8.8 m超大采高綜采工作面頂板水害動態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究

楊茂林

(國家能源集團神東煤炭集團生產(chǎn)管理部，陜西省榆林市，719315)

煤礦水害類型按充水水源可以分為地表水、頂板水、老空水、底板水，按導(dǎo)水通道可以分為斷裂構(gòu)造水、陷落柱水、鉆孔水等[1]。煤礦頂板水害是一種常見的威脅礦井安全生產(chǎn)的水害之一，國內(nèi)對煤礦頂板水害常規(guī)的地球物理探測方法主要有直流電阻率電測深、瞬變電磁、音頻電穿透等方法[2-4]，幾種常規(guī)方法都是靜態(tài)的探測，而頂板水害事故往往是由于煤層開采過程中頂板巖層破斷形成的裂隙帶導(dǎo)通上覆含水層或地表水所致，頂板裂隙帶導(dǎo)水通道發(fā)育是一個動態(tài)的過程，常規(guī)方法無法實現(xiàn)工作面回采過程中實時動態(tài)監(jiān)測、評估和預(yù)警。要實現(xiàn)回采工作面水害的動態(tài)監(jiān)測，需要精準(zhǔn)掌握煤層采空后導(dǎo)水通道的位置及發(fā)育情況[5-8]，目前國內(nèi)對該方面的研究仍然很少。回采工作面視電阻率監(jiān)測系統(tǒng)是一種集遠程控制、偽隨機信號發(fā)射、全波形數(shù)據(jù)采集及兼容多種數(shù)據(jù)采集方式為一體的電法監(jiān)測系統(tǒng)，具備自動實時處理、三維電阻率反演和動態(tài)成像的功能，具有抗干擾能力強、自動化、智能化程度高的特點[9]。筆者以上灣煤礦8.8 m一次采全高超大采高工作面頂板水害為研究背景，采用視電阻率監(jiān)測系統(tǒng)對頂板水害進行動態(tài)監(jiān)測、評估和預(yù)警。

1 工作面概況

上灣煤礦12401工作面為國內(nèi)外首個8.8 m一次采全高超大采高綜采工作面，推進長度5286 m，寬度299 m。地面標(biāo)高+1188～+1300 m，煤層底板標(biāo)高+1043～+1066 m，煤層平均厚度9.26 m。工作面上覆松散層厚度0～22 m，基巖厚度120～220 m。工作面中部1500 m范圍內(nèi)對應(yīng)地表為石灰溝，該溝常年流水，正常溝流量60 m3/h，雨季時溝流量較大。由于溝內(nèi)上覆基巖較薄，受地表河流補給，上覆松散孔隙水含水層、基巖裂隙水含水層富水性中等。工作面回采過程中導(dǎo)水裂隙帶可能導(dǎo)通上覆含水層，導(dǎo)致含水層水涌入工作面，對工作面安全生產(chǎn)造成威脅。工作面開采時預(yù)測正常涌水量126 m3/h，最大涌水量323 m3/h。

2 視電阻率監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)簡介

視電阻率監(jiān)測系統(tǒng)是一種用于工作面頂板受采掘擾動后導(dǎo)水通道變化過程的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。它通過在工作面回風(fēng)巷、輔運巷(底)板分別布置電極、人工激發(fā)電場，監(jiān)測分析煤層頂(底)板電阻率異常變化，來確定頂(底)板破壞情況以及裂隙帶是否與含水層溝通[9-10]。一套完整的視電阻率監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成，其中包括監(jiān)測分站、線纜、電極、地面工作站及采集和處理軟件等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 工作面頂板視電阻率監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2 工作原理

回采工作面視電阻率監(jiān)測系統(tǒng)采用最小二乘法和小波分析技術(shù)對不同頻率的電壓信號進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，應(yīng)用擬高斯-牛頓法對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行全空間三維電阻率反演，軟件自動對反演結(jié)果進行二維切片、三維等值面提取和立體成像等可視化操作，實現(xiàn)了井下隱蔽賦水區(qū)域變化過程的實時動態(tài)監(jiān)測。

