黃 剛，余國鋒，韓云春，羅 勇，任 波，趙 靖，徐一帆，高銀貴，賀世芳

(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 深部煤炭安全開采與環(huán)境保護(hù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001；3.鄂爾多斯市華興能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；4.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 煤業(yè)分公司，安徽 淮南 232095)

目前礦井回采工作面水害監(jiān)測主要采用微震監(jiān)測、多參數(shù)傳感器監(jiān)測以及電法監(jiān)測等技術(shù)手段[1]。微震監(jiān)測技術(shù)是一種對(duì)巖體在變形破壞過程中所產(chǎn)生的微破裂進(jìn)行定時(shí)、定位的一種監(jiān)測技術(shù)，主要用于監(jiān)測工作面頂、底板巖石破裂、破壞情況，但無法判斷是否有水通過導(dǎo)水通道導(dǎo)通至開采層[2，3]。多參數(shù)傳感器監(jiān)測通過布置傳感器可以直接監(jiān)測當(dāng)前傳感器所處位置的物性變化特征，用于判斷工作面水害時(shí)容易以偏概全、以點(diǎn)代面，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果不準(zhǔn)確[4-6]。

礦井電法監(jiān)測技術(shù)是通過布設(shè)專用電極、向地下供入電流建立電場，測量工作面頂、底板在電阻率變化影響下的電場響應(yīng)，根據(jù)異常響應(yīng)的電場規(guī)律對(duì)工作面水害進(jìn)行分析判斷[7，8]。國內(nèi)外研究學(xué)者在電法監(jiān)測技術(shù)原理、數(shù)據(jù)處理解釋、儀器設(shè)備以及現(xiàn)場應(yīng)用等方面展開了大量研究。程久龍通過數(shù)值模擬得到了覆巖采動(dòng)影響下裂隙的電場異常響應(yīng)規(guī)律，對(duì)覆巖破壞“上三帶”的電阻率變化進(jìn)行了分析量化[9]。劉樹才等構(gòu)建了底板采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶動(dòng)態(tài)演化地電模型，將煤層底板巖層在回采過程中分為4個(gè)導(dǎo)電性差異區(qū)段，分別為超前壓縮區(qū)、過渡區(qū)、膨脹破壞區(qū)及重新壓實(shí)區(qū)，且通過三維正演模擬得到了煤層底板導(dǎo)水裂隙演化過程中的視電阻率響應(yīng)特征[10]。劉斌等利用電阻率層析成像法在防突層布設(shè)電極進(jìn)行頂板突水監(jiān)測的物理模擬，成功捕捉到前兆信息，為突水災(zāi)害的及時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)提供了重要參考[11]。王瑩等對(duì)采動(dòng)影響下煤層覆巖電性變化規(guī)律進(jìn)行了正演模擬研究，分析了存在導(dǎo)水裂隙時(shí)覆巖破壞的電性異常響應(yīng)特征[12]。靳德武等采用多頻連續(xù)電法監(jiān)測系統(tǒng)，利用擬高斯-牛頓法對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行三維電阻率反演，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤層底板充水水源變化過程的自動(dòng)化三維監(jiān)測[13]。魯晶津等采用時(shí)移電阻率成像方法通過監(jiān)測工作面回采過程中頂、底板電阻率變化對(duì)水害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判識(shí)[14]。上述相關(guān)學(xué)者針對(duì)電場響應(yīng)規(guī)律的研究，為礦井電法數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理解釋等提供了原理依據(jù)。

電法監(jiān)測利用了導(dǎo)水構(gòu)造含水和不含水時(shí)的導(dǎo)電性差異，能有效判別異常構(gòu)造的含水性；電法監(jiān)測既可以探測到電極處的電場異常變化，也可以有效捕捉整個(gè)監(jiān)測空間內(nèi)的異常變化；電法監(jiān)測的上述特性，避免了多參數(shù)傳感器監(jiān)測以偏概全、微震監(jiān)測無法判別裂隙含水性的缺點(diǎn)[15]。

