鄭曉亮，郭立全

(1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001;2.安徽理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽淮南232001)

0 引言

煤礦覆巖破壞參數(shù)是礦井合理留設(shè)防水煤柱的科學(xué)依據(jù)，是保障礦井安全生產(chǎn)、提高煤炭資源回收率的前提。覆巖破壞參數(shù)受地質(zhì)、水文地質(zhì)、開(kāi)采方式、工作面推進(jìn)速度、采高、工作面寬度等許多因素的影響。而地質(zhì)和水文地質(zhì)條件是影響覆巖破壞的重要因素，由于不同礦區(qū)、不同井田的地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，甚至同一井田不同煤層、不同采區(qū)、不同水平其地質(zhì)條件也存在著一定的差異，因此，礦井開(kāi)采設(shè)計(jì)在防水煤柱留設(shè)時(shí)不能僅以臨近礦區(qū)、臨近井田的覆巖破壞參數(shù)為依據(jù)，必須以本井田大量的實(shí)際測(cè)量值為依據(jù)。長(zhǎng)期以來(lái)，探測(cè)采后煤層頂、底板巖層破壞高度與深度的方法，主要采用鉆孔沖洗液簡(jiǎn)易水文觀測(cè)分析法和鉆孔壓、注水實(shí)驗(yàn)法。它們依據(jù)沖洗液消耗量和水壓降的變化來(lái)判定導(dǎo)水裂縫帶高度等參數(shù)。由于施工探測(cè)鉆孔難度大、成本高，所獲取數(shù)據(jù)、資料在精度上不同程度地受到施工人員技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)水平等方面的制約［1～4］。因此，特別需要采用更加先進(jìn)科學(xué)的探測(cè)技術(shù)與方法為生產(chǎn)服務(wù)。利用電法CT成像技術(shù)與鉆孔結(jié)合進(jìn)行煤層覆巖破壞觀測(cè)同傳統(tǒng)的鉆探方法相比，可查明探測(cè)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)形態(tài)，通過(guò)在時(shí)空域中的多次對(duì)比，來(lái)獲取煤巖層在采前的賦存形態(tài)和采后的破壞形態(tài)，以及相關(guān)的其他地質(zhì)信息資料。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工作面覆巖破壞參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以電法并行采集技術(shù)為基礎(chǔ)，分為井下采集系統(tǒng)和井上控制系統(tǒng)兩部分。在監(jiān)測(cè)區(qū)域由網(wǎng)絡(luò)并行電法儀、置于孔中的電纜和電極、多路本安電源、組成井下并行電法采集分站，井下可以根據(jù)測(cè)量需要布置多個(gè)采集分站。地面控制系統(tǒng)由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)終端和控制軟件組成，地面控制系統(tǒng)與多個(gè)井下采集分站通過(guò)礦井以太網(wǎng)發(fā)送指令和傳送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of dynamic monitoring system

2 網(wǎng)絡(luò)并行電法儀

網(wǎng)絡(luò)并行電法儀仍是采集測(cè)量電極M，N間電位差ΔUMN和供電電極A，B回路中電流強(qiáng)度IAB的儀器。但數(shù)據(jù)的采集和處理方式不同于傳統(tǒng)的電法設(shè)備，一次供電可實(shí)現(xiàn)所有電極的自然場(chǎng)、一次場(chǎng)、二次場(chǎng)全電位差值和供電電流強(qiáng)度的同步并行高速采集。為了能實(shí)現(xiàn)電位差、電流強(qiáng)度同步采集和各電極間的并行采集，將并行網(wǎng)絡(luò)電法儀設(shè)計(jì)成兩級(jí)主從結(jié)構(gòu):主控模塊和8個(gè)電壓采集模塊，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)并行電法儀結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Structure diagram of network parallel electrical instrument

主控模塊主要負(fù)責(zé)和遠(yuǎn)程終端進(jìn)行聯(lián)系，接收各種工作命令、進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、控制測(cè)量供電方式和采集供電回路電流值。電壓采集模塊(以下簡(jiǎn)稱電壓模塊)負(fù)責(zé)采集電極間的電位差值。主控模塊從遠(yuǎn)程終端接收到工作狀態(tài)設(shè)定命令后，區(qū)分命令類型，并通過(guò)RS—485總線傳輸給各電壓模塊。狀態(tài)設(shè)定完畢，開(kāi)始一次數(shù)據(jù)采集，所有電極間電位差值和供電回路電流值同步采集。采集任務(wù)完成由主控模塊呼叫遠(yuǎn)程終端，并等待接收新命令，確定是否將采集到的數(shù)據(jù)上傳。所有模塊的處理控制核心均由DSP和單片機(jī)組成。

