吳榮新，曹建富

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

對(duì)于采用崩塌法采煤的煤層工作面，煤層開(kāi)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(kāi)采的煤層工作面，煤層開(kāi)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(kāi)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(kāi)采條件的煤層開(kāi)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(kāi)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3.1m。工作面走向長(zhǎng)1 860m，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+1 350～+1 404m，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。

圖1 工作面電法監(jiān)測(cè)平面示意圖

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(kāi)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(jiàn)圖1)。鉆孔方位與巷道的水平夾角均為 30°，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(jiàn)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(jiàn)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(kāi)始采集數(shù)據(jù)，鉆孔孔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(jiàn)表2)。鉆孔控制范圍內(nèi)平均采高3.05m。

表2 數(shù)據(jù)采集日期與工作面回采位置

3 多方法處理與解釋

3.1 單孔電極電流結(jié)果

電極電流值為AM法數(shù)據(jù)采集時(shí)直接得到的電性參數(shù)，但由于未受采動(dòng)影響的不同高度的電極電流值存在明顯差異，為突出采動(dòng)影響，取2月11日鉆孔電極電流值為背景電流值，將每天采集的電流值除以背景電流值可得到各電極電流比值。以鉆孔孔口為坐標(biāo)原點(diǎn)，以單鉆孔中各電極點(diǎn)高度(H)為縱軸，以工作面回采位置距鉆孔孔口距離(D)為橫軸，可得到鉆孔電極電流比值變化圖(見(jiàn)圖2a,b)。紅色箭頭位置為監(jiān)測(cè)日期工作面回采位置距鉆孔孔口距離。此圖可以清楚地反映各電極電流值隨采煤位置的逐步推進(jìn)，各電極接地電阻的變化情況。

1#孔如圖2a所示。2月11～23日，不同高度電極電流值相對(duì)穩(wěn)定，反映工作面采動(dòng)對(duì)1#孔電極影響不明顯。2月24日至3月2日，垂高0～45m部分電極電流比值明顯變化，反映該范圍已受工作面采動(dòng)影響；垂高45m以上電極電流比值無(wú)明顯變化，受工作面采動(dòng)影響不明顯。3月3日至3月8日，垂高6～61m電極電流比值均顯著降低，反映該范圍巖層已受工作面采動(dòng)影響，裂隙發(fā)育，電阻率值升高；垂高61m以上電極電流比值無(wú)明顯變化，受采煤工作面采動(dòng)影響不明顯。垂高0～6m的電極位于金屬套管內(nèi)，且在工作面階段煤柱上方，受采煤工作面采動(dòng)影響不明顯。

2#孔如圖2b所示。2月11～13日，工作面距鉆孔孔口97～107m，不同高度電極電流比值相對(duì)穩(wěn)定。2月14～26日，工作面距鉆孔孔口50～93m，垂高8～58m范圍部分電極電流比值有所降低，反映該范圍已受工作面采動(dòng)影響。2月28日至3月8日，采煤工作面距鉆孔孔口5～45m，垂高8～58m電極電流比值均顯著降低，反映該范圍巖層已受工作面采動(dòng)影響，裂隙發(fā)育，接地電阻值升高。

電極電流比值監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)變化圖可以清楚地顯示各電極電流比值隨采煤位置的逐步推進(jìn)的動(dòng)態(tài)變化情況，反映了電極周圍巖石受采動(dòng)影響變形與破壞情況。兩孔的電流比值變化范圍的高度基本一致，結(jié)合地質(zhì)資料，可以確定裂隙帶高度為61m，垮落帶高度15m。

a. 鉆孔1

b. 鉆孔2圖2 鉆孔電極電流比值變化圖

3.2 雙孔電極電流法成像解釋

由于1#孔、2#孔布置在同一垂面上，根據(jù)鉆孔內(nèi)各電極點(diǎn)的垂面坐標(biāo)及電極電流值或比值，利用克里格插值法，可得到兩鉆孔控制范圍電流或比值成像圖，可反映垂直剖面內(nèi)巖層受采動(dòng)影響的電性變化情況，解釋覆巖破壞帶。

3月8日的電流比值成像結(jié)果直觀地反映了采動(dòng)后垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶的范圍(見(jiàn)圖3)。 水平方向0～19m范圍為工作面階段煤柱范圍，近孔口處附近電極電流比值在0.9以上，反映孔口附近受采動(dòng)影響不明顯。垂高0～15m紅線圈定范圍為垮落帶范圍，電流比值小于1/3；垂高15～61m紅線范圍為裂隙帶范圍，電極電流比值小于1；垂高61m紅線以上范圍為彎曲下沉帶范圍，電極電流比值為1左右,巖層受采動(dòng)影響不明顯。

圖3 雙孔電極電流比值成像解釋

3.3 單孔高密度電阻率法

鉆孔高密度電阻率法是覆巖破壞監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)方法，對(duì)采集的AM法數(shù)據(jù)，按溫納三極裝置進(jìn)行高密度電阻率法反演，選取典型變化的電阻率成像結(jié)果如圖4所示。