1 工作面概況

1.1 工作面地質(zhì)構(gòu)造

唐家會(huì)煤礦一盤區(qū)61304工作面為礦井南第四個(gè)回采工作面，東自三條盤區(qū)系統(tǒng)大巷，西至呼準(zhǔn)一期鐵路煤柱保護(hù)線，南為未掘進(jìn)的61305工作面，北為已回采結(jié)束的61303工作面，其它無采掘活動(dòng)。工作面主采6煤，工作面底板可參考標(biāo)高+759.6～+781.3 m，底板走向長2141 m，傾向長240 m，煤層厚度11.6～17.5 m，煤層厚度南厚北薄，西厚東薄，傾角0°～6°，平均2°，局部煤層起伏較大，近似單斜構(gòu)造。現(xiàn)有物探資料顯示，61304工作面YC1號(hào)異常區(qū)位于切眼往回采方向300 m范圍內(nèi)，由三維地震探測的Y6異常區(qū)、DF29斷層、槽波地震探測的3條斷層及音頻電透2號(hào)異常區(qū)構(gòu)成，工作面示意圖如圖1所示。

圖1 工作面布置方案Fig.1 Schematic diagram of the working face

1.2 工作面水文地質(zhì)

61304工作面6煤距奧灰含水層距離41.5～57.7 m，平均50.8 m，完成底板順層鉆孔探查治理和地面定向鉆治理工程后，煤層底板承受奧灰水壓力0.88～1.10 MPa，最大突水系數(shù)為0.037 MPa/m，對(duì)照突水系數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，灰?guī)r水突水系數(shù)均小于0.06 MPa/m，煤層底板完整塊段發(fā)生灰?guī)r水突水可能性較小，但不排除受斷層、陷落柱等垂向?qū)畼?gòu)造的作用，局部發(fā)生灰?guī)r水突水的可能。

2 電法智能監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

煤層底板在工作面回采過程中經(jīng)歷著周期性的應(yīng)力變化，當(dāng)?shù)装鍘r層受到應(yīng)力作用在巖石彈性范圍內(nèi)時(shí)發(fā)生彈性形變時(shí)原生孔隙、裂隙減小；當(dāng)應(yīng)力超過巖石的彈性范圍時(shí)發(fā)生塑性形變，底板巖層會(huì)產(chǎn)生大量新生裂隙，甚至導(dǎo)致巖層破碎從而形成導(dǎo)水通道。由此可見，應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)致巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其導(dǎo)電性能發(fā)生變化。當(dāng)采動(dòng)破壞產(chǎn)生的通道與地下含水體導(dǎo)通時(shí)，巖石電阻率會(huì)發(fā)生更加顯著的變化[16]。巖石電阻率的變化與裂隙發(fā)育情況和含水性緊密相關(guān)，因此通過監(jiān)測工作面回采過程中的電阻率變化情況可以對(duì)工作面底板的破壞情況以及水害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估[17，18]。

電法智能監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，系統(tǒng)主要由監(jiān)測裝備、通信設(shè)備和配套軟件組成，其中監(jiān)測設(shè)備由監(jiān)測主機(jī)、隔爆電源、監(jiān)測線纜和監(jiān)測電極組成，通信設(shè)備由地面光端機(jī)、井下光端機(jī)及光纖組成，配套軟件主要有地面遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)庫管理平臺(tái)以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件組成。

圖2 采煤工作面電法智能監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of electrical intelligent monitoring system for coal face

本次監(jiān)測采用四極測量裝置，在兩個(gè)相隔一定距離的觀測鉆孔中布置一定數(shù)量的工作電極，供電電極A和測量電極M共處于相同鉆孔中，供電電極B和測量電極N在另一相同鉆孔中，其中電極A、M距離和B、N距離相等。測量時(shí)，固定此間距，將A、M依次從首移到尾，每一次移動(dòng)中B、N都應(yīng)完成所在孔中所有點(diǎn)的測量。利用觀測電位值或轉(zhuǎn)換的視電阻率值進(jìn)行反演計(jì)算，從而得到兩孔之間區(qū)域電阻率的分布情況。觀測系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 觀測系統(tǒng)方案Fig.3 Schematic diagram of the observation system

