8)，煤層是地層中電阻率極高的地質(zhì)體，其頂板自然電位值明顯高于底板自然電位值，此時(shí)基準(zhǔn)電極位于工作面底板，表現(xiàn)為頂板以上電位值基本為正，底板以下電位基本為負(fù)。在工作面回采前期(10月27日，工作面距離鉆窩55m以外)，此段時(shí)間內(nèi)，頂板、底板自然電位保持一致略有波動(dòng)，波動(dòng)范圍50mV左右； 監(jiān)測范圍內(nèi)回采中后期，底板深部巖層破裂、壓實(shí)導(dǎo)致自然電位升高、降低，其劇烈程度遠(yuǎn)大于淺層巖層斷裂引起的自然電位變化，最終保持穩(wěn)定，同樣頂板高層位巖層斷裂引起的自然電位變化遠(yuǎn)大于低層位斷裂引起的自然電位變化，不同于底板，在監(jiān)測中后期，頂板破裂受巖層控制，電位會(huì)分層升高。在整個(gè)回采過程自然電位呈波動(dòng)變化，表征裂隙在整個(gè)回采過程中受垮落、壓實(shí)，產(chǎn)生張合。

4 結(jié) 論

(1)基于并行電法監(jiān)測技術(shù)，通過同時(shí)在煤層頂板及底板布設(shè)電法監(jiān)測鉆孔，獲得了煤層圍巖頂?shù)装宀蓜?dòng)前后電阻率及自然電位同步響應(yīng)特征。該方法可實(shí)現(xiàn)工作面推進(jìn)過程中頂?shù)装鍘r層破壞的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，同時(shí)結(jié)合雙模式并行電法的采集方式，在電阻率法剖面掃描間隔期間采集自然電位數(shù)據(jù)，通過對(duì)工作面圍巖全空間地電場特征研究，最終可獲得工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶及底板破壞帶發(fā)育范圍。

(2)根據(jù)未采動(dòng)前煤層頂?shù)装咫娦员O(jiān)測，得到頂?shù)装鍘r性電性特征及標(biāo)志性層位的視電阻率響應(yīng)范圍，此次研究區(qū)域“五灰”、“八灰”和“十灰”在鉆孔附近均表現(xiàn)為高阻區(qū)域，其視電阻率范圍100～120Ohm·m。隨著工作面往前推進(jìn)，煤層頂?shù)装迨懿蓜?dòng)影響發(fā)生破壞，且頂板垮落造成的電阻率變化程度大于底板破裂引起的電阻率變化程度； 煤層頂?shù)装咫娮杪恃莼卣骺捎行е甘酒茐膸Оl(fā)育區(qū)域。

(3)通過自然電位剖面可明顯分辨出頂、底板巖層裂隙張合形態(tài)、以及劇烈程度。此次研究區(qū)域，頂板自然電位值明顯高于底板自然電位值。頂板的破裂引起的自然電位變化明顯大于底板破裂引起的自電位變化，在整個(gè)回采過程自然電位呈波動(dòng)變化，表征裂隙在整個(gè)回采過程中受垮落、壓實(shí)，產(chǎn)生張合。