2.3 工作流程

以頂板視電阻率監(jiān)測為例來說明回采工作面電阻率監(jiān)測系統(tǒng)使用流程：工作面頂板薄弱部位探查分析評估→分別在工作面回風(fēng)巷、輔運巷頂板設(shè)計位置施工若干個鉆孔→在鉆孔內(nèi)埋設(shè)電極(或利用頂板錨桿)→連接至電極控制器→連接綜合電纜→連接監(jiān)測分站→連接通信主站→連接地面服務(wù)器→系統(tǒng)調(diào)試→設(shè)置監(jiān)測參數(shù)→對煤層底板電阻率異常變化進行自動循環(huán)監(jiān)測→監(jiān)測數(shù)據(jù)實時處理、分析。

3 工作面頂板分段動態(tài)監(jiān)測

工作面頂板視電阻率監(jiān)測電極布置在回風(fēng)巷和輔運巷中，每條巷道各布設(shè)40個電極，間距38 m，控制范圍1482 m，1號電極布置在距工作面切眼1082 m處，具體布置如圖2所示。12401工作面頂板水害視電阻率動態(tài)監(jiān)測從2018年8月21日開始，2018年12月28日結(jié)束?？紤]到監(jiān)測工作周期長，且工作面存在的水害隱患主要為地表石灰溝，因此本次重點選取采集的過溝段背景電阻率和動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)(2018年10-12月數(shù)據(jù))進行分析。

3.1 背景電阻率

2018年8月18日，對12401工作面回風(fēng)巷和輔運巷布置的1～30號電極控制的區(qū)域進行了背景電阻率采集；2018年9月6-13日，將回風(fēng)巷監(jiān)測電極布置在底板后，又對回風(fēng)巷和輔運巷布置的11～40號電極控制的區(qū)域進行了背景電阻率數(shù)據(jù)采集。

通過對11～40號電極控制的1140 m長的區(qū)域采集的背景電阻率數(shù)據(jù)進行三維電阻率反演，結(jié)果如圖3所示(2018年9月6日監(jiān)測結(jié)果)，從圖中可以看出11～35號電極控制范圍內(nèi)工作面頂板整體呈高阻，頂板富水性較弱；36～40號電極控制范圍內(nèi)工作面頂板存在較明顯低阻區(qū)域。

圖2 監(jiān)測工程電極布置

圖3 背景電阻率頂板向上30 m深度切片結(jié)果

3.2 分段動態(tài)監(jiān)測

(1)工作面回風(fēng)巷14～34號、輔運巷13～33號電極監(jiān)測結(jié)果。

2018年10月10-22日，對工作面回風(fēng)巷14～34號、輔運巷13～33號電極控制的760 m長的區(qū)域進行動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示，分別選擇展示了10月10日、10月14日、10月19日、10月22日4組監(jiān)測結(jié)果。在該監(jiān)測時段內(nèi)，電阻率自10月19日起有較明顯的變化。將10月22日的監(jiān)測結(jié)果分別與背景值和10月10日的結(jié)果進行對比分析，如圖5所示，與背景電阻率相比，隨著工作面的推進，14～18號和27～34號電極控制范圍內(nèi)的電阻率整體有明顯降低，電阻率值降低范圍為20～80 Ω·m。從10月22日電阻率監(jiān)測結(jié)果相對10月10日監(jiān)測結(jié)果看，在本次監(jiān)測時段內(nèi)發(fā)育兩處電阻率降低的區(qū)域，降低范圍為10～30 Ω·m，其中位于回風(fēng)巷一側(cè)19～25號電極之間的一處電阻率降低區(qū)域展布形態(tài)與地表石灰溝的走向基本吻合，表明該區(qū)域采空后可能已導(dǎo)通地表水，需加強井下工作面排水工作。