3 網(wǎng)絡(luò)并行電法儀數(shù)據(jù)采集方式

同所有的直流穩(wěn)定電場(chǎng)電法勘探場(chǎng)源一樣，網(wǎng)絡(luò)并行電法儀采用的場(chǎng)源仍然是點(diǎn)電源電場(chǎng)(A，∞)和異性點(diǎn)電源電場(chǎng)(A，B)。但和常規(guī)電法和高密度電法不同的是網(wǎng)絡(luò)并行電法儀采用了類似地震的陣列采集方式，測(cè)線上全部電極同時(shí)對(duì)電源產(chǎn)生的電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，最大限度地獲取電位在空間上的分布，進(jìn)行全電場(chǎng)觀測(cè)。

網(wǎng)絡(luò)并行電法儀中的每個(gè)電極都具有A供電、B供電、電位差采集3種工作狀態(tài)，可根據(jù)測(cè)量需要在一次布極完成后自動(dòng)設(shè)定各個(gè)電極的工作狀態(tài)，從而選擇不同的數(shù)據(jù)采集方式。設(shè)定時(shí)只需在布設(shè)電極中選定供電電極，其余電極都處于采集狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)采集。將高密度電阻率法中的溫納對(duì)稱四極裝置、溫納偶極裝置、溫納微分裝置、溫納三極裝置簡(jiǎn)化為單極供電同步采集和偶極供電同步采集兩種簡(jiǎn)單的測(cè)量方式，測(cè)量原理如圖3所示。通過(guò)兩種簡(jiǎn)單方式采集到的數(shù)據(jù)在進(jìn)行解析時(shí)可通過(guò)相應(yīng)的處理得出以往所有采集方式解析所需的數(shù)據(jù)序列。由于系統(tǒng)中每個(gè)電極都具有工作狀態(tài)選擇功能，可使系統(tǒng)在一次布極完成后，根據(jù)需要進(jìn)行多種形式的測(cè)量，并可使所有在線電極進(jìn)行循環(huán)供電采集數(shù)據(jù)而不需要改變系統(tǒng)硬件布置。

圖3 測(cè)量方式原理圖Fig 3 Principle diagram of measurement mode

采集數(shù)據(jù)時(shí)是對(duì)自然場(chǎng)、一次場(chǎng)、二次場(chǎng)的全過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，一次采集即可完成直流電阻率法、激電法的所有裝置測(cè)量。為電法反演提供更加完善的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采集頻率可由用戶根據(jù)測(cè)量供電周期大小自行設(shè)定［5］。

4 探測(cè)鉆孔布置

由于覆巖破壞過(guò)程是隨著采掘工作的推進(jìn)而動(dòng)態(tài)發(fā)育的。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)裂高觀測(cè)技術(shù)最大的不同之處在于可以全程把握采動(dòng)前、采動(dòng)中和采動(dòng)后巖層破壞發(fā)育規(guī)律。因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有布置早，觀測(cè)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)。井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以頂板鉆孔為基礎(chǔ)，鉆孔布置在風(fēng)巷或機(jī)巷頂板中，可設(shè)計(jì)為仰孔。鉆孔位置布置在工作面推進(jìn)方向上，鉆孔方位斜指向工作面內(nèi)，鉆孔傾角40°～60°，水平方位角0°～90°。孔深可根據(jù)本礦區(qū)最大經(jīng)驗(yàn)裂高來(lái)設(shè)計(jì)，原則上要控制最大巖體破壞區(qū)為宜，鉆孔電極布置如圖4所示。

在鉆孔施工完成后，根據(jù)探測(cè)的深度和精度要求確定電極數(shù)和極距，電極和電纜通過(guò)模具形成一體埋入至鉆孔中并以水泥漿耦合。

根據(jù)某礦171301工作面探測(cè)任務(wù)與施工條件，布置2個(gè)監(jiān)測(cè)孔，1#裂高孔布置在風(fēng)巷，2#裂高孔布置在軌道順槽出煤聯(lián)巷，鉆孔方位均指向工作面方向。

圖4 鉆孔電極布置示意圖Fig 4 Layout diagram of bore and electrode

以1#號(hào)裂高孔為例進(jìn)行說(shuō)明，鉆孔位置示意圖見(jiàn)圖5所示。1#探測(cè)孔為仰角孔，鉆孔實(shí)際仰角為38°，與巷道之間夾角為5°，方位角320°，圖6為鉆孔地質(zhì)剖面圖。結(jié)合鉆探資料，鉆孔中共布置64個(gè)電極，電極間距為2.5 m，1號(hào)電極在上，64號(hào)在下，距孔口0.8 m。監(jiān)測(cè)控制區(qū)域?yàn)?3—1煤和鉆孔所構(gòu)成的三角形區(qū)域，控制平距延煤層走向距離為125 m，控制垂高為80 m。

圖5 1#探測(cè)鉆孔布置平面圖Fig 5 Layout planar diagram of 1#monitoring bore

圖6 1#探測(cè)孔地質(zhì)剖面圖(1∶1000∠320°)Fig 6 Geologic section diagram of 1#monitoring bore

