礦井頂板水害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

楊 勇

（安徽恒源煤電股份有限公司祁東煤礦，安徽 宿州 234000）

能源開(kāi)采工業(yè)安全、健康、可持續(xù)發(fā)展離不開(kāi)礦山自動(dòng)化、信息化、智能化技術(shù)。隨著智能化開(kāi)采技術(shù)的成熟應(yīng)用，開(kāi)采過(guò)程中的地質(zhì)安全保障技術(shù)越來(lái)越重要[1，2]。礦井底板水害事故往往是由于采掘活動(dòng)破壞隔水層或打通隱伏含、導(dǎo)水通道而引起的[3]，預(yù)防底板突水的關(guān)鍵是對(duì)頂?shù)装宀蓜?dòng)破壞過(guò)程及導(dǎo)水通道發(fā)育過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。楊茂林[4]針對(duì)超大采高綜采工作面回采過(guò)程中頂板可能存在的水害隱患,采用視電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面回采進(jìn)行了分段動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),并劃分頂板水害預(yù)警級(jí)別。葉慶樹(shù)[5]等采用視電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),預(yù)測(cè)了工作面采動(dòng)過(guò)程中"兩帶"發(fā)育及頂板水運(yùn)移。洪衛(wèi)東[6]對(duì)淮北礦業(yè)集團(tuán)開(kāi)采區(qū)頂板突水點(diǎn)周?chē)鷰r層進(jìn)行探測(cè),探測(cè)中主要使用分時(shí)跟蹤探測(cè),并對(duì)高密度電阻率法的應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)布線、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析進(jìn)行了探討。開(kāi)采工作面頂板是典型的易突水頂板，在回采工作面過(guò)程中，為了保障本工作面的安全回采，需要對(duì)可能的出水段采用水害預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)，進(jìn)行出水前兆因素研究。因此本文針對(duì)皖北某礦企的頂板進(jìn)行突水預(yù)警監(jiān)測(cè)，獲得探測(cè)區(qū)域內(nèi)頂板一定深度范圍內(nèi)礦層電阻率空間分布圖及動(dòng)態(tài)變化結(jié)果，為礦山開(kāi)采安全提供一定的技術(shù)支撐。

1 工程概況

開(kāi)采位置位于井田東翼三采區(qū)，7131切眼與DF5斷層毗鄰，西以三采區(qū)第一中部車(chē)場(chǎng)為界，南北分別以7131風(fēng)巷、機(jī)巷為界。

本次研究的礦井頂板為復(fù)合型頂板，主要由砂巖、泥巖組成。直接頂板為灰-深灰色泥巖，上部有較多粉砂質(zhì)，下部含大量植物化石，性較脆，厚度不穩(wěn)定約為0m～3.8m，平均厚1.6m。

老頂為為淺灰色中砂巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，局部為細(xì)砂巖及砂泥巖互層，厚度為8.4m～20.8m，平均14.4m。其上為泥巖（均厚為4.4m）、63礦井（均厚為1.5m）、泥巖（均厚為4m）、中砂巖（均厚為12.31m）。該區(qū)域“四含”底界受古地貌地形制約，為一殘坡積～漫灘沉積，兩極厚度為0m～40.9m，29～30線以東四含厚度逐漸變小，局部無(wú)四含分布，屬風(fēng)化剝蝕區(qū)。

預(yù)計(jì)回采該工作面時(shí)，“四含”水可能通過(guò)采動(dòng)裂隙進(jìn)入工作面，對(duì)回采影響較大。

2 頂板水滲流綜合物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 頂板水滲流地電場(chǎng)監(jiān)測(cè)原理

在礦井開(kāi)采過(guò)程中，頂板礦層受力狀態(tài)改變，頂板巖層會(huì)向上運(yùn)動(dòng)破壞形成“三帶”。除礦石力學(xué)性質(zhì)改變外，礦層的電性也會(huì)發(fā)生顯著變化。由于礦層電阻率值除與礦物特征有關(guān)外，主要決定于礦層的裂隙和裂隙內(nèi)充填物的電阻率值。當(dāng)?shù)V層在自然狀態(tài)下，電阻率值與礦物特性和其所賦存的環(huán)境有關(guān)，在高應(yīng)力作用下，礦層原生裂隙被壓密，固體顆粒接觸面積加大，由歐姆定理可知電阻率值減?。划?dāng)應(yīng)力超過(guò)礦體本身強(qiáng)度時(shí)，礦體產(chǎn)生破裂，固體顆粒接觸面積減少，電阻率值升高。根據(jù)地電場(chǎng)勘探理論，礦體電阻率值決定其視電阻率值的變化，因此，可以通過(guò)視電阻率勘探方法對(duì)礦體受力狀態(tài)和變形破壞情況進(jìn)行探測(cè)。