視電阻率計(jì)算如式(1)(2)，其中I為電流強(qiáng)度，ρ為介質(zhì)電阻率，ΔUMN為M，N兩點(diǎn)電極電位差[19]。

2.2 電法智能監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測方案

在61304工作面回風(fēng)巷距離切眼250 m處的6號(hào)硐室附近布置定向鉆孔，鉆孔位置如圖1所示。在1#和4#孔安裝智能電法監(jiān)測設(shè)備(如圖4所示)，安裝設(shè)備完成后此兩孔全段期間不能再施工和注漿，具體方案為：①施工4#孔，孔深364 m，間隔20 m布設(shè)電極，共布設(shè)16個(gè)監(jiān)測電極，安裝正常后注漿封孔；②施工1#孔，孔深341 m，間隔20 m布設(shè)電極，共布設(shè)16個(gè)監(jiān)測電極，安裝正常后注漿封孔；③將孔間電法監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試上線；④監(jiān)測3#(孔深425 m)、3-1#(孔深263 m)和3-2#(孔深327 m)孔的注漿過程中漿液擴(kuò)散范圍；⑤監(jiān)測工作面回采過程中底板異常區(qū)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育情況；⑥工作面回采至回風(fēng)巷6號(hào)硐室附近，孔間電阻率監(jiān)測結(jié)束。

圖4 定向孔間電法監(jiān)測孔位Fig.4 Schematic diagram of hole position monitoring by electrical method between directional holes

3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測成果

3.1 YC1異常區(qū)注漿效果動(dòng)態(tài)監(jiān)測

1)注漿情況。1#孔漿液116 t，3#孔共注漿6.3 t，煤層底板孔間電法監(jiān)測首先完成了首次數(shù)據(jù)采集，然后緊接著3-1#孔注漿14.6 t和3-2#孔注18.9 t，接續(xù)1#孔封孔注漿7.9 t，一共注漿41.4 t漿液，水灰比3∶1。各孔注漿時(shí)間及注漿量見表1。

表1 各孔注漿時(shí)間及注漿量Table 1 Grouting time and grouting amount of each hole

2)背景場監(jiān)測成果。1月23日第一次1#孔和3#孔煤層底板孔間電法監(jiān)測底板下30 m平面成果如圖5(a)所示，作為背景場。從圖中可以看出，主要存在1處低阻異常區(qū)J1，位于1#孔孔底，異常平面位置位于工作面外，推測為1#孔116 t漿液主要集中區(qū)域。另外，在4#孔附近監(jiān)測到零星分散的次低阻區(qū)，推測為穿層孔注漿漿液的反應(yīng)。

圖5 孔間電法監(jiān)測底板下30 m平面成果Fig.5 Results of the electrical method monitoring of 30 m plane under the floor between holes

3)注漿后監(jiān)測成果。1月29日3-1#注漿后的煤層底板孔間電法監(jiān)測底板下30 m平面成果如圖5(b)所示，可以看出，主要存在2處低阻區(qū)，J1異常位于1#孔孔底，異常平面位置位于工作面外，與注漿前J1異常基本一致，推測為1#孔116 t漿液主要擴(kuò)散區(qū)域；J2異常位于3-1#孔附近，推測3-1#孔注漿液集中區(qū)域。

為突顯3-1#孔14.6 t漿液擴(kuò)散范圍，對(duì)比1月29日與1月23日煤層底板孔間電法監(jiān)測成果相對(duì)異常，作相對(duì)異常平面圖(圖6)，從成果圖中可以看出，3-1#孔注漿液主要分布在J2低阻異常區(qū)，整體異常范圍也反應(yīng)了漿液量較少，擴(kuò)散范圍集中在孔徑向范圍20 m內(nèi)，說明3-1#孔附近裂隙相對(duì)不發(fā)育。

圖6 1月29日與23日孔間電法監(jiān)測相對(duì)異常底板下30 m平面成果Fig.6 Results of 30 m plane under the relative anomaly floor monitored by electrical method between holes on January 29th and 23rd

3月1日煤層底板孔間電法監(jiān)測底板下30 m平面成果如圖7所示，按照1月23日的色標(biāo)，整體未發(fā)現(xiàn)低阻異常區(qū)，說明漿液經(jīng)過1個(gè)月的凝固擴(kuò)散電阻率升高。

圖7 3月1日孔間電法監(jiān)測底板下30m平面成果Fig.7 Results of the electrical method monitoring of 30 m plane under the floor betweem holes on March 1st