(2)工作面回風(fēng)巷16～36號、輔運巷15～35號電極監(jiān)測結(jié)果。

2018年10月23-26日，動態(tài)監(jiān)測工作面回風(fēng)巷16～36號、輔運巷15～35號電極控制的760 m長的區(qū)域。監(jiān)測結(jié)果如圖6所示，分別展示了10月23日、10月26日2組監(jiān)測結(jié)果，在該監(jiān)測時段內(nèi)電阻率沒有明顯的變化。將10月26日監(jiān)測結(jié)果分別與背景值和10月23日的結(jié)果進行對比分析，如圖7所示，與背景電阻率相比，隨著工作面的推進，16～18號和26～36號電極控制范圍內(nèi)的電阻率整體有明顯降低，電阻率值降低范圍為20～60 Ω·m。10月26日電阻率監(jiān)測結(jié)果相對10月23日監(jiān)測結(jié)果的變化情況顯示，在回風(fēng)巷一側(cè)20～22號電極和24～25號電極之間存在2處電阻率降低的異常區(qū)，降低范圍為10～20 Ω·m，表明該區(qū)域采空后可能已導(dǎo)通地表水，需加強井下工作面排水工作。

圖4 回風(fēng)巷14～34號、輔運巷13～33號電極監(jiān)測結(jié)果

圖5 2018年10月10-22日電阻率相對變化

(3)工作面回風(fēng)巷18～38號、輔運巷17～37號電極監(jiān)測結(jié)果。

2018年10月26-31日，動態(tài)監(jiān)測工作面回風(fēng)巷18～38號、輔運巷17～37號電極控制的760 m長的區(qū)域。監(jiān)測結(jié)果如圖8所示，分別展示了10月30日、10月31日2組監(jiān)測結(jié)果，在該監(jiān)測時段內(nèi)電阻率沒有較明顯的變化。將10月31日的監(jiān)測結(jié)果分別與背景值和10月30日的結(jié)果進行對比分析，如圖9所示，與背景電阻率相比，隨著工作面推進，18～22號和25～33號電極控制范圍內(nèi)的電阻率整體有明顯降低，電阻率值降低范圍為20～80 Ω·m。10月31日監(jiān)測結(jié)果相對10月30日監(jiān)測結(jié)果的變化情況顯示，在回風(fēng)巷一側(cè)20～22號電極和26號電極附近存在2處電阻率降低的異常區(qū)，降低值為10 Ω·m，表明該區(qū)域采空后可能已導(dǎo)通地表水，需加強井下工作面排水工作。

圖6 回風(fēng)巷16～36號、輔運巷15～35號電極監(jiān)測結(jié)果

圖7 2018年10月23-26日電阻率相對變化

圖8 回風(fēng)巷18～38號、輔運巷17～37號電極監(jiān)測結(jié)果

圖9 2018年10月26-31日電阻率相對變化

(4)工作面回風(fēng)巷19～39號、輔運巷18～38號電極監(jiān)測結(jié)果。

2018年10月31日到11月28日期間，動態(tài)監(jiān)測工作面回風(fēng)巷19～39號、輔運巷18～38號電極控制的760 m長的區(qū)域。監(jiān)測結(jié)果如圖10所示，分別展示了11月15日、11月23日2組監(jiān)測結(jié)果，在該監(jiān)測時段內(nèi)，電阻率自11月23日起有較明顯的變化。將11月23日的監(jiān)測結(jié)果分別與背景值和11月15日的結(jié)果進行對比分析，如圖11所示，與背景電阻率相比，隨著工作面推進，20～22號和28～33號電極控制范圍內(nèi)的電阻率整體有明顯降低，電阻率值降低范圍為10～40 Ω·m。11月23日監(jiān)測結(jié)果相對11月15日監(jiān)測結(jié)果的變化情況顯示，在本次監(jiān)測時段內(nèi)發(fā)育2處電阻率降低的區(qū)域，降低值為10～70 Ω·m，2處低阻區(qū)均位于工作面輔運巷一側(cè)33～40號電極之間對應(yīng)的石灰溝區(qū)域，表明工作面回采前方石灰溝區(qū)域富水性好，裂隙發(fā)育，需提前采取防治水措施。

