本強(qiáng)民，劉 陽，齊興華，魏宏剛

（1.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000；2.長安大學(xué)，陜西 西安 710054；3.國投哈密能源開發(fā)有限責(zé)任公司，新疆 哈密 839000）

1 概述

煤礦水患對(duì)煤礦的安全開采造成了極大的困擾，并且隨著井內(nèi)工作區(qū)的掘進(jìn)深度的逐步遞增，水文地質(zhì)條件也愈加繁雜，含水層的水頭壓力也隨之增大，導(dǎo)致煤層的頂?shù)装逋话l(fā)水患事故的可能性也愈加增大。而導(dǎo)致這一事故發(fā)生的因素，主要為地質(zhì)因素和開采因素，包括地下含水層的分布、隨深度增加而變大的水壓力和煤層頂?shù)装逶馐艿狡茐模挥挟?dāng)三者同時(shí)存在并達(dá)到某種特殊結(jié)合時(shí)，才能發(fā)生突水事故[2-4]。前兩個(gè)因素都是不可抗拒的，故重點(diǎn)在于對(duì)煤層頂?shù)装宓钠茐囊蛩匮芯?。煤層的頂?shù)装灏l(fā)生水患事故的原因主要是煤層頂?shù)装宓膸r層遭到破壞，致使隔水層的厚度削減變薄從而產(chǎn)生裂隙，因此需要研究裂隙形成前后的地下水分布情況以及外界對(duì)煤層頂?shù)装鍘r層存在壓力的前提下，外部壓力下對(duì)地下水分布的影響，從而得到煤層頂?shù)装宓钠茐囊?guī)律，這一點(diǎn)需要通過視電阻率的分布特征來體現(xiàn)。

2 研究思路

本文通過設(shè)計(jì)的模擬試驗(yàn)來進(jìn)行研究，模擬在均勻介質(zhì)的砂中，在有無裂隙的情況下以及外界施以不同壓力的情況下來進(jìn)行探究視電阻率的分布特征，總結(jié)出煤層底板的破壞特征，具體包含兩個(gè)方案如下：

1）模擬裂隙試驗(yàn)：先測(cè)定背景場(chǎng)數(shù)據(jù)，而后在有裂隙時(shí)，選取三組不同的電極距來進(jìn)行試驗(yàn)并觀察記錄，通過結(jié)果來說明視電阻率在裂隙與極距二者共同影響下的規(guī)律。

2）模擬壓力試驗(yàn)：先是確定電極距離，而后累計(jì)放置重物在試驗(yàn)槽上面，觀測(cè)在外界不同壓力的變化下，視電阻率的排布特征。

本次模擬選取型號(hào)為DUK-2A 的高密度電法測(cè)量系統(tǒng)，其中包括多路電極轉(zhuǎn)換器以及多功能直流電法儀。并且試驗(yàn)將采用溫納裝置，即各相鄰電極AM、MN、NB 保持相同距離，該裝置具有抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[5]。通過兩個(gè)試驗(yàn)總結(jié)出在兩種情況下的視電阻率的規(guī)律特征，而后根據(jù)實(shí)際煤礦已完成的項(xiàng)目資料為參考，研究此種方法在實(shí)際工作中的應(yīng)用，并通過試驗(yàn)掌握反演分析的過程和資料的解釋方法。

3 模擬試驗(yàn)

3.1 模擬試驗(yàn)方案

3.1.1 模擬裂隙試驗(yàn)（如圖1 所示）

圖1 試驗(yàn)儀器連接圖

（1）將事先備齊好的各向同性介質(zhì)砂子均勻浸濕，鋪入槽子中，并充分壓實(shí)鋪平。

（2）將儀器的電纜口與銅電極連接起來。

（3）初次電極布設(shè)先按照5cm 的極距均勻的插進(jìn)試驗(yàn)砂槽中。

（4）將儀器連接到位，而后在系統(tǒng)主機(jī)上進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，且按照提示進(jìn)行系統(tǒng)操作。

（5）操作完成后儀器便開始自動(dòng)運(yùn)行，進(jìn)行電極之間轉(zhuǎn)換與測(cè)量工作，為了數(shù)據(jù)的精確度，盡量減小誤差，每次操作應(yīng)最少重復(fù)觀測(cè)三次并記錄斷面號(hào)。（此次數(shù)據(jù)作為參考，方便與其他情況的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析）。

（6）隨后將硬紙板垂直插入試驗(yàn)槽中來模擬裂隙，需記錄下裂隙的所在位置，從右側(cè)往左側(cè)方向，依次記錄三個(gè)裂隙位置，距離右側(cè)分別為13cm、26cm、48cm。

（7）采用三種不同的電極距離，分別是5cm、7cm、10cm，需注意不同的極距相對(duì)應(yīng)不同的參數(shù)數(shù)值（見表1）。分別選取三個(gè)不同的極距，依次進(jìn)行操作，每次還是需要重復(fù)操作并觀測(cè)三次，提高試驗(yàn)精確度并減小誤差。

