工作面覆巖破壞雙孔并行電法數(shù)據(jù)多方法處理

吳榮新 曹建富

摘要：掌握垮落帶和導水裂隙帶發(fā)育高度對于煤礦工作面安全開采具有重要的意義。通過在煤層工作面布置覆巖破壞雙孔電法監(jiān)測系統(tǒng)，采用并行電法儀AM法方式，采集覆巖破壞電性變化數(shù)據(jù)，通過單孔電極電流比值、雙鉆孔電極電流比值、單鉆孔高密度電阻率法和雙鉆孔電阻率反演成像等多種處理方法，綜合解釋覆巖破壞發(fā)育規(guī)律。實例研究表明：單鉆孔電極電流比值變化圖可以直觀地反映各電極點電流比值隨推進時間及回采位置的動態(tài)變化，分析各電極點位置變形與破壞情況;雙鉆孔電極電流比值圖，能夠清晰反映出某個采集時間的覆巖破壞帶的空間位置;單鉆孔高密度電阻率法能夠反映鉆孔周邊巖層視電阻率的動態(tài)變化情況，分析在鉆孔附近的巖層破壞情況;雙鉆孔電阻率反演成像，可以反映鉆孔控制空間垮落帶及裂隙帶發(fā)育形態(tài)。通過多方法處理綜合解釋，能夠充分發(fā)揮并行電法多參數(shù)數(shù)據(jù)優(yōu)勢，彌補單方法處理與解釋的缺點，更全面地反映采后垮落帶及裂縫帶發(fā)育的動態(tài)變化過程，更好地指導工作面安全開采工作。

關鍵詞：覆巖破壞;并行電法;電極電流;電阻率;直流電法

中圖分類號：P631

文獻標志碼：A 文章編號：1672-1098（ 2020）04-0001-08

作者簡介：吳榮新（1972-），男，安徽淮南人，教授，博士，研究方向：地球物理勘探。

對于采用崩塌法采煤的煤層工作面，煤層開采后，頂板上覆巖層將發(fā)生變形與破壞，掌握覆巖破壞的垮落帶和裂隙帶發(fā)育范圍對于煤礦水害防治及瓦斯防治等安全工作具有重要的意義。近年來在煤層工作面采用鉆孔法對覆巖破壞進行了大量研究及應用，采用的技術手段包括注水法[1]、微震法[2]、震波CT法[3]、直流電阻率法[4-6]、光纖法等[7]，取得了大量有益的研究成果。特別是采用鉆孔電阻率法監(jiān)測覆巖破壞，由于現(xiàn)場的施工快速，效果明顯，從覆巖破壞電性特征變化的數(shù)值模擬、相似物理模型實驗，到煤層工作面覆巖破壞的現(xiàn)場實測，進行了系統(tǒng)的研究，取得了大量研究成果[8-9]。

為提高物探探查的可靠性，采用多種探測方法或多參數(shù)法探查地質(zhì)問題是當前物探探測的發(fā)展趨勢[10-11]。并行電法具有數(shù)據(jù)采集效率高、數(shù)據(jù)量大、信噪比高的優(yōu)點，特別是能夠同步測得同一測線各電極供電電流、自然電位、一次場電位和二次場電位等數(shù)據(jù)，適宜于進行多方法數(shù)據(jù)處理，近年來得到了廣泛的應用[11-14]。目前，鉆孔覆巖破壞電法監(jiān)測已有多種方法處理與解釋：單鉆孔高密度視電阻率值成像與解釋，雙鉆孔電阻率成像處理與解釋，鉆孔電極電流值變化曲線法處理與解釋等。能否利用相同并行電法多參數(shù)數(shù)據(jù)進行多方法數(shù)據(jù)處理，從多角度認識覆巖破壞規(guī)律，是引人關注的問題。本文對雙孔并行電法監(jiān)測數(shù)據(jù)進行多方法處理，綜合解釋煤層采后覆巖破壞高度，取得了較好的效果。

1 覆巖破壞方法原理

采用崩坍法開采的煤層工作面，煤層開采后，在采動應力作用下，采空區(qū)上方巖層將產(chǎn)生變形與破壞，形成彎曲下沉帶、裂縫帶和垮落帶?？迓鋷Ш土严稁Ь鶠閷秶?，兩者合稱為導水裂隙帶。目前已有很多學者開展了的理論研究、相似模擬實驗等，對不同頂板巖性組合及開采條件的煤層開采覆巖破壞規(guī)律有了系統(tǒng)的認識[15-19]。已有的研究資料表明，對于未充水的老空區(qū)，覆巖破壞的“三帶”具有不同的電阻率值特征：垮落帶電阻率值最高，通常為原巖電阻率值的3倍以上;裂隙帶在垮落帶之上，電阻率值較高，通常為原巖電阻率值的1.5倍以上，裂隙帶上部與下部電阻率值差異較大;彎曲下沉帶在裂隙帶之上，局部存在離層裂隙，其電阻率值略有增加。