圖10 回風(fēng)巷19～39號、輔運巷18～38號電極監(jiān)測結(jié)果

圖11 2018年10月31日到11月28日期間電阻率相對變化

(5)工作面回風(fēng)巷20～40號、輔運巷19～39號電極監(jiān)測結(jié)果。

2018年11月28日到12月11日期間，動態(tài)監(jiān)測工作面回風(fēng)巷20～40號、輔運巷19～39號電極控制的760 m長的區(qū)域。監(jiān)測結(jié)果如圖12所示，分別展示了12月2日、12月11日2組監(jiān)測結(jié)果，在該監(jiān)測時段內(nèi)，電阻率整體變化較小。將12月11日的監(jiān)測結(jié)果分別與背景值和12月2日的結(jié)果進行對比分析，如圖13所示，與背景電阻率相比，隨著工作面推進，20～23號和26～33號電極控制范圍內(nèi)的電阻率整體有明顯降低，電阻率值降低范圍為10～60 Ω·m。12月11日監(jiān)測結(jié)果相對12月2日監(jiān)測結(jié)果的變化情況顯示，在采空區(qū)前方回風(fēng)巷一側(cè)36～39號電極之間發(fā)育一處電阻率降低的異常區(qū)域，降低值為20～30 Ω·m，需提前采取防治水措施。

圖12 回風(fēng)巷20～40號、輔運巷19～39號電極監(jiān)測結(jié)果

(6)工作面回風(fēng)巷20～40號、輔運巷20～40號電極監(jiān)測結(jié)果。

2018年12月11-28日，動態(tài)監(jiān)測工作面回風(fēng)巷20～40號、輔運巷20～40號電極控制的760 m長的區(qū)域。監(jiān)測結(jié)果如圖14所示，分別展示了12月17日、12月19日2組監(jiān)測結(jié)果，在該監(jiān)測時段內(nèi)，電阻率整體變化較小。將12月19日的監(jiān)測結(jié)果分別與背景值和12月17日的結(jié)果進行對比分析，如圖15所示，與背景電阻率相比，隨著工作面推進，20～22號和27～32號電極控制范圍內(nèi)的電阻率整體有明顯降低，電阻率值降低范圍為10～30 Ω·m。12月19日監(jiān)測結(jié)果相對12月17日監(jiān)測結(jié)果的變化情況顯示，在本次監(jiān)測時段內(nèi)沒有明顯的低阻異常發(fā)育，表明工作面不存在水害隱患。

圖13 2018年11月28日到12月11日期間電阻率相對變化

圖14 回風(fēng)巷20～40號、輔運巷20～40號電極監(jiān)測結(jié)果

圖15 2018年12月11-28日電阻率相對變化

3.3 監(jiān)測結(jié)果驗證

(1)地面水文孔驗證。12401工作面中部石灰溝附近有R122水文孔，該孔主要觀測松散層及安定組含水層水位變化情況，已安裝水位自動觀測系統(tǒng)。工作面11月初回采至鉆孔附近時，地下水水位下降明顯，如圖16所示。2018年11月12日水位埋深1.91 m，11月20日工作面推過該鉆孔時，水位埋深2.73 m，相比11月12日下降0.82 m，至11月26日水位埋深3.94 m，累計相對下降2.03 m。地下水水位下降與11月15-23日視電阻監(jiān)測低阻異常區(qū)基本吻合，表明從地下水水位變化情況來看，11月15-23日監(jiān)測結(jié)果基本準(zhǔn)確。