由于地下水在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與各種巖土介質(zhì)相互作用，使地下水成為一種復(fù)雜的溶液，這種溶液里含有多種離子，離子含量愈多，離子價(jià)愈高，則水的導(dǎo)電性愈強(qiáng)；隨著地下水的滲流遷移，溶液發(fā)生擴(kuò)散、吸附、過(guò)濾、氧化還原等效應(yīng)，在固、液介質(zhì)中產(chǎn)生地電場(chǎng)的異常，結(jié)合電化學(xué)中的電滲、電泳現(xiàn)象來(lái)反映地下水介質(zhì)的賦存、運(yùn)移規(guī)律。通過(guò)對(duì)地電場(chǎng)的監(jiān)測(cè)可以直觀地得到介質(zhì)的富水狀況、滲流速度、滲流飽和狀態(tài)等的變化情況。水的滲流造成了地電場(chǎng)異常，通過(guò)地電場(chǎng)異常，必然反演地下水的滲流過(guò)程，從而達(dá)到對(duì)于頂板水害的預(yù)警。

2.2 網(wǎng)絡(luò)并行電法預(yù)警系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)并行電法儀及其配套軟件能夠同時(shí)完成電阻率儀（高密度裝置、電測(cè)深及電剖面裝置）、激電儀、自然電場(chǎng)儀的多種勘探功能。這種系統(tǒng)大大提高了噪聲比和電阻率采集的時(shí)間分辨率，實(shí)現(xiàn)了四維電法勘探功能，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)并行電法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

3 頂板直流電阻率監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

2012.06.1～2012.07.18對(duì)開(kāi)采區(qū)回采過(guò)程進(jìn)行電阻率數(shù)據(jù)采集，如圖2所示工作面頂板整體呈高阻,在位于17#鉆場(chǎng)向工作面方向45m處有一相對(duì)低阻異常區(qū),頂板賦水性較弱。

圖2 1#預(yù)警監(jiān)測(cè)孔實(shí)測(cè)視電阻率分布圖

從以上實(shí)測(cè)視電阻率結(jié)果圖可知，在位于17#鉆場(chǎng)向工作面方向45m處有一相對(duì)低阻異常區(qū)，自2012年6月1日起，該低阻異常區(qū)隨工作面回采呈周期性顯現(xiàn)，分析認(rèn)為，該低阻異常為頂板原生裂隙在高應(yīng)力作用下的結(jié)果。在工作回采過(guò)程中，頂板應(yīng)力發(fā)生變化，在高應(yīng)力作用下，礦層原生裂隙被壓密，固體顆粒接觸面積加大，其視電阻率值相對(duì)減小；當(dāng)應(yīng)力超過(guò)礦體本身強(qiáng)度時(shí)，礦體產(chǎn)生破裂，固體顆粒接觸面積減小，其視電阻率值相對(duì)升高。

實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該低阻異常在監(jiān)測(cè)后期并未進(jìn)一步降低，表明該裂隙并未導(dǎo)通“四含”，這與現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)生明顯出水情況是一致的。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)地電場(chǎng)的視電阻率變化規(guī)律的對(duì)比分析，從視電阻率圖上得知本開(kāi)采區(qū)最大裂隙帶高度為：自礦層底板向上約45m，中砂巖與泥巖交界處。

（2）對(duì)采區(qū)預(yù)警監(jiān)測(cè)期間，實(shí)際回采情況表明，礦井回采過(guò)程中，裂隙帶發(fā)育高度穩(wěn)定，無(wú)導(dǎo)通四含跡象，充分印證了本次探測(cè)結(jié)果是真實(shí)的、可靠的。

（3）根據(jù)井下頂板四含的分布的特點(diǎn)，隨著回采距離的增加，四含層位不斷增厚，其賦水性也在不斷增加，較大的地質(zhì)構(gòu)造異常是導(dǎo)致頂板裂隙發(fā)育高度的增加關(guān)鍵，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致頂板產(chǎn)生冒切現(xiàn)象，在后期的回采過(guò)程中需注意工作面層位的相關(guān)變化。