在煤層工作面回采影響前，在工作面巷道或相鄰工作面巷道位置，布置一對覆巖破壞監(jiān)測鉆孔，位于同一垂直剖面內(nèi)，鉆孔控制垂高應超出預估的最大導水裂隙帶高度。在鉆孔內(nèi)布置若干電極，通過電極電纜與并行電法儀相連;在巷道內(nèi)布置無窮遠供電電極，與電法儀器相連。隨工作面不斷推進，采動變形與破壞帶將進入鉆孔控制范圍。采集電法數(shù)據(jù)時，保持無窮遠供電電極位置固定，供電電壓不變，監(jiān)測各電極電流值變化，能夠反映各電極點接地電阻的變化，也反映了其周圍巖層電阻率變化情況[20]。因此，可以利用電極供電電流和巖層視電阻率參數(shù)變化，綜合解釋覆巖破壞的動態(tài)變化情況。

2 地質(zhì)概況及現(xiàn)場施工

1303工作面位于甘肅省慶陽市環(huán)縣礦區(qū)，開采煤層為中侏羅統(tǒng)延安組3煤層。工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層平均傾角12°，平均煤厚3.0m。工作面走向長1860m，傾斜長240m。工作面頂板以粉砂巖和細粒砂巖為主，其次為砂質(zhì)泥巖、泥巖及中粒砂巖，夾有薄煤層或煤線。上覆新生界平均厚度59. 5m。工作面標高+1350 - +1404m，平均基巖高度165.5m。工作面采用綜合機械化采煤，一次采全高，頂板管理為垮落法。

本工作面頂板巖層為中硬型，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》計算，垮落帶高度為9. 2+2.2 m，裂隙帶高度為36. 2+5. 6m。而對中侏羅統(tǒng)延安組煤層已有的覆巖破壞探測研究結(jié)果表明，實際探查導水裂隙帶高度可達按該規(guī)程計算的導水裂隙帶高度2倍以上[21]210，兩者差異很大。因此，需要更全面的掌握該工作面覆巖破壞發(fā)育規(guī)律，嘗試采用雙鉆孔并行電法監(jiān)測進行多方法處理與解釋。

2019年1月20 - 31日在相鄰工作面回風巷道施工2個頂板鉆孔，測斜后安裝電極電纜系統(tǒng)，監(jiān)測1303工作面采后覆巖破壞（見圖1）。鉆孔方位與巷道的水平夾角均為300，位于同一垂直面內(nèi)。1#孔孔長為103.5 m，控制垂高88.3 m，控制水平距離53. 8m，布置30個電極，電極間距3.5m（見表1）;2#孔孔長100m，控制垂高64. 0m，控制平距68.8 m，布置32個電極，電極間距2.5m（見表1）。采用并行電法儀AM法采集數(shù)據(jù)，保持無窮遠極供電電極B極固定，數(shù)據(jù)采集中保持工作電壓固定。2019年2月11日開始采集數(shù)據(jù)，鉆孔孑L口距工作面回采位置107m;到3月8日鉆孔孔口距工作面回采位置5m，為最后一次采集有效數(shù)據(jù)（見表2）。鉆孔控制范圍內(nèi)平均采高3. 05m。

根據(jù)單鉆孔高密度電阻率法反演的結(jié)果表明（見圖4），鉆孔1電阻率成像結(jié)果可確定裂隙帶高度為61m，垮落帶未明顯波及到該鉆孔，裂隙帶電阻率有明顯升高;鉆孔 2電阻率成像結(jié)果可確定垮落帶高度為14.2m。高密度電阻率法解釋結(jié)果與電極電流比值結(jié)果相吻合。高密度電法的視電阻率值是根據(jù)電法勘探的勘探體積范圍電壓及電流值計算所得，其結(jié)果較客觀地反映了鉆孔周邊的電阻率值特征。但單鉆孔的電阻率數(shù)據(jù)反映其周邊電性變化情況，難以準確反映覆巖破壞的空間形態(tài)。

采動影響前后雙鉆孔電阻率反演成像結(jié)果對比（見圖5），清楚地反映了垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶的范圍，與單鉆孔高密度電阻率法結(jié)果、電極電流比值結(jié)果解釋是一致的。雙鉆孔電阻率成像法充分利用了兩個鉆孔測線的電壓及電流值數(shù)據(jù)，利用電法軟件進行統(tǒng)一反演，客觀地反映了鉆孔控制范圍電阻率值的相對高低情況;但是由于在電阻率反演過程中相當比例的數(shù)據(jù)被剔除，導致其反演的不同覆巖破壞帶電阻率值變化特征沒有單孔高密度電阻率值結(jié)果顯著。

總之，以上四種處理方法都可以反映垮落帶和裂隙帶的高度（見表3），各種方法各有優(yōu)缺點，能夠從不同視角分析覆巖破壞發(fā)育，多方法處理綜合解釋可以更全面的認識覆巖破壞的動態(tài)變化過程，有助于客觀解釋垮落帶及裂隙帶高度。