1#鉆孔：從2月11日到3月8日，孔長(zhǎng)10～75m范圍(對(duì)應(yīng)垂高8.1～61.8m)視電阻率值明顯增大0%～40%，反映為裂隙帶發(fā)育特征；孔長(zhǎng)75～100 m范圍視電阻率值無(wú)明顯變化，反映為彎曲下沉帶特征；垮落帶未發(fā)育到1#鉆孔位置(見(jiàn)圖4a,b,c)。

2#鉆孔：從2月11日到3月8日，孔長(zhǎng)29～37m范圍(對(duì)應(yīng)垂高10.5～14.2m)視電阻率值(ρs)由30～50Ω·m增大到140Ω·m以上，達(dá)到原巖電阻率值3倍以上，為典型的垮落帶視電阻率值變化特征；孔長(zhǎng)37～97.5m范圍(對(duì)應(yīng)垂高14.2～61.0m)視電阻率值明顯增大，不同位置增大的幅度不同，為典型的裂隙帶視電阻率值變化特征(見(jiàn)圖4d,e,f)。

圖4 單孔高密度電法視電阻率成像圖

3.4 雙孔電阻率成像法

雙鉆孔電阻率成像法是直流電法常用的數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)采集的電壓及電流數(shù)據(jù)，輸入雙鉆孔各電極垂面內(nèi)坐標(biāo)，利用電法軟件進(jìn)行電阻率反演，得到鉆孔控制范圍電阻率成像結(jié)果，再置于地質(zhì)剖面圖上進(jìn)行解釋。選取2月11日采動(dòng)影響前和3月8日采動(dòng)影響后電阻率結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示。

由2月11日結(jié)果可見(jiàn)(見(jiàn)圖5a)：垂高25～53m范圍主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖地層，夾薄煤層，表現(xiàn)為相對(duì)較低的電阻率特征，電阻率值多為12～17Ω·m；其余范圍以細(xì)砂巖、粉砂巖和中砂巖為主，電阻率值多為16～18Ω·m，高于泥巖電阻率值。圖5a反映了未受采動(dòng)影響時(shí)的背景電阻率值。

由3月8日結(jié)果可見(jiàn)(見(jiàn)圖5b)：垂高15m以下紅線圈定范圍，電阻率值多為19～28Ω·m，比圖5a對(duì)應(yīng)部分電阻率值顯著升高，電阻率值較為均一，解釋為垮落帶范圍；垂高15～61m紅線間范圍，電阻率值為12～30Ω·m，電阻率值明顯升高，表現(xiàn)出不均一的變化特征，解釋為裂隙帶范圍；垂高61m以上范圍，電阻率值為16～18Ω·m，電性特征較均一，電阻率值略有升高，解釋為彎曲下沉帶范圍。

a. 2月11日 b. 3月8日?qǐng)D5 雙孔電阻率成像解釋

4 綜合分析

單鉆孔電極電流比值與回采位置關(guān)系圖清楚地反映了從采動(dòng)影響前到采動(dòng)影響后的動(dòng)態(tài)變化特征(見(jiàn)圖2)：垂高61m以上，2個(gè)鉆孔電極電流及電流比值均無(wú)明顯變化，反映出該范圍巖層電阻率無(wú)明顯變化，對(duì)應(yīng)于彎曲下沉帶特征。在垂高61m以下裂隙帶與垮落帶界線確定中，由于電極電流比值變化的幅度大，垮落帶與裂隙帶的電流比值無(wú)顯著區(qū)別，不能簡(jiǎn)單地從此圖上確定裂隙帶與垮落帶界線，需結(jié)合覆巖破壞的發(fā)育規(guī)律及地質(zhì)資料情況來(lái)分析，綜合確定垮落帶的高度為15m。

雙鉆孔電極電流及電流比值成像圖反映出了某個(gè)日期的垂直剖面上電性變化情況(見(jiàn)圖3)，由于該圖可以清楚地反映各電極點(diǎn)的空間位置與回采位置和巷道的關(guān)系，可以清楚地反映垮落帶和裂隙帶的發(fā)育位置：垮落帶高度為15m，為細(xì)砂巖和粉砂巖的界面位置；裂隙帶高度61m，為煤線與粉砂巖界面位置?？迓鋷Х秶姌O電流值及電流比值均很低，垮高/采高比3.92；裂隙帶范圍電極電流值及電流比值均有顯明降低，裂高/采高比19.0。此結(jié)果與文獻(xiàn)[21]313對(duì)該區(qū)域同一煤層采用井下鉆孔注水法得到的結(jié)果是一致的，與延安組4煤層采用井下鉆孔注水法、井-地聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)法測(cè)得的結(jié)果也是一致的。但由于雙鉆孔電極電流及電流比值成像圖是依據(jù)各電極點(diǎn)的數(shù)據(jù)插值計(jì)算而得，遠(yuǎn)離鉆孔位置結(jié)果可靠性明顯降低。

根據(jù)單鉆孔高密度電阻率法反演的結(jié)果表明(見(jiàn)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)。

表3 不同方法處理覆巖破壞解釋比較

采動(dòng)影響前后雙鉆孔電阻率反演成像結(jié)果對(duì)比(見(jiàn)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(jiàn)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(kāi)采工作。