并行電法探測煤層頂板“兩帶”發育高度

曹始友，董方營，成文舉，謝瑞斌，石鵬程

(1.棗莊礦業(集團)有限責任公司，山東 棗莊 277599； 2.山東科技大學 地球科學與工程學院 山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室，山東 青島 266590； 3.棗莊礦業集團高莊煤業有限公司，山東 濟寧 277600)

煤層開采使覆巖內部應力重新分布，導致巖層變形與破裂，若裂隙貫通頂板含水層，可能引發頂板突水事故[1]。因此，需要采取有效方法監測煤層開采過程中頂板“垮落帶”和“導水斷裂帶”(簡稱“兩帶”)發育高度，指導煤礦防隔水煤柱和防砂煤柱留設[2]。國內目前對覆巖破壞的研究主要有理論計算、物理模擬、數值模擬和現場實測等基本方法[3-8]。然而，覆巖變形與破裂不僅受采厚、采深、工作面寬度、斷層和裂隙發育等因素的影響[9]，還與工作面推進情況密切相關，是一個動態發育的過程[10]。因此，必須連續觀測覆巖的物性特征變化才能掌握各階段巖層的破壞情況。

巖層破裂后電阻率變化較明顯，因此探測煤層開采過程中覆巖電阻率變化特征，是實現對頂板巖層變形與破壞動態監測的可靠手段之一[11-12]。鉆孔“并行電法”是在高密度電法勘探基礎之上發展起來的一種現場實測新技術，屬于直流電阻率法[13]。該方法具備集電測深和電剖面法于一體的多裝置、多極距高密度組合功能，具有多次覆蓋疊加的優勢，以及施工簡單、采集效率高、成本低、判定結果準確及動態效應強等特點；采集的數據可以進行二維和三維電阻率成像解釋[14-16]。可以探測工作面頂、底板平面上的低阻含水構造和垂向上不同深度地質構造的分布等，在煤礦開采巖層破壞探測工作中能夠取得較好的效果[16-18]。

采用“并行電法”技術對高莊煤礦3上303工作面進行現場監測。將采集的數據分別進行孔內視電阻率反演、直流電法超前探測和電極電流比值反演解譯；分析頂板采動變形破壞過程中地球物理參數變化，確定煤層頂板“垮落帶”和“導水斷裂帶”發育高度，并分析其發育規律。結合煤礦水文地質資料，利用“三下”開采規范中的經驗公式計算“兩帶”發育高度并與探測結果相比較。多方法相互驗證旨在精確查明礦區3上煤層頂板“兩帶”發育高度及其動態變化規律，為頂板水害防治提供科學依據。

1 研究區概況

高莊煤礦隸屬于滕州礦區，位于山東省濟寧市微山縣境內，目前主采3上煤層。3上303工作面南距程圓村約142 m，西距湖東大堤約202 m，東距卓廟村約43 m。煤系地層屬二疊系山西組(P1s)，周邊鉆孔及巷道揭露表明：3上煤層基本頂為粉砂巖、細砂巖互層，平均厚度69.2 m；直接頂為泥巖，平均厚度2.1 m。煤層厚度為4.58～6.54 m，平均厚度5.3 m，埋深470 m左右，賦存穩定，煤巖層傾角為6°～10°，研究區地層綜合柱狀圖見圖1。工作面內構造復雜，東部靠近劉仙莊斷層，采掘過程中可能揭露次生斷層。工作面開采的直接充水水源為頂板砂巖水，間接充水水源為上部侏羅系裂隙水和第四系松散層水。正常地段富水性弱，補給條件較差，但受構造影響地段裂隙較發育，頂板砂巖層富水性相對增強。采掘過程中頂板巖層變形與破壞可能導通含水層，導致頂板砂巖水、構造裂隙水等進入工作面，威脅煤礦安全開采。