為突顯1～4#孔166.5 t漿液經(jīng)過1個(gè)月時(shí)間凝固后電阻率變化區(qū)域，對(duì)比3月1日與1月23日電法監(jiān)測成果相對(duì)異常圖(圖8)，可以看出兩孔之間的巖層電阻率明顯的升高，主要集中在1#至4#孔之間的孔底區(qū)域，據(jù)此分析可以得到：①1#和4#孔間未發(fā)現(xiàn)低阻異常區(qū)，說明注漿后兩孔之間不存在相對(duì)富水異常區(qū)；②1#和4#孔間經(jīng)過1個(gè)月時(shí)間推移，電阻率值明顯上升，漿液隨著裂隙等通道流動(dòng)均勻，將目標(biāo)區(qū)域內(nèi)裂隙封堵；③通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)166.5 t漿液擴(kuò)散范圍主要集中在1#和4#孔之間的孔底區(qū)域及1#孔中段巖性異常區(qū)域(圖9藍(lán)色虛線所示)。

圖8 3月1日與1月23日注漿前后的視電阻率純異常分布Fig.8 Pure anomaly distribution of apparent resistivity before and after grouting on March 1st and January 23th

圖9 3月3—7日監(jiān)測成果圖Fig.9 Monitoring results from March 3rd to 7th

3.2 工作面采動(dòng)中導(dǎo)水通道監(jiān)測成果

工作面于3月1日開始正?；夭桑ぷ髅娌蓜?dòng)中煤層底板智能電法監(jiān)測也正式開始，根據(jù)采集得到的數(shù)據(jù)分析導(dǎo)水通道發(fā)育情況。

3月4—7日電阻率監(jiān)測成果如圖9(a)所示，3月3日回采范圍內(nèi)未見明顯低阻異常，3月4日早6時(shí)也未見明顯低阻異常，3月4日晚21時(shí)在回采線附近電阻率逐漸降低，3月5日1時(shí)在回采線附近電阻率值繼續(xù)降低，發(fā)現(xiàn)1號(hào)低阻異常區(qū)，垂向上該異常從底板下0～35 m均有發(fā)育，“上寬下窄”如圖9(b)所示，異常核心集中在淺層，平面上位于回采工作面的運(yùn)輸巷往回風(fēng)巷方向70～120 m區(qū)間，受4#孔位置限制實(shí)際低阻異常范圍可能會(huì)更大，結(jié)合現(xiàn)場礦壓觀測，隨著工作面初次來壓后，3月6日該區(qū)域電阻率值逐漸抬高，3月7日該區(qū)域電阻率恢復(fù)至來壓前的狀態(tài)。

3.3 微震監(jiān)測成果驗(yàn)證

1)3月6日共監(jiān)測到微震事件337個(gè)(與前一日相比增加132個(gè))，其中頂板事件154個(gè)(與前一日相比增加89個(gè))，6煤底30 m事件173個(gè)(與前一日相比增加36個(gè))，6煤底30 m奧灰頂事件8個(gè)(與前一日相比增加5個(gè))，奧灰事件2個(gè)。

2)微震事件分布于回采線前方80 m范圍內(nèi)，工作面切眼外部擾動(dòng)30 m范圍，頂板事件增加123%，工作面來壓，且應(yīng)力偏向回風(fēng)巷，事件集中發(fā)育時(shí)段為3月5日22時(shí)至3月6日2時(shí)，至3月6日凌晨2點(diǎn)微震事件達(dá)到最多，3月5口6∶00至3月6日8∶00之間微震事件數(shù)量變化如圖10所示。6煤底30 m以深事件偏向采空區(qū)一側(cè)發(fā)育，在工作面切眼附近監(jiān)測到6煤底30 m奧灰頂事件(圖11所示)。

圖10 61304工作面來壓微震事件數(shù)量變化曲線Fig.10 Variation curve of the number of microseismic events in 61304 working face

圖11 61304工作面3月6日微震事件位置分布Fig.11 Location distribution of microseismic event in 61304 working face on March 6th

3)初次來壓前，采空區(qū)基本頂巖層不能隨著開采立刻垮落，將在工作面后方形成懸臂巖梁，工作面周圍支承壓力的變化將導(dǎo)致底板應(yīng)力狀態(tài)隨之發(fā)生變化，采動(dòng)應(yīng)力與支承壓力的疊加導(dǎo)致微震事件明顯增多，6煤底至奧灰頂層段事件聚集發(fā)育，且在來壓時(shí)巖石破裂產(chǎn)生能量較大微震事件，底板破壞深度加深。