5 1#裂高探測(cè)孔視電阻率剖面分析

1)巖層電阻率背景值分析

圖7(a)為2010年5月12日孔中視電阻率剖面，工作面回采位置距孔口185 m，由于工作面位置距離較遠(yuǎn)，采動(dòng)對(duì)上覆地層的影響尚未影響至監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，故可將此次視電阻率剖面作為背景值進(jìn)行比較。

2)巖層變形破壞分析

圖7(b)為2010年6月18日孔中視電阻率監(jiān)測(cè)剖面，該日工作面回采位置距孔口112 m，回采位置已進(jìn)入監(jiān)測(cè)區(qū)。剖面中在已回采的工作面頂板上方阻值明顯升高，且高阻區(qū)分布范圍較大。與背景電阻率值相比其局部電阻率值達(dá)背景值的3～5倍以上，表明工作面頂板煤巖體在應(yīng)力集中作用下發(fā)生一定的破壞或位移，使得監(jiān)測(cè)區(qū)視電阻率升高，因此，利用監(jiān)測(cè)剖面中高阻明顯變化的位置來(lái)確定頂板巖體破壞程度。

圖7(c)為2010年6月30日孔中視電阻率監(jiān)測(cè)剖面，距離孔口位置為46m。在離工作面較遠(yuǎn)的老空區(qū)頂板相比工作面正上方或前方阻值明顯增高，表明后方頂板巖體發(fā)生破壞，巖體電阻率值升高;而工作面上方和前方巖體在人工支護(hù)下減緩了破壞進(jìn)程，且受超前集中應(yīng)力影響，存在周期壓力等現(xiàn)象，視電阻率變化有時(shí)增高有時(shí)降低，處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖7(d)為2010年7月8日測(cè)試電阻率剖面，工作面回采位置為8m，監(jiān)測(cè)段已基本回采完畢，絕大部頂板巖層位于老空區(qū)上方。此時(shí)整個(gè)監(jiān)測(cè)剖面主要為高電阻率值分布，且在剖面下部高阻區(qū)比較集中，表明在老空區(qū)形成一定步距后，應(yīng)力集中破壞程度高，頂板近煤層巖體冒落，垮落帶發(fā)育較充分，頂部巖體位移量較大，裂隙區(qū)進(jìn)一步發(fā)育。

圖7 1#探測(cè)孔視電阻率監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig 7 Surveillance results of resistivity in 1#monitoring bore

3)“兩帶”高度確定

根據(jù)覆巖“兩帶”電阻率值典型特征，結(jié)合區(qū)域基本地質(zhì)條件，分析認(rèn)為不同時(shí)期該煤層開(kāi)采破壞后垮落帶高度范圍為19.5～21.6 m。該段巖層電阻率值整體較高，有的甚至達(dá)到幾千歐姆·米，即超過(guò)背景電阻率值10倍以上，為典型的巖層破壞特征;導(dǎo)水裂縫帶高度范圍為65.0～67.0 m。該段巖層電阻率值變化不均勻，局部達(dá)到幾千歐姆·米以上，且上下溝通特征明顯，為破壞導(dǎo)通區(qū)。局部巖層電阻率值在1000Ω·m以下，其電阻率值顯著增加但未表現(xiàn)出破壞特征;頂板巖層67 m以上段巖層電阻率值未見(jiàn)普遍的上升或下降，相對(duì)穩(wěn)定，其為彎曲下沉帶特點(diǎn)。參考6～7月份工作面回采實(shí)測(cè)剖面的采高為4.57～5.3 m，計(jì)算得出在1#監(jiān)測(cè)孔范圍內(nèi)171301工作面回風(fēng)巷的冒采比范圍為3.8～4.3倍，裂采比范圍為12.6～14.6倍。

6 結(jié)論

利用網(wǎng)絡(luò)并行電法儀組建工作面覆巖破壞參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)覆巖參數(shù)檢測(cè)方法，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)記錄覆巖隨采掘工作推進(jìn)而被破壞的動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程，為工程技術(shù)人員提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義，在防治水方面可用于計(jì)算工作面防水煤柱，在瓦斯治理方面可指導(dǎo)高抽巷布置、保護(hù)層開(kāi)采預(yù)裂高度等［6］。

［1］劉盛東，吳榮新，張平松.高密度電阻率法觀測(cè)煤層上覆巖破壞［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2001，29(4):18-22.

［2］張平松，劉盛東，吳榮新.地震波CT技術(shù)探測(cè)煤層上覆巖層破壞規(guī)律［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(15):2510-2513.

［3］張平松，劉盛東，吳榮新.采煤面覆巖變形與破壞立體電法動(dòng)態(tài)測(cè)試［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(9):1870-1875.

［4］Zhang Pingsong，Wu Jiansheng，Liu Shengdong.Testing with high density resistivity method in prevention and cure for mine water disaster and its applied effect［J］.Journal of Coal Science and Engineering，2007，13(2):165-169.

［5］鄭曉亮，劉盛東.基于雙處理器的并行采集網(wǎng)絡(luò)電法儀設(shè)計(jì)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(4):85-88.

［6］國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.