表1 儀器參數(shù)設(shè)置

3.1.2 模擬均勻介質(zhì)砂中壓力與視電阻率的關(guān)系試驗(yàn)（如圖2 所示）

圖2 試驗(yàn)二儀器連接圖

（1）與第一個(gè)試驗(yàn)條件相同，電極距選擇5cm，并連接儀器。

（2）在試驗(yàn)槽上方，將事先準(zhǔn)備好的木板蓋入并確保水平狀態(tài)。

（3）重物依次累加，每放置一次即相同壓力下，便進(jìn)行觀測(cè)兩次并記錄數(shù)據(jù)（參數(shù)見表2）。

表2 重量累計(jì)表

3.2 模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料反演解釋

3.2.1 背景場(chǎng)分析

本次試驗(yàn)的背景場(chǎng)選取的是在試驗(yàn)砂槽中沒有插入硬紙板來模擬裂隙以及沒有外部對(duì)試驗(yàn)砂槽施加壓力的狀態(tài)下，試驗(yàn)砂槽內(nèi)部的視電阻率的分布特征。實(shí)際操作如下：

（1）因?yàn)槭腔谂c其他情況作為參考對(duì)比的角度，所以選用了最小的電極距5cm，可以更加細(xì)致的反映背景場(chǎng)的特征。

（2）將事先均勻浸透的介質(zhì)砂子鋪入試驗(yàn)槽中，并將儀器各部分連接好。

（3）將裝置的類別選擇為溫納裝置并設(shè)置好參數(shù)。

（4）儀器連接無誤后便按下測(cè)量鍵，得出在試驗(yàn)槽中沒有插入硬紙板以及沒有外部對(duì)試驗(yàn)砂槽施加壓力的狀態(tài)下的視電阻率。

經(jīng)過Surfer 軟件對(duì)所測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行反演工作得出如圖3 所示，可以分析得出，視電阻率的整體分布較為穩(wěn)定，其中上部的起伏不平是因?yàn)槿斯簩?shí)操作時(shí)砂子的疏密程度不一導(dǎo)致；而下部呈現(xiàn)出的起伏狀態(tài)是由于弄濕砂子時(shí)，干濕狀況不一，以至于部分砂子的孔隙較大，含水量分布不均，以及篩選砂子時(shí)不夠細(xì)致，但整體分布水平較為均勻，所以以此作為背景場(chǎng)，來對(duì)模擬試驗(yàn)的解譯分析提供幫助。

圖3 5cm 電極距surfer 圖（正常）

3.2.2 模擬裂隙試驗(yàn)分析

圖4 依次分別對(duì)應(yīng)電極距離為5cm、7cm、10cm，且都是在試驗(yàn)槽中插入了硬紙板來模擬裂隙，且正常大氣壓之下所測(cè)得的。

圖4 三種電極距的surfer 圖（裂隙）

其中圖3 經(jīng)過背景場(chǎng)分析，由于不存在模擬裂隙，視電阻率整體上基本呈現(xiàn)較為穩(wěn)定狀態(tài)，但是砂槽分布不均，水分分布不均，導(dǎo)致視電阻率有所不平，而下部的數(shù)值明顯增大，主要是因?yàn)樯白咏癫粍蛞约昂Y選砂子時(shí)不夠細(xì)致。

圖4 依次都是在插入硬紙板模擬裂隙的情況下，且都在正常大氣壓之下，只是選用的電極距離不同，而這三種情況下的反演圖都可以反映出存在模擬裂隙，隨著電極距離的增大，由硬紙板模擬的裂隙所造成的高阻區(qū)域也不斷向兩側(cè)擴(kuò)張，即圖中的黃色部分。當(dāng)電極距離為10cm 時(shí)，中部的高阻區(qū)域和左側(cè)的高阻區(qū)域已經(jīng)連在了一起，相較于選用5cm 的電極距離并插入硬紙板來模擬裂隙的情況下的反演圖而言，后兩幅已經(jīng)不能清晰準(zhǔn)確的顯示出模擬裂隙的位置。

通過模擬裂隙試驗(yàn)的分析得出，當(dāng)電極距離選擇5cm 時(shí)，可以明顯看出由于插入硬紙板模擬裂隙后造成的高阻區(qū)域和低阻區(qū)域的分布狀況。再結(jié)合選用電極距離為5cm 時(shí)的圖3，無模擬裂隙且正常大氣壓下的圖（即背景場(chǎng)），便可以大致的來定位出硬紙板模擬的裂隙的位置。

3.2.3 模擬均勻介質(zhì)砂中壓力與視電阻率的關(guān)系試驗(yàn)分析

在試驗(yàn)砂槽中按照5cm 電極距離進(jìn)行排布，而后連接儀器，將事先準(zhǔn)備好的木板蓋入試驗(yàn)砂槽上部。

將事先分成三份的重物先加入第一份重物放在固定位置，放置穩(wěn)定后停留兩到三分鐘，目的是等待試驗(yàn)槽中的砂子下沉至穩(wěn)定狀態(tài)，如法炮制，依次將剩余兩份重物在固定位置累加。每加一次重物后，等待到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后便進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)兩次并記錄重物的重量。

