楊茂林

(國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)生產(chǎn)管理部，陜西省榆林市，719315)

煤礦水害類(lèi)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(jiàn)的威脅礦井安全生產(chǎn)的水害之一，國(guó)內(nèi)對(duì)煤礦頂板水害常規(guī)的地球物理探測(cè)方法主要有直流電阻率電測(cè)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(cè)，而頂板水害事故往往是由于煤層開(kāi)采過(guò)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(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，常規(guī)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)工作面回采過(guò)程中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、評(píng)估和預(yù)警。要實(shí)現(xiàn)回采工作面水害的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，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(guó)內(nèi)對(duì)該方面的研究仍然很少?；夭晒ぷ髅嬉曤娮杪时O(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種集遠(yuǎn)程控制、偽隨機(jī)信號(hào)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(cè)系統(tǒng)，具備自動(dòng)實(shí)時(shí)處理、三維電阻率反演和動(dòng)態(tài)成像的功能，具有抗干擾能力強(qiáng)、自動(dòng)化、智能化程度高的特點(diǎn)[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(cè)系統(tǒng)對(duì)頂板水害進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、評(píng)估和預(yù)警。

1 工作面概況

上灣煤礦12401工作面為國(guó)內(nèi)外首個(gè)8.8 m一次采全高超大采高綜采工作面，推進(jìn)長(zhǎng)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(duì)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(shí)溝流量較大。由于溝內(nèi)上覆基巖較薄，受地表河流補(bǔ)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(guò)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(duì)工作面安全生產(chǎn)造成威脅。工作面開(kāi)采時(shí)預(yù)測(cè)正常涌水量126 m3/h，最大涌水量323 m3/h。

2 視電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

視電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種用于工作面頂板受采掘擾動(dòng)后導(dǎo)水通道變化過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它通過(guò)在工作面回風(fēng)巷、輔運(yùn)巷(底)板分別布置電極、人工激發(fā)電場(chǎng)，監(jiān)測(cè)分析煤層頂(底)板電阻率異常變化，來(lái)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(cè)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(cè)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(jiàn)圖1。

圖1 工作面頂板視電阻率監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)采用最小二乘法和小波分析技術(shù)對(duì)不同頻率的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，應(yīng)用擬高斯-牛頓法對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行全空間三維電阻率反演，軟件自動(dòng)對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行二維切片、三維等值面提取和立體成像等可視化操作，實(shí)現(xiàn)了井下隱蔽賦水區(qū)域變化過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.3 工作流程

以頂板視電阻率監(jiān)測(cè)為例來(lái)說(shuō)明回采工作面電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用流程：工作面頂板薄弱部位探查分析評(píng)估→分別在工作面回風(fēng)巷、輔運(yùn)巷頂板設(shè)計(jì)位置施工若干個(gè)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(cè)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(cè)參數(shù)→對(duì)煤層底板電阻率異常變化進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)監(jiān)測(cè)→監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、分析。

3 工作面頂板分段動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

工作面頂板視電阻率監(jiān)測(cè)電極布置在回風(fēng)巷和輔運(yùn)巷中，每條巷道各布設(shè)40個(gè)電極，間距38 m，控制范圍1482 m，1號(hào)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)從2018年8月21日開(kāi)始，2018年12月28日結(jié)束。考慮到監(jiān)測(cè)工作周期長(zhǎng)，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(diǎn)選取采集的過(guò)溝段背景電阻率和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2018年10-12月數(shù)據(jù))進(jìn)行分析。

3.1 背景電阻率

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

通過(guò)對(duì)11～40號(hào)電極控制的1140 m長(zhǎng)的區(qū)域采集的背景電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)結(jié)果)，從圖中可以看出11～35號(hào)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(hào)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(cè)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

(1)工作面回風(fēng)巷14～34號(hào)、輔運(yùn)巷13～33號(hào)電極監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2018年10月10-22日，對(duì)工作面回風(fēng)巷14～34號(hào)、輔運(yùn)巷13～33號(hào)電極控制的760 m長(zhǎng)的區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果。在該監(jiān)測(cè)時(shí)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(cè)結(jié)果分別與背景值和10月10日的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示，與背景電阻率相比，隨著工作面的推進(jìn)，14～18號(hào)和27～34號(hào)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(cè)結(jié)果相對(duì)10月10日監(jiān)測(cè)結(jié)果看，在本次監(jiān)測(cè)時(shí)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(hào)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(qiáng)井下工作面排水工作。