5 結(jié)論

（1）對煤層工作面覆巖破壞雙孔電法監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以充分利用并行電法多參數(shù)數(shù)據(jù)優(yōu)勢，進行單孔電極電流比值、雙鉆孔電極電流比值、單鉆孔高密度電阻率法和雙鉆孔電阻率反演成像等多種方法數(shù)據(jù)處理。

（2）單鉆孔電極電流變化可以直觀地反映各電極點的接地電阻變化情況，分析各電極點覆巖破壞連續(xù)變化情況，結(jié)合雙鉆孔電極電流值圖，能夠反映出垮落帶及裂隙帶發(fā)育的空間位置。

（3）單鉆孔高密度電阻率法能夠反映鉆孔周邊巖層視電阻率的變化情況，分析鉆孔附近巖層的變形與破壞情況，結(jié)合雙鉆孔電阻率反演成像，可以更客觀地反映鉆孔控制范圍垮落帶及裂隙帶發(fā)育形態(tài)。

（4）通過多方法處理綜合解釋，能夠彌補單方法處理與解釋的缺點，更全面地反映采后垮落帶及裂隙帶發(fā)育的動態(tài)變化過程，更好地指導工作面安全開采工作。

參考文獻：

[1] 杜君武，董振波.雅店煤礦4號煤層開采導水裂隙帶高度研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2018，45（5）：78-82.

[2] 李超峰，虎維岳，王云宏，等，煤層頂板導水裂縫帶高度綜合探查技術[J].煤田地質(zhì)與勘探，2018，46（1）：101-107.

[3] 張平松，劉盛東，吳榮新，地震波CT技術探測煤層上覆巖層破壞規(guī)律[J].巖石力學與工程學報，2004， 23（15）：2 510-2 513.

[4] 劉盛東，吳榮新，張平松，等.高密度電阻率法觀測煤層上覆巖層破壞[J].煤炭科學技術，2001，29（4）：18-19.

[5] 張平松，胡雄武，吳榮新.巖層變形與破壞電法測試系統(tǒng)研究[J].巖土力學，2012，33（3）：952-956.

[6] 張平松，胡雄武，劉盛東.采煤面覆巖變形破壞動態(tài)測試模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30（1）：78-83.

[7] 張丹，張平松，施斌，等.采場覆巖變形與破壞的分布式光纖監(jiān)測與分析[J].巖土工程學報，2015，37（5）：952-956.

[8]程久龍，劉斌，于師建.覆巖破壞直流電場特征數(shù)值計算[J].計算物理，1999，16（1）：54-58.

[9] 程久龍，于師建.覆巖變形破壞電阻率響應特征的模擬試驗研究[J].地球物理學報，2000，43（5）：699-706.

[10] 邱占林，陳萬煌，鮑道亮，等.多種物探技術聯(lián)合探測礦井水害[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2016，43（4）：60-63.

[11] YANC C，LIU SD， WU RX. Quantitative Prediction ofWater Volumes Within a Coal Mine Underlying Lime-stone Strata Using Ceophysical Methods[J]. MineWater and the Environment， 2017， 36：51-58.

[12] 吳榮新，張衛(wèi)，張平松.并行電法監(jiān)測工作面“垮落帶”巖層動態(tài)變化[J].煤炭學報，2012，37（4）：571-577.

[13] 劉盛東，吳榮新，張平松，等，三維并行電法勘探技術與礦井水害探查[J].煤炭學報，2009，34（7）：927-932.

[14] 吳榮新，吳茂林，曹建富，等，厚松散層薄基巖堅硬頂板工作面覆巖破壞電法監(jiān)測[J].煤炭科學技術，2020，48（1）：239-245.

[15]黃萬朋，高延法，王波，等，覆巖組合結(jié)構(gòu)下導水裂隙帶演化規(guī)律與發(fā)育高度分析[J].采礦與安全工程學報，2007，34（2）：330-335.

[16] 楊科，謝廣祥，采動裂隙分布及其演化特征的采厚效應[J].煤炭學報，2008，33（10）：1092-1096.

[17]鄧玉華，孫國文，黃滾，傾斜煤層深部開采覆巖破壞規(guī)律的數(shù)值模擬研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2015，42（5）：15-20.

[18] 滕永海.綜放開采導水裂縫帶的發(fā)育特征與最大高度計算[J].煤炭科學技術，2011，39（4）：118-120.

[19]尹光志，李星，韓佩博，等，三維采動應力條件下覆巖裂隙演化規(guī)律試驗研究[J].煤炭學報，2016，41（2）：406-413.

[20] 真齊輝，底青云，電法勘探電極的接地電阻研究[J].地球物理學進展，2017，32（1）：431-435

[21] 呂文宏.覆巖頂板導水裂隙帶發(fā)育高度模擬與實測[J].西安科技大學學報，2014，34（3）：309-313.

（責任編輯：李麗）