圖1 地層綜合柱狀圖

研究區周邊煤礦工作面開采實測垮采比、裂采比情況如下：三河口煤礦3下2315工作面垮采比為3.1，裂采比為14.1；付村煤礦3上401工作面裂采比為10.85，3上1003工作面裂采比為13.25；蔣莊煤礦3上603工作面裂采比為12.6。

2 研究方法及物探設計

2.1 研究方法

研究區內沉積序列清晰，地層相對穩定，在橫縱方向上都有固定變化規律的地、電特性。然而，煤層開采過程中，覆巖破壞導致裂隙大量發育時會打破地層原有的電性規律，此時富水區范圍和煤層變薄區也與正常煤層間存在電性差異，這為并行電法探測技術的實施提供了良好的地球物理前提。

在充分分析煤礦地層條件、巖石物理性質、水文地質條件的基礎上，對3上303工作面進行并行電法監測。借助煤層頂板鉆孔構建孔內并行電法監測系統，根據工作面不同回采進度條件下煤層頂板巖層電阻率的響應特征，開展連續電法監測，分析其電流、電阻率數據，掌握“兩帶”動態發育規律，最終確定頂板裂隙發育的最大高度，為工作面安全開采提供依據。研究技術路線見圖2。

圖2 研究技術路線框圖

2.2 物探設計

測區鉆孔布置示意圖見圖3。頂板鉆孔布置于3上303運輸巷，開切眼向外150 m處。鉆孔與運輸巷夾角10°、仰角45°、孔深113 m，朝向工作面內，控制垂高80 m，控制平距78.9 m。實際施工的鉆孔觀測系統及地質剖面見圖4，左側巖性參照3上煤層礦井綜合水文地質柱狀圖。以煤層頂板孔口位置為坐標零點，垂直向頂板上方為y軸正方向，代表探測區域距離煤層頂板的垂直高度；沿鉆孔測線在煤層頂板投影指向開切眼方向為x軸正方向，代表觀測時間對應回采工作面距離孔口的位置。觀測孔內共安裝43個電極，電極間距1.5 m，孔頂為1號電極，無窮遠B極布置在巷道外口[19]。

圖3 鉆孔布置示意圖

圖4 鉆孔觀測系統及其地質剖面圖

3 物探結果與分析

3.1 數據采集

首先將孔內電極按設計順序連接好，然后布置無窮遠極(B極與N極)作為電位參照點，A極為供電極，M極為測量極。2020年3月31日進行首次電阻率值采集，將其作為孔內電法系統的巖層電阻率背景值，為后續探測剖面對比提供基礎。此時回采工作面距離孔口137.7 m，當日開始“兩帶”觀測孔動態監測；截至6月2日采集完最后一組數據，此時工作面回采到距孔口6.9 m處，之后孔內電法測線被完全破壞。此次孔內測線設備安裝滿足要求，現場共采集有效電法數據14組。采集數據與工作面位置關系見表1。對回采位置與測試時間進行統計，并與回采進度數據相結合，可進一步分析采動超前壓力等基本特征。

表1 電法數據采集與工作面位置關系

3.2 孔內視電阻率反演結果

孔內視電阻率反演與直流電法超前探測電阻率見圖5(藍色基調代表低電阻率值，紅色基調代表高電阻率值；紅色線框為視電阻率反演結果，黃色線框為直流電法超前探測結果)。

(a)3月31日，回采工作面距離孔口137.7 m

(b)4月17日，回采工作面距離孔口83.6 m

(c)4月22日，回采工作面距離孔口77.9 m

(d)4月28日，回采工作面距離孔口68.1 m

(e)5月7日，回采工作面距離孔口57.0 m

(f)5月18日，回采工作面距離孔口39.8 m

(g)5月29日，回采工作面距離孔口16.2 m

(h)6月2日，回采工作面距離孔口6.9 m

圖5(a)為探測電阻率背景值圖。此時回采工作面距孔口137.7 m，鉆孔之間巖層電阻率值在60 Ω·m以下，反映了正常砂巖(40～60 Ω·m)、泥巖(10～40 Ω·m)的電阻率值[11]。