操作好后，將所測(cè)得的數(shù)據(jù)傳輸并進(jìn)行處理后，運(yùn)用Surfer 軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)反演。如圖5 所示，其中橫軸坐標(biāo)上的數(shù)字表示電極距離，縱軸坐標(biāo)表示深度。

圖5 三次壓力下的反演圖

從圖5 的三幅數(shù)據(jù)反演圖上依次單獨(dú)來看，上半部的低值顏色面積都大于下半部分，其中下部有幾塊的顏色明顯加深，從對(duì)比條上的顏色可以分析得出，視電阻率的數(shù)值較大，主要是浸濕砂子不均勻、上部砂子對(duì)下部的壓力、外界對(duì)試驗(yàn)砂槽的施壓不斷增大等因素造成的；而圖上部即對(duì)應(yīng)試驗(yàn)砂槽表層位置起伏不平，主要是因?yàn)楸韺訅簩?shí)情況不一受力不均勻?qū)е碌摹?/p>

將三幅反演圖之間相互對(duì)比，不難看出隨著外部對(duì)試驗(yàn)砂槽的施壓不斷增大，整體的視電阻率數(shù)值逐漸減小。

3.3 模擬試驗(yàn)結(jié)論

本次模擬試驗(yàn)是關(guān)于在裂隙存在時(shí)以及在均勻介質(zhì)砂中累計(jì)壓力變化時(shí)，探討二者與視電阻率的關(guān)系的試驗(yàn)。研究結(jié)果：

1）模擬裂隙試驗(yàn)：在裂隙存在與否兩種情況下，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演后的圖來進(jìn)行比較分析，當(dāng)選用最小的5cm 電極距離時(shí)，明顯可以看出插入硬紙板模擬裂隙后造成的高阻區(qū)域和低阻區(qū)域的分布狀況，再結(jié)合背景場(chǎng)，便可以大致的來定位出硬紙板模擬的裂隙的位置，但是需要注意的是選用較小的電極距離時(shí)，得出的分析結(jié)果雖然詳細(xì)，但易受外界的干擾，所以在礦井工作區(qū)內(nèi)來完成探測(cè)工作時(shí)，要考慮到實(shí)際因素，選用適宜的電極距離，不能一味地選較小電極距離，在進(jìn)行反演后既要突顯出阻值異常區(qū)域，又要盡可能地減小干擾。

2）均勻介質(zhì)砂中模擬壓力與視電阻率的關(guān)系試驗(yàn)：通過外部的逐次施加壓力，并且達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，只要變更一次累計(jì)壓力數(shù)值便要進(jìn)行兩次重復(fù)測(cè)量并記錄，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、處理、反演，最終得到在外界對(duì)試驗(yàn)砂槽不斷累加施壓下的視電阻率的數(shù)據(jù)反演圖，經(jīng)過分析得出在一定范圍的壓力下，視電阻率的數(shù)值隨著壓力的增大而減小，主要是由于試驗(yàn)砂槽中的砂被壓實(shí)壓密后，砂礫間的孔隙度變小，水分子匯集所致。

試驗(yàn)所模擬的是工作區(qū)煤層在開采前后，原先的應(yīng)力平衡被破壞，導(dǎo)致受力不均，一直到應(yīng)力平衡恢復(fù)的這一過程之中，底板的巖層遭到破壞后產(chǎn)生的裂隙并伴有礦山壓力后的變化狀態(tài)。所以本次試驗(yàn)雖然是通過對(duì)煤層底板的破壞規(guī)律的研究，但日后便可以為解決煤層頂?shù)装宓挠克畣栴}都可以提供可靠的分析解釋的途徑以及提供切實(shí)可行的依據(jù)。

4 結(jié)論

文章通過在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用電法勘探方法中的高密度電法進(jìn)行試驗(yàn)，并選取模擬試驗(yàn)的形式總結(jié)出煤層頂?shù)装宓钠茐囊?guī)律，當(dāng)井田內(nèi)煤層開采掘進(jìn)時(shí)，致使原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，在這種平衡的恢復(fù)過程中，便會(huì)造成煤層頂?shù)装逶馐芷茐?，從而產(chǎn)生存在裂隙以及在不斷掘進(jìn)過程中周期來壓現(xiàn)象，通過模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)的反演圖可以看出，這些情況會(huì)造成視電阻率的分布有明顯的阻值的異常變化，譬如存在的裂隙帶或溶洞等孔隙被水所充填的時(shí)候會(huì)使得視電阻率數(shù)值較低，以及當(dāng)煤層頂?shù)装宓哪骋徊糠謳r層視電阻率較低時(shí)，可以表明該部分的壓力大且較為集中，反之則說明壓力小且較為分散。