(2)工作面回風(fēng)巷16～36號(hào)、輔運(yùn)巷15～35號(hào)電極監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2018年10月23-26日，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作面回風(fēng)巷16～36號(hào)、輔運(yùn)巷15～35號(hào)電極控制的760 m長(zhǎng)的區(qū)域。監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果，在該監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)電阻率沒(méi)有明顯的變化。將10月26日監(jiān)測(cè)結(jié)果分別與背景值和10月23日的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7所示，與背景電阻率相比，隨著工作面的推進(jìn)，16～18號(hào)和26～36號(hào)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(cè)結(jié)果相對(duì)10月23日監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化情況顯示，在回風(fēng)巷一側(cè)20～22號(hào)電極和24～25號(hào)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(qiáng)井下工作面排水工作。

圖4 回風(fēng)巷14～34號(hào)、輔運(yùn)巷13～33號(hào)電極監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5 2018年10月10-22日電阻率相對(duì)變化

(3)工作面回風(fēng)巷18～38號(hào)、輔運(yùn)巷17～37號(hào)電極監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2018年10月26-31日，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作面回風(fēng)巷18～38號(hào)、輔運(yùn)巷17～37號(hào)電極控制的760 m長(zhǎng)的區(qū)域。監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果，在該監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)電阻率沒(méi)有較明顯的變化。將10月31日的監(jiān)測(cè)結(jié)果分別與背景值和10月30日的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9所示，與背景電阻率相比，隨著工作面推進(jìn)，18～22號(hào)和25～33號(hào)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(cè)結(jié)果相對(duì)10月30日監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化情況顯示，在回風(fēng)巷一側(cè)20～22號(hào)電極和26號(hào)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(qiáng)井下工作面排水工作。

圖6 回風(fēng)巷16～36號(hào)、輔運(yùn)巷15～35號(hào)電極監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖7 2018年10月23-26日電阻率相對(duì)變化

圖8 回風(fēng)巷18～38號(hào)、輔運(yùn)巷17～37號(hào)電極監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖9 2018年10月26-31日電阻率相對(duì)變化

(4)工作面回風(fēng)巷19～39號(hào)、輔運(yùn)巷18～38號(hào)電極監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2018年10月31日到11月28日期間，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作面回風(fēng)巷19～39號(hào)、輔運(yùn)巷18～38號(hào)電極控制的760 m長(zhǎng)的區(qū)域。監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果，在該監(jiān)測(cè)時(shí)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(cè)結(jié)果分別與背景值和11月15日的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖11所示，與背景電阻率相比，隨著工作面推進(jìn)，20～22號(hào)和28～33號(hào)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(cè)結(jié)果相對(duì)11月15日監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化情況顯示，在本次監(jiān)測(cè)時(shí)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(yùn)巷一側(cè)33～40號(hào)電極之間對(duì)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(hào)、輔運(yùn)巷18～38號(hào)電極監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖11 2018年10月31日到11月28日期間電阻率相對(duì)變化

(5)工作面回風(fēng)巷20～40號(hào)、輔運(yùn)巷19～39號(hào)電極監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2018年11月28日到12月11日期間，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作面回風(fēng)巷20～40號(hào)、輔運(yùn)巷19～39號(hào)電極控制的760 m長(zhǎng)的區(qū)域。監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果，在該監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，電阻率整體變化較小。將12月11日的監(jiān)測(cè)結(jié)果分別與背景值和12月2日的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖13所示，與背景電阻率相比，隨著工作面推進(jìn)，20～23號(hào)和26～33號(hào)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(cè)結(jié)果相對(duì)12月2日監(jiān)測(cè)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(hào)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(hào)、輔運(yùn)巷19～39號(hào)電極監(jiān)測(cè)結(jié)果