從圖5(b)～(d)可看出距孔口83.6～68.1 m時觀測電阻率結果，較好地顯示了頂板巖層受采動應力超前影響，部分區域電阻率值由低到高的變化過程。回采工作面距孔口83.6 m時，孔內觀測區域視電阻率值與背景值相比有一定變化，在水平方向35 m處電阻率值開始升高，位于頂板細砂巖層位，表明該區域已經受采動應力超前影響，最大超前影響距離達48.6 m；距孔口68.1 m時，受采動應力超前影響區域電阻率值和范圍繼續變大，水平方向30 m處電阻率值也開始升高，主要位于頂板細砂巖層位，表明裂隙繼續發育，超前影響距離為38.1 m。

從圖5(e)～(f)可看出距孔口57.0～39.8 m時觀測電阻率結果，隨著工作面回采的推進，觀測剖面中高阻區范圍和電阻率值逐漸增大，表明受采動影響煤層頂板巖體開始逐漸被破壞，垮落帶開始發育。測線下部高阻區變得不均勻，說明受應力作用巖體結構破壞的同時水文地質條件也發生了變化，這些變化因素疊加在一起，形成電阻率綜合變化效果。

從圖5(g)可看出距孔口16.2 m時觀測電阻率結果，采動應力影響越來越大，頂板上方及前方巖體裂隙繼續發育，裂隙相互連通，形成垮落帶。采空區上方部分區域電阻率值升高到150 Ω·m以上，觀測范圍內出現電阻率分帶現象，通過對比“兩帶”發育特征勾勒出垮落帶發育位置曲線，確定垮落帶發育最大高度為20 m。

從圖5(h)可看出距孔口6.9 m時觀測電阻率結果，此時觀測段已基本回采完畢，絕大部分頂板巖層位于采空區上方，此時整個觀測剖面主要呈高電阻率值分布且有明顯的分帶現象。在剖面下部高阻區比較集中，表明在采空區形成一定步距后，應力集中破壞程度較高，頂板近煤層巖體垮落，垮落帶發育充分，頂部巖體位移量較大，裂隙區進一步發育。

3.3 直流電法超前探測結果

圖5中黃色線框內為直流電法超前探測電阻率圖。從圖5(b)～(c)可看出距孔口83.6～77.9 m時直流電法超前探測電阻率結果，該時間段內由于回采工作面沒有進入測線探測區域，視電阻率剖面整體有波動變化，但圖像特征基本一致，各層位特征仍反映正常巖層層位的電阻率值。

從圖5(d)～(e)可看出距孔口68.1～57.0 m時直流電法超前探測電阻率結果，隨著工作面回采的推進，明顯觀測到彎曲下沉現象出現于鈣質含礫黏土層位，視電阻率值明顯上升，推測該高度出現真空離層，煤層頂板上方巖體開始逐漸被破壞。

從圖5(f)～(h)可看出距孔口39.8～6.9 m時直流電流超前探測電阻率結果，在距孔口39.8 m時觀測到54 m范圍內視電阻率值開始升高，推斷為導水斷裂帶發育位置。隨著工作面向前推進，采動應力影響越來越大，頂板上方及前方巖體裂隙繼續發育，觀測范圍內煤層頂板上方鈣質含礫黏土層位出現電阻率分帶現象。直到工作面開采至距孔口6.9 m時，該范圍一直呈現高電阻率值，但高度不再向上發育。通過對比“兩帶”發育特征勾勒出導水斷裂帶發育曲線，確定導水斷裂帶發育最大高度為54 m。

3.4 電極電流比值反演結果

電極電流強度變化趨勢相對穩定且與工作面推進關系密切，因此可以采用電極電流數據進行反演。以距孔口137.7 m時電極電流值作為標準值，以工作面推進過程中的探測值與標準值之比作為研究參數。當工作面距孔口較遠時，巖層電阻率值總體較低，孔內電極電流值較高；巖層受采動影響后裂隙發育，電極電流值逐漸變小。