(2)井下涌水量驗證。12401工作面井下涌水量從2018年10月25日開始逐漸呈增大趨勢，涌水量由10 m3/h增大至20 m3/h，至2018年12月14日涌水量趨穩(wěn)，如圖17所示，工作面井下涌水量的增大趨勢及時間節(jié)點基本與10-12月監(jiān)測的視電阻監(jiān)測低阻異常區(qū)吻合，表明從井下涌水量變化情況來看，監(jiān)測結(jié)果基本準(zhǔn)確。

圖16 12401工作面R122水文孔地下水位變化曲線

圖17 12401工作面涌水量曲線

(3)疏放水鉆孔驗證。12401工作面過溝開采時施工了4個疏放水鉆孔，孔號分別為T2、T3、T13、T14，4個鉆孔全部有水，累計初始涌水量3 m3/h，累計疏放水量720 m3，疏放水鉆孔出水位置基本與視電阻監(jiān)測低阻異常區(qū)吻合，也表明監(jiān)測結(jié)果基本準(zhǔn)確。

4 頂板水害預(yù)警級別劃分

不同介質(zhì)之間具有一定程度的電性差異，當(dāng)探測目標(biāo)介質(zhì)的電性在水平或者垂直方向上發(fā)生變化時，電場的空間分布也會發(fā)生相應(yīng)的變化。隨著工作面的推進，頂板巖層發(fā)生破裂，導(dǎo)致巖層富水性發(fā)生變化。若裂隙不導(dǎo)通含水體，則會由于孔隙度增加頂板電阻率升高；若裂隙導(dǎo)通含水體，則頂板電阻率因富水性增加而降低；根據(jù)圍巖、煤層和水之間在導(dǎo)電性上存在較大差異這一原理，通過動態(tài)監(jiān)測回采過程中電阻率的變化，實現(xiàn)頂板水害的實時監(jiān)測分級預(yù)警。

根據(jù)12401工作面電阻率監(jiān)測實際數(shù)據(jù)，對預(yù)警級別進一步進行了量化，具體見表2。

表1 工作面頂板水害預(yù)警級別劃分標(biāo)準(zhǔn)表

表2 上灣煤礦12401工作面頂板水害預(yù)警級別劃分標(biāo)準(zhǔn)

按照水害預(yù)警級別劃分標(biāo)準(zhǔn)對12401工作面頂板水害進行評估，監(jiān)測過程中存在持續(xù)低阻異常，低阻區(qū)域的電阻率值在100～180 Ω·m之間，水害風(fēng)險的預(yù)警級別為二級預(yù)警，水害風(fēng)險一般，不會發(fā)生水害事故。

5 結(jié)論

(1)2018年10月10日到12月28日期間，通過對12401工作面頂板視電阻率分段動態(tài)監(jiān)測情況來看，在各監(jiān)測時段內(nèi)電阻率整體變化較小，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)間歇有低阻異常發(fā)育，但在持續(xù)監(jiān)測過程中低阻異常規(guī)模并未進一步發(fā)展，表明工作面回采過程中發(fā)生水害事故的風(fēng)險較小。該系統(tǒng)能較為準(zhǔn)確地確定工作面回采過程中是否導(dǎo)通含水層，能夠準(zhǔn)確預(yù)測工作面水害發(fā)生的可能性，具有一定的可操作性。

(2)通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行反演計算得到電阻率，并與背景值對比對工作面頂板水害預(yù)警級別進行了劃分，無低阻異常則不預(yù)警，存在低阻異常進行初級預(yù)警；若低阻異常持續(xù)存在，且異常參數(shù)在80～120 Ω·m之間進行二級預(yù)警；若低阻異常持續(xù)存在，異常參數(shù)在40～80 Ω·m之間進行三級預(yù)警；若有繼續(xù)發(fā)育的趨勢則進行四級預(yù)警。

(3)利用視電阻率監(jiān)測為主要監(jiān)測手段，并輔助以地下水位、井下涌水量觀測對工作面水害進行綜合預(yù)警，3種方法相結(jié)合可以進一步提高水害監(jiān)測預(yù)警的準(zhǔn)確率，為工作面安全回采提供有力的技術(shù)支撐。