(6)工作面回風(fēng)巷20～40號(hào)、輔運(yùn)巷20～40號(hào)電極監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2018年12月11-28日，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作面回風(fēng)巷20～40號(hào)、輔運(yùn)巷20～40號(hào)電極控制的760 m長(zhǎng)的區(qū)域。監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果，在該監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，電阻率整體變化較小。將12月19日的監(jiān)測(cè)結(jié)果分別與背景值和12月17日的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖15所示，與背景電阻率相比，隨著工作面推進(jìn)，20～22號(hào)和27～32號(hào)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(cè)結(jié)果相對(duì)12月17日監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化情況顯示，在本次監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)沒(méi)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(duì)變化

圖14 回風(fēng)巷20～40號(hào)、輔運(yùn)巷20～40號(hào)電極監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖15 2018年12月11-28日電阻率相對(duì)變化

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

(1)地面水文孔驗(yàn)證。12401工作面中部石灰溝附近有R122水文孔，該孔主要觀測(cè)松散層及安定組含水層水位變化情況，已安裝水位自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)。工作面11月初回采至鉆孔附近時(shí)，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(guò)該鉆孔時(shí)，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(jì)相對(duì)下降2.03 m。地下水水位下降與11月15-23日視電阻監(jiān)測(cè)低阻異常區(qū)基本吻合，表明從地下水水位變化情況來(lái)看，11月15-23日監(jiān)測(cè)結(jié)果基本準(zhǔn)確。

(2)井下涌水量驗(yàn)證。12401工作面井下涌水量從2018年10月25日開(kāi)始逐漸呈增大趨勢(shì)，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(shì)及時(shí)間節(jié)點(diǎn)基本與10-12月監(jiān)測(cè)的視電阻監(jiān)測(cè)低阻異常區(qū)吻合，表明從井下涌水量變化情況來(lái)看，監(jiān)測(cè)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(yàn)證。12401工作面過(guò)溝開(kāi)采時(shí)施工了4個(gè)疏放水鉆孔，孔號(hào)分別為T(mén)2、T3、T13、T14，4個(gè)鉆孔全部有水，累計(jì)初始涌水量3 m3/h，累計(jì)疏放水量720 m3，疏放水鉆孔出水位置基本與視電阻監(jiān)測(cè)低阻異常區(qū)吻合，也表明監(jiān)測(cè)結(jié)果基本準(zhǔn)確。

4 頂板水害預(yù)警級(jí)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(cè)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(shí)，電場(chǎng)的空間分布也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。隨著工作面的推進(jìn)，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(huì)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(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)回采過(guò)程中電阻率的變化，實(shí)現(xiàn)頂板水害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分級(jí)預(yù)警。

根據(jù)12401工作面電阻率監(jiān)測(cè)實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)預(yù)警級(jí)別進(jìn)一步進(jìn)行了量化，具體見(jiàn)表2。

表1 工作面頂板水害預(yù)警級(jí)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(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)

按照水害預(yù)警級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)12401工作面頂板水害進(jìn)行評(píng)估，監(jiān)測(cè)過(guò)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(xiǎn)的預(yù)警級(jí)別為二級(jí)預(yù)警，水害風(fēng)險(xiǎn)一般，不會(huì)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(guò)對(duì)12401工作面頂板視電阻率分段動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)情況來(lái)看，在各監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)電阻率整體變化較小，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)間歇有低阻異常發(fā)育，但在持續(xù)監(jiān)測(cè)過(guò)程中低阻異常規(guī)模并未進(jìn)一步發(fā)展，表明工作面回采過(guò)程中發(fā)生水害事故的風(fēng)險(xiǎn)較小。該系統(tǒng)能較為準(zhǔn)確地確定工作面回采過(guò)程中是否導(dǎo)通含水層，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工作面水害發(fā)生的可能性，具有一定的可操作性。

(2)通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算得到電阻率，并與背景值對(duì)比對(duì)工作面頂板水害預(yù)警級(jí)別進(jìn)行了劃分，無(wú)低阻異常則不預(yù)警，存在低阻異常進(jìn)行初級(jí)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(jìn)行二級(jí)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(jìn)行三級(jí)預(yù)警；若有繼續(xù)發(fā)育的趨勢(shì)則進(jìn)行四級(jí)預(yù)警。

(3)利用視電阻率監(jiān)測(cè)為主要監(jiān)測(cè)手段，并輔助以地下水位、井下涌水量觀測(cè)對(duì)工作面水害進(jìn)行綜合預(yù)警，3種方法相結(jié)合可以進(jìn)一步提高水害監(jiān)測(cè)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。