網(wǎng)絡(luò)并行電法在工作面頂板“兩帶”高度探測中的應(yīng)用

尚志紅， 張獻(xiàn)軍， 李國平， 張澤新， 李 鵬， 段江飛， 朱俊卿

(1.山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司望云煤礦分公司，山西晉城 048000；2.中煤地華盛水文地質(zhì)勘察有限公司，河北邯鄲 056004)

0 引言

物探方法對含水地質(zhì)異常體、成礦構(gòu)造、采空區(qū)等物體的超前探測取得了良好的效果，并積累了大量的經(jīng)驗(yàn)[1-6]。網(wǎng)絡(luò)并行電法技術(shù)的正式形成雖然只有短短十幾年，但因其陣列式、多場并行采集的優(yōu)越性，故而在礦井物探、工程物探和環(huán)境物探領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。劉盛東等首先提出的“分布式并行智能電極電位差信號采集方法”提升了井下地質(zhì)數(shù)據(jù)采集效能，指出網(wǎng)絡(luò)并行電法可通過井下仰斜鉆孔進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測頂板覆巖的變化，確定垮落帶及導(dǎo)水裂隙帶(簡稱“兩帶”)發(fā)育高度[7]。吳榮新等通過高抽巷并行電法監(jiān)測，得出覆巖破壞的電性變化具有周期性，對應(yīng)于回采工作面采動應(yīng)力的周期性變化[8]。劉軍采用并行電法探測了綜采工作面的“上三帶”分布情況，并對鉆孔電極電流及電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演，為綜采工作面的瓦斯災(zāi)害治理工作提供了依據(jù)，并得出采用并行電法探測工作面“三帶”方法可行，且比普通的電法效率更高，結(jié)果更可靠的結(jié)論[9]。徐磊等通過對頂板“三帶”發(fā)育研究發(fā)現(xiàn)，頂板巖體冒落具有一定滯后效應(yīng)，表現(xiàn)在工作面后方視電阻率在回采通過時并不立即轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娮杪手刀蔷哂幸欢笮约爸芷谛訹10]。鄒陽采用多頻并行電法對工作面頂板富水情況進(jìn)行探測，極大地提高了對工作面底板異常的平面分辨能力[11]。

望云煤礦3號煤層已經(jīng)閉層，在采空區(qū)內(nèi)形成了大量積水，接續(xù)的開采煤層為下部的15號煤層，15號煤層回采后形成的頂板“兩帶”可能溝通到上部3號煤層采空區(qū)積水，對礦井生產(chǎn)造成水害威脅。由于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》提供“兩帶”計算公式不能精準(zhǔn)確定“兩帶”發(fā)育高度，因此需要對15號煤層頂板“兩帶”進(jìn)行實(shí)測。針對望云煤礦井下環(huán)境和生產(chǎn)特點(diǎn)，確定在15103工作面采用網(wǎng)絡(luò)并行電法探測15號煤層頂板“兩帶”發(fā)育高度和規(guī)律，為礦井防治水工作提供可靠的數(shù)據(jù)參考。

1 方法原理

傳統(tǒng)的高密度電阻率法均為一次供電，測量電極測一次值，電極間的轉(zhuǎn)換依靠電極轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)僅得到視電阻率值，不能反應(yīng)電場的時間變化特征，并且現(xiàn)場工作強(qiáng)度大，時間長。網(wǎng)絡(luò)并行電法克服了上述缺點(diǎn)，他是在高密度電阻率法的基礎(chǔ)上，為每個電極配備轉(zhuǎn)換器，使電極具備自動數(shù)據(jù)采集能力，并將測量數(shù)據(jù)實(shí)時傳到主機(jī)。通過供電與測量的時序關(guān)系對自然場、電位差及電流數(shù)據(jù)自動采集，采樣過程沒有空閑電極出現(xiàn)[12]。

網(wǎng)絡(luò)并行電法采用AM法和ABM法兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。AM法和ABM法裝置通過電極的自動順次切換，可以實(shí)現(xiàn)所有電流直流數(shù)據(jù)的高密度反演和高分辨率電阻率法反演，該方法可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效采集，減少現(xiàn)場工作量[13]。

(a)AM法 (b)ABM法圖1 網(wǎng)絡(luò)并行電法數(shù)據(jù)采集原理Figure 1 Network concurrent electric method data acquisition principle

煤層采動造成的覆巖破壞導(dǎo)致巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征發(fā)生變化時，必然會導(dǎo)致上覆巖層的電場特性發(fā)生變化[14-15]。因此，可以應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)并行電法監(jiān)測煤層采動情況下覆巖破壞情況和規(guī)律，探查煤層頂板“兩帶”發(fā)育高度。