4)從圖9可以看出，隨著工作面向前開采，初次來壓前，基本頂不曾發(fā)生垮落，在工作面前后方形成增壓區(qū)、應(yīng)力集中，工作面底板壓力值變大，底板破壞深度變深，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)底板裂隙相對(duì)發(fā)育富水性變強(qiáng)，因此3月4—5日的電阻率監(jiān)測成果表現(xiàn)為慢慢出現(xiàn)低阻異常區(qū)，3月5日電阻率監(jiān)測提前預(yù)警工作面的初次來壓事件；初次來壓后，基本頂垮落、壓力和砂巖水靜儲(chǔ)量釋放，該區(qū)域電阻率逐漸恢復(fù)至接近來壓前的狀態(tài)，3月6日之后該區(qū)域電阻率恢復(fù)至接近來壓前的狀態(tài)。煤層底板智能電法監(jiān)測結(jié)果與微震監(jiān)測成果一致，驗(yàn)證了電法監(jiān)測結(jié)果的有效性。

綜合分析，該裂隙垂向發(fā)育范圍工作面底板下0～35 m之內(nèi)，主要集中在淺層，說明該裂隙未導(dǎo)通奧灰含水層，工作面可繼續(xù)安全回采，實(shí)際回采中也未發(fā)生突水事故。

3.4 3月13—16日監(jiān)測成果

3月13—16日之間電阻率監(jiān)測成果如圖12所示，從圖12中可以看出，3月13—16日之間區(qū)域內(nèi)電阻率值變化較小未發(fā)現(xiàn)低阻區(qū)域，從3月13日開始1號(hào)異常區(qū)域電阻率值逐漸降低，并穩(wěn)定下來，異常平面位置與3月5日發(fā)現(xiàn)一致，垂向上集中在底板下0～35 m，“上下同寬”如圖12(b)所示，異常核心集中在底板下30 m附近，結(jié)合底板巖層應(yīng)力變化情況，分析如下：

圖12 3月13—16日監(jiān)測成果圖Fig.12 Monitoring results from March 9th to 16th

1)初次來壓造成底板巖層應(yīng)力集中新生裂隙，造成1號(hào)異常區(qū)域電阻率值變低；當(dāng)初次來壓后底板應(yīng)力釋放、基本頂巖層垮落過程中導(dǎo)致新生裂隙受擠壓閉合，該區(qū)域電阻率值抬升；頂板巖層壓實(shí)采空區(qū)后，底板巖層恢復(fù)原應(yīng)力狀態(tài)，1號(hào)異常區(qū)內(nèi)已新生裂隙重新張開并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)電阻率值再次變低且穩(wěn)定存在，即3月13日后1號(hào)低阻異常區(qū)電阻率值穩(wěn)定下來。

2)從垂向剖面圖分析可知，初次來壓造成底板破壞深度較深，初次來壓底板破壞深度為30～35 m之間。

3)綜合監(jiān)測結(jié)果可知，未監(jiān)測到發(fā)育大于35 m的垂向低阻異常體，判斷無底板突水的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際回采中也并未發(fā)生突水。

4 結(jié) 論

1)井下低阻異常區(qū)定向鉆注漿治理工程中，可以通過監(jiān)測巖層的視電阻率變化從而跟蹤漿液的擴(kuò)散范圍，繼而判斷巖層導(dǎo)水通道發(fā)育情況以及評(píng)價(jià)注漿效果。

2)回采工作面初次來壓前，基本頂不曾發(fā)生垮落，在工作面前后方形成應(yīng)力集中的增壓區(qū)，導(dǎo)致工作面底板壓力變大，底板破壞深度加深，采面底板附近巖層裂隙相對(duì)發(fā)育富水性變強(qiáng)，電阻率降低；初次來壓底板巖層應(yīng)力集中，造成新生裂隙，導(dǎo)致采面后方電阻率值變低；初次來壓后底板應(yīng)力釋放、基本頂巖層垮落過程中導(dǎo)致新生裂隙受擠壓閉合，電阻率值上升，采動(dòng)形成的導(dǎo)水通道可能在初次來壓區(qū)發(fā)育。