吳榮新 曹建富

摘要：掌握垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度對(duì)于煤礦工作面安全開采具有重要的意義。通過(guò)在煤層工作面布置覆巖破壞雙孔電法監(jiān)測(cè)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(guò)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(shí)例研究表明：?jiǎn)毋@孔電極電流比值變化圖可以直觀地反映各電極點(diǎn)電流比值隨推進(jìn)時(shí)間及回采位置的動(dòng)態(tài)變化，分析各電極點(diǎn)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(gè)采集時(shí)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(dòng)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(guò)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(shì)，彌補(bǔ)單方法處理與解釋的缺點(diǎn)，更全面地反映采后垮落帶及裂縫帶發(fā)育的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，更好地指導(dǎo)工作面安全開采工作。

關(guān)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(hào)：P631

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1098（ 2020）04-0001-08

作者簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(lái)在煤層工作面采用鉆孔法對(duì)覆巖破壞進(jìn)行了大量研究及應(yīng)用，采用的技術(shù)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(cè)覆巖破壞，由于現(xiàn)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)，到煤層工作面覆巖破壞的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，進(jìn)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(cè)方法或多參數(shù)法探查地質(zhì)問(wèn)題是當(dāng)前物探探測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)[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(diǎn)，特別是能夠同步測(cè)得同一測(cè)線各電極供電電流、自然電位、一次場(chǎng)電位和二次場(chǎng)電位等數(shù)據(jù)，適宜于進(jìn)行多方法數(shù)據(jù)處理，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用[11-14]。目前，鉆孔覆巖破壞電法監(jiān)測(cè)已有多種方法處理與解釋：?jiǎn)毋@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(jìn)行多方法數(shù)據(jù)處理，從多角度認(rèn)識(shí)覆巖破壞規(guī)律，是引人關(guān)注的問(wèn)題。本文對(duì)雙孔并行電法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)應(yīng)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?dǎo)水范圍，兩者合稱為導(dǎo)水裂隙帶。目前已有很多學(xué)者開展了的理論研究、相似模擬實(shí)驗(yàn)等，對(duì)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(rèn)識(shí)[15-19]。已有的研究資料表明，對(duì)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(duì)覆巖破壞監(jiān)測(cè)鉆孔，位于同一垂直剖面內(nèi)，鉆孔控制垂高應(yīng)超出預(yù)估的最大導(dǎo)水裂隙帶高度。在鉆孔內(nèi)布置若干電極，通過(guò)電極電纜與并行電法儀相連;在巷道內(nèi)布置無(wú)窮遠(yuǎn)供電電極，與電法儀器相連。隨工作面不斷推進(jìn)，采動(dòng)變形與破壞帶將進(jìn)入鉆孔控制范圍。采集電法數(shù)據(jù)時(shí)，保持無(wú)窮遠(yuǎn)供電電極位置固定，供電電壓不變，監(jiān)測(cè)各電極電流值變化，能夠反映各電極點(diǎn)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(dòng)態(tài)變化情況。

2 地質(zhì)概況及現(xiàn)場(chǎng)施工

1303工作面位于甘肅省慶陽(yáng)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(jiǎn)單，煤層平均傾角12°，平均煤厚3.0m。工作面走向長(zhǎng)1860m，傾斜長(zhǎng)240m。工作面頂板以粉砂巖和細(xì)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(biāo)高+1350 - +1404m，平均基巖高度165.5m。工作面采用綜合機(jī)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(shè)與壓煤開采規(guī)程》計(jì)算，垮落帶高度為9. 2+2.2 m，裂隙帶高度為36. 2+5. 6m。而對(duì)中侏羅統(tǒng)延安組煤層已有的覆巖破壞探測(cè)研究結(jié)果表明，實(shí)際探查導(dǎo)水裂隙帶高度可達(dá)按該規(guī)程計(jì)算的導(dǎo)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(cè)進(jìn)行多方法處理與解釋。

2019年1月20 - 31日在相鄰工作面回風(fēng)巷道施工2個(gè)頂板鉆孔，測(cè)斜后安裝電極電纜系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)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(zhǎng)為103.5 m，控制垂高88.3 m，控制水平距離53. 8m，布置30個(gè)電極，電極間距3.5m（見表1）;2#孔孔長(zhǎng)100m，控制垂高64. 0m，控制平距68.8 m，布置32個(gè)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(wú)窮遠(yuǎn)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(jì)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(zhǔn)確反映覆巖破壞的空間形態(tài)。

采動(dòng)影響前后雙鉆孔電阻率反演成像結(jié)果對(duì)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(gè)鉆孔測(cè)線的電壓及電流值數(shù)據(jù)，利用電法軟件進(jìn)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(duì)高低情況;但是由于在電阻率反演過(guò)程中相當(dāng)比例的數(shù)據(jù)被剔除，導(dǎo)致其反演的不同覆巖破壞帶電阻率值變化特征沒(méi)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(diǎn)，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(rèn)識(shí)覆巖破壞的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，有助于客觀解釋垮落帶及裂隙帶高度。

5 結(jié)論

（1）對(duì)煤層工作面覆巖破壞雙孔電法監(jiān)測(cè)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(shì)，進(jìn)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(diǎn)的接地電阻變化情況，分析各電極點(diǎn)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(guò)多方法處理綜合解釋，能夠彌補(bǔ)單方法處理與解釋的缺點(diǎn)，更全面地反映采后垮落帶及裂隙帶發(fā)育的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，更好地指導(dǎo)工作面安全開采工作。

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（責(zé)任編輯：李麗）