2 工作面概況與現(xiàn)場布置

2.1 工作面概況

15103工作面位于望云煤礦下組煤首采區(qū)，長度620m，寬度150m，煤層平均厚度4.70m；基本頂為太原組K2灰?guī)r，平均厚度7.07m；老頂為灰黑色泥巖，平均厚度9m左右。工作面整體呈單斜構(gòu)造，走向N5°E，傾向N85°W，地層傾角在5°左右；上部的3號煤層采空積水區(qū)距工作面頂板87m左右。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》提供的經(jīng)驗(yàn)公式計算結(jié)果，工作面煤層頂板垮落帶發(fā)育高度為11.80～22.78m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為46.30～81.31m；若加之3號煤層底板采動破壞帶影響，3號煤層采空區(qū)積水可通過15103工作面頂板“兩帶”進(jìn)入到生產(chǎn)工作面，威脅礦井安全生產(chǎn)。

2.2 井下鉆孔網(wǎng)絡(luò)并行電法布置

15103工作面回采前，在其回風(fēng)順槽切眼以北200m處施工LD-3、LD-4仰斜鉆孔，作為網(wǎng)絡(luò)并行電法“兩帶”監(jiān)測鉆孔，兩鉆孔孔口位置一致，仰角不同，鉆孔要素見表1、圖2。

表1 15103工作面“兩帶”觀測鉆孔要素Table 1 Coal face No.15103 “two zones” observationborehole parameters

鉆孔形成后，首先進(jìn)行了鉆孔軌跡測量和孔內(nèi)攝像工作，確定了成孔參數(shù)。然后將監(jiān)測電纜固定在絕緣棒上，監(jiān)測電纜每2m分布一個電極，然后將絕緣棒置入鉆孔中，并將孔內(nèi)注滿水泥。LD-3孔實(shí)際安裝電纜長度為89m，置入電極44個；LD-4孔實(shí)際安裝電纜105m，置入電極52個。利用孔口傳感器可將孔內(nèi)電極監(jiān)測的電阻率數(shù)據(jù)傳送到并行電法儀。并行電法裝置見圖3。

工作面回采時可開展網(wǎng)絡(luò)并行電法動態(tài)監(jiān)測工作，監(jiān)測設(shè)備采用YBD11-Z并行電法系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：①并行電法測試系統(tǒng)YBD-11采集儀器1臺；②本安電源轉(zhuǎn)換器1臺；③孔中電法信號專用電纜2套，見圖4。

圖2 15103工作面“兩帶”觀測鉆孔布置Figure 2 Coal face No.15103 “two zones” observation boreholes layout

圖3 并行電法裝置安裝示意Figure 3 Schematic diagram of network concurrent electricmethod installation

圖4 并行電法儀Figure 4 Network concurrent electric prospecting instruments

3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測采集過程歷時32天，共采集LD-3和LD-4孔有效數(shù)據(jù)28組。在工作面回采前，采集初次電阻率數(shù)據(jù)，作為背景值；之后定期采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)工作面推進(jìn)到444m時，LD-3孔測試電纜因頂板巖層垮落而損壞，LD-4孔由于接近回采作業(yè)區(qū)，已不具備監(jiān)測條件，監(jiān)測數(shù)據(jù)采集結(jié)束。數(shù)據(jù)采集情況見表2。

表2 15103工作面回采進(jìn)尺與數(shù)據(jù)采集情況Table 2 Coal face No.15103 winning footage and data acquisition m

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

根據(jù)鉆孔軌跡測量、孔內(nèi)攝像成果和周邊地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，繪制了監(jiān)測鉆孔軌跡及地質(zhì)剖面，如圖5所示，剖面以孔口為原點(diǎn)，橫坐標(biāo)軸代表回風(fēng)順槽朝向切眼的水平方向，縱坐標(biāo)為實(shí)際高度，單位均為m。

兩個鉆孔的并行電法數(shù)據(jù)處理在“電阻率數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)”處理平臺上進(jìn)行，并選用了surfer 8.0軟件進(jìn)行輔助成圖。本次提取了鉆孔動態(tài)電流變化圖，并對電流數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演處理，藍(lán)綠色為較高電流比值區(qū)，表明電極接觸條件好，巖層受到破壞程度低，巖層較為完整；紅色調(diào)為較低電流比值區(qū)，表明電極接觸條件差，巖層發(fā)生破壞， 并且比值越低，巖層破壞程度越大。然后對反演處理后的電流數(shù)據(jù)與背景值進(jìn)行分析。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.3.1 LD-3孔監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

LD-3孔主要任務(wù)是監(jiān)測15103工作面頂板垮落帶發(fā)育規(guī)律。對電極電流反演值進(jìn)行比值處理后，其電流反演比值變化見圖6。

