电阻率法在覆岩破坏测试中的应用

摘 要：研究煤层上覆岩层在采动过程中的破坏特征是保证矿井安全开采的关键环节，确定岩体的破坏高度对开采工艺的选择、安全煤柱的留设以及水害防治等具有重要意义。采用电阻率法监测某工作面煤层开采前、后的动态变化，划分出岩体的破坏带，为后续煤层的开采提供参考依据。

关键词：覆岩；电阻率；动态监测；破坏带

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.081

矿井煤层在开采过程中，由于原岩体应力场发生了告便，造成上覆岩层逐渐失稳形成弯曲下沉带、导水裂缝带和垮落带。随着矿井开采深度的不断加大，开发力度不断加强，高覆盖层、大应力场的研究对矿井安全开采极为重要。本文在介绍几种常见覆岩破坏的监测技术的基础之上，采用电阻率测试某矿井上覆岩层在开采前后的动态响应，为煤层顶板“三带”的划分借鉴作用。

1 覆岩破坏测试方法

（1）数值模拟和物理模型法。模拟法包括数值模拟和相似材料的物理模型模拟，是最为常见的两种研究煤层顶板破坏规律的技术手段。数值模拟法以其具有模型构建简单，参数设置方便等优势，在覆岩破坏中不可或缺的技术手段，不过矿井地质条件复杂多变，往往假设的模型与实际情况存在较大的出入，实际应用中应加以重视。物理模型模拟是基于相似原理的理论之上[1]，通过在室内构建矿井地质环境、煤层厚度、矿井压力以及开采工艺等参数，研究岩层在开采过程的变形特征。同样该方法也存在与实际矿井环境存在出入的问题[2]。

（2）地球物理法。地球物理方法是依据岩土体之间物理性质的差异为研究对象，利用仪器测定覆岩的变化特征，进而判断出岩体的破坏高度。地球物理法在实际应用过程中，具有快速、准确和经济等优势，在工程应用中发挥很大的优势。目前，应用于覆岩破坏的物探手段主要有浅层地震法，电阻率法，瞬变电磁法，声波测井等。但是物探方法属于间接手段，每种方法都有特定的使用条件，因此应用過程中应注意合理选择。

（3）冒落钻孔探测法。钻孔法是一种最直接的探测方法，可直接揭露出破坏区的岩体特征，但是，所得到的数据只能反映钻孔通过时的覆岩裂隙发育情况，不能得到其动态过程，并且只是一孔之见，难以全面放映出岩体的破坏特征[3]。

2 工程应用

（1）工程概况。某矿区为巨厚新生界松散层覆盖条件下的全隐蔽式井田，根据井田钻探资料，井田内地层从新到老依次为第四系、第三系、二叠系、石炭系和奥陶系等。由于井田面积较大，所处地质条件差异性大，不同采区和工作面采后覆岩破坏高度变化大，为保证安全开采对采取工作面开展覆岩破坏高度探测是必要的。

工作面推进中岩层的电性在纵向和横向上发生的变化，代表了覆岩破坏和裂隙发育特征。因此，通过测取覆岩不同高度处岩层电阻率变化来分析其变形与破坏规律，这是电法监测覆岩破坏的地质基础。导水裂隙带发育仅为一定高度以下岩层电阻率所发生的变化，每次测试时以采动未影响到的岩层电阻率分布作为基础，通过动态测试可以从时空规律上直观分析岩层的破坏过程和规律[4]。

（2）探测布置及分析。为了研究岩体“三带”的破坏高度，采用电阻率法动态监测开采前后上覆岩层的变化规律。现场首先在工作面回风顺槽布置2个钻孔，每个钻孔布置一定的电极，根据孔中埋设电极所测电阻率的变化探测覆岩破坏特征，钻孔如图1所示。在工作面开采前，采用探测仪器采集一组电阻率数据作为背景值，如图2（a），背景值作为后续岩体破坏特征的参比。在工作面开采过程中，实施连续监测工作，进一步评价探测煤层开采后覆岩破坏“垮落带”、“导水裂缝带”的高度及覆岩破坏的形态变化特征。

数据处理时，先以煤层顶板为坐标0点，向上为正，向工作面切眼方向为横坐标正向。所有电阻率结果图像均采用统一图标，蓝绿色（冷色调）为较低电阻率值区，红色调为较高电阻率值区。工作面距孔口距离16.1～3.9m见图2（b）。采空区电阻率值显著升高到400Ωm以上，电阻率值呈现明显的分带现象，垂高10m以下，电阻率值最高，普遍达400～500Ωm以上；垂高10～43m，电阻率值高低不均达300～500Ωm，为裂缝带发育不均匀的反映；垂高43m以上，电阻率值多为100～200Ωm，分布相对均匀，电阻率值相对较低，为弯曲下沉带的范围。“三带”发育情况： 垮落带高度为11m；导水裂缝带高度为43m。

3 结论

本文在介绍覆岩破坏测试方法的基础之上，采用电阻率法对煤层上覆岩体进行监测，监测成果为矿井的安全开采提供保障。

参考文献：

[1]李向阳，李俊平，周创兵等.采空场覆岩变形数值模拟与相似模拟比较研究[J].岩土力学，2005，26（12）：1907-1912.

[2]刘向红，刘盛东，胡彩春.原位探测技术在覆岩破坏监测中的应用[J].煤炭科技，2009（01）：44-46.

[3]吴荣新，张卫，张平松.并行电法监测工作面“垮落带”岩层动态变化[J].煤炭学报，2012，37（04）：571-577.

[4]高召宁，郑志伟，应治中.电法测试技术在覆岩破坏监测中应用[J].中国煤炭，2015（03）：36-39.

作者简介：赵红宇（1989-），男，安徽宿州人，本科，助理工程师，主要从事煤田地质勘察工作。