電極電流比值與回采距離動態變化關系如圖6所示(所有電流比值結果圖像均采用統一圖標，藍色為較低電流比值區，紅黃色為較高電流比值區)。

圖6 電極電流比值與回采距離動態變化圖

由圖6可見，當工作面推進至距孔口約85 m時，垂高14 m位置電極電流比值略有降低，可能是受到采動超前應力的影響所致。當工作面回采至距孔口55 m時，在垂高9～11、24～28、32～43 m內電極電流比值均有所降低，說明受采動影響裂隙發育也較為普遍；隨著工作面回采的推進，測線控制范圍內巖體受采動影響裂隙發育范圍逐漸增大，電極電流比值降低范圍也增大，比值降低至0.5左右。當工作面回采至距孔口43.0～6.9 m時，整個電極系統電流比值幾乎都顯著降低，部分區域降至0.2左右。煤層頂板垂高18 m以下部分，在采空區上方表現為連續低電流比值，即垮落帶的范圍。

4 頂板“兩帶”發育規律綜合分析

4.1 電法探測“兩帶”結果

煤層開采后頂板巖體結構受應力作用視電阻率值不斷升高，且隨著工作面向孔口推進，高阻區也逐漸向孔口移動。根據3上303工作面運輸巷布置的觀測孔，并行電法探測垮落帶高度和導水斷裂帶高度見表2。

表2 “兩帶”高度對比

由表2可見，電阻率反演和鉆孔電流比值成像結果基本一致，確定垮落帶高度為20 m，位于中砂巖和泥巖層位；導水斷裂帶高度為54 m，位于鈣質含礫黏土層位。孔內探測與直流電法超前探測結果見圖7。根據回采剖面圖，工作面平均采高為5.3 m，因此垮采比為3.7，裂采比為10.2。

圖7 孔內視電阻率法與直流電法超前探測結果

4.2 “兩帶”高度對比

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》要求，中厚煤層、中硬型頂板的“兩帶”發育高度計算公式如下[20]：

(1)

(2)

(3)

式中：M為煤層開采厚度，m；Hli為導水斷裂帶高度，m；HR為垮落帶高度，m。

計算得到垮落帶高度為14.2 m，導水斷裂帶高度為56.0 m。

對比周邊三河口煤礦、付村煤礦、蔣莊煤礦3煤層垮采比和裂采比，結果相近。說明本次探測結果較為準確，對“兩帶”發育高度探測的研究真實可靠。

5 結論

采用并行電法對高莊煤礦3上303工作面煤層頂板垮落帶、導水斷裂帶即“兩帶”發育情況進行動態監測，得到了工作面回采過程中煤層頂板巖層變形與破壞的全程特征，主要結論如下：

1)覆巖破壞動態監測采用孔內視電阻率法、直流電法超前探測和電極電流比值等方法相結合，探測反演結果相互驗證，結果更加可靠。有效解決了通過地面地質探查鉆孔過第四系松散層時探測成孔難、成本高、鉆孔無效段多等問題。

2)探測結果表明，工作面煤層頂板垮落帶高度為20 m，垮采比為3.7，位于中砂巖和泥巖層位；導水斷裂帶發育高度為54 m，裂采比為10.2，位于鈣質含礫黏土層位。探測結果與“三下”開采規范經驗公式計算結果基本一致。

3)孔內視電阻率法反演結果表明，采動應力超前影響距在工作面距孔口83.6 m時最大，為48.6 m，之后采動應力超前影響區域的電阻率值和范圍繼續變大，但高度不再增加。

4)該探測方法不僅為研究區煤層頂板“兩帶”高度確定提供了有效方法，而且對相似條件下煤礦開采覆巖破壞特征研究具有一定的參考價值。