以鉆孔孔口位置為原點(diǎn)，工作面回采至68m，此時孔內(nèi)電流值穩(wěn)定，不受采動影響，與背景值相當(dāng)(圖6a)；工作面回采至53m，鉆孔內(nèi)部分電極電流值增大，主要發(fā)生在泥巖和細(xì)粒砂巖層位，分析認(rèn)為受工作面回采影響，巖層發(fā)生應(yīng)力重分布，鉆孔內(nèi)電極的耦合度增強(qiáng)，電流值變大(圖6b)；工作面回采至42m位置，在垂高17～18m段巖層出現(xiàn)電流值減小現(xiàn)象，電流反演比值降到背景值的0.5倍左右，表明監(jiān)測范圍內(nèi)巖層已受采動應(yīng)力影響，巖層發(fā)生一定程度的破壞，造成孔內(nèi)電極耦合性變差(圖6c)，工作面回采至39m，在相同位置電流反演比值繼續(xù)降到背景值的0.2～0.3倍，表明該范圍巖層出現(xiàn)比較劇烈的拉裂破壞，同時垂高19m以上部分電流值較為穩(wěn)定，說明該范圍內(nèi)巖層破壞較弱(圖6d)；工作面回采至29m，垂高18m以上電流值均大幅度變小接近消失，分析受采動劇烈影響，已采區(qū)域頂板上方巖層垮落，導(dǎo)致孔內(nèi)電纜從30m處損壞，致使鉆孔30m長度以上位置電極監(jiān)測不到有效電流信號，工作面回采至24m位置時，電流信號無變化(圖6e、f)，符合典型的垮落帶巖層電性特征，此時可以確定15103工作面頂板垮落帶發(fā)育高度為18m。

3.3.2 LD-4孔監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

LD-4孔主要任務(wù)是監(jiān)測15103工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律。對電極電流反演值進(jìn)行比值處理后，其電流反演比值變化見圖7。

以鉆孔孔口位置為原點(diǎn)，工作面回采至90m、64m，此時電流值與背景值相當(dāng)，表明巖層基本不受采動影響(圖7a、b)；工作面回采至53m，在垂高70～71m段電流反演比值降低，約為背景值的0.7倍，表明受采動應(yīng)力影響，此段巖層發(fā)生輕微變形破壞，對監(jiān)測電極的耦合性造成一定影響(圖7c)；工作面回采至47m，垂高70～71m段電流反演比值持續(xù)降低，約為背景值的0.5倍，表明該段區(qū)域巖層裂隙已經(jīng)發(fā)育明顯，造成孔內(nèi)電極耦合性較差，電場信號監(jiān)測弱(圖7d)；工作面繼續(xù)回采至39m位置，垂高70～71m段電流反演比值繼續(xù)降至背景值的0.4倍左右，分析該段巖層受采動影響，為裂隙發(fā)育所致(圖7e)；該段巖層的電性特征符合導(dǎo)水裂隙帶巖層的電性特征，判斷71m高度為工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至29m后，電性特征較前無明顯變化，表明導(dǎo)水裂隙帶無進(jìn)一步發(fā)育(圖7f)，可進(jìn)一步證明71m為15103工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，此時導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的頂部為太原組K6石灰?guī)r。

圖7 LD-4鉆孔電流反演比值結(jié)果Figure 7 Borehole LD-4 current inversion ratios

4 討論

4.1 垮落帶發(fā)育規(guī)律

通過鉆孔并行電法探測結(jié)果，可以分析15103工作面頂板“兩帶”發(fā)育規(guī)律。在煤層持續(xù)采動影響下，其垮落帶發(fā)育存在兩個階段：

第一階段：快速發(fā)育階段。29日之前，工作面回采未影響到監(jiān)測電極，回采活動基本未對電纜周邊地層產(chǎn)生明顯影響，第29～31天，隨著工作面向前推進(jìn)了13m，對應(yīng)的上方頂板覆巖出現(xiàn)大面積垮落，垮落帶迅速發(fā)育并形成，直至監(jiān)測電纜被損壞。

第二階段：發(fā)育穩(wěn)定階段。第31天以后，此時工作面位置與垮落帶起始發(fā)育點(diǎn)平距已經(jīng)達(dá)到19m，垮落帶已經(jīng)發(fā)育穩(wěn)定。

15103工作面垮落帶從發(fā)育到穩(wěn)定的時間僅為3天左右，其發(fā)育是快速的。

4.2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律

在煤層持續(xù)采動影響下，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育存在三個階段：

第一階段：未受采動影響階段。第1～22天，工作面推進(jìn)了14m，頂板65m以上覆巖總體保持穩(wěn)定。

第二階段：持續(xù)發(fā)育階段。第23～31天，工作面向前推進(jìn)了39m，覆巖破壞的應(yīng)力持續(xù)向上傳遞，監(jiān)測電流反演比值持續(xù)降低到背景值的0.4倍，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育到71m的位置。

第三階段：發(fā)育基本穩(wěn)定階段。第31天以后，電性特征較前一日無明顯變化，表明巖層頂板導(dǎo)水裂隙帶無進(jìn)一步發(fā)育。

15103工作面導(dǎo)水裂隙帶從初始發(fā)育到基本穩(wěn)定的時間超過8天，其發(fā)育是緩慢的。

5 結(jié)論和建議

1)采用井下網(wǎng)絡(luò)并行電法對15103工作面頂板“兩帶”進(jìn)行看實(shí)測，確定望云礦15號煤層15103工作面垮落帶發(fā)育高度為18m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度值為71m；垮落/采厚比為3.83，裂縫/采厚比為15.11。

2)有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育穩(wěn)定的時間是2～6個月，由于本次試驗(yàn)地點(diǎn)限制，未能在采后持續(xù)觀測導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育穩(wěn)定情況，因此建議其他相關(guān)研究結(jié)合實(shí)際情況，在回采巷道以外布置試驗(yàn)觀測點(diǎn)。