采煤面覆岩破坏视电阻率动态变化分析

郑雷雷，桂 昊

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南232001)

1 引言

煤层开采后顶板覆岩在采动影响下发生变形与破坏，产生裂隙、垮落等不规则冒落，使采场周围围岩的应力场发生改变，从而产生弯曲下沉带、导水裂隙带、垮落带[1，2]。研究覆岩发育规律与特征是煤矿安全生产非常重视的问题，准确确定煤层开采后覆岩破坏的高度及其发育特征对煤矿水害防治、瓦斯抽采及提高煤层开采上限提供了重要的指导意义[3]。目前，关于覆岩破坏高度的探测主要以实测为主，例如地面钻孔法、井下钻孔注水测试法、地球物理探测方法等，数值模拟及钻孔电视可验证其探测结果的可靠性[4]。相比较于其他方法，地球物理方法具有可靠性强、成本低、准确性高等特点，利用该方法获取地下真实的物性参数，其结果可直观、可靠为防治井下灾害服务[5，6]。

已有文献对顶板覆岩变形与破坏的研究有很多，并且都具有一定的研究成果[7]。张平松等通过改进单孔测试方法，采用孔巷电阻率法对覆岩破坏过程进行动态测试，根据覆岩破坏时岩层电阻率值的动态变化分析其内部结构变化特征，获得覆岩变形与破坏的发育规律，以及“垮落带、导水断裂带”发育高度值[8]。李俊庭等通过经验公式和数值模拟2种方式，对工作面采空区顶板垂直“三带”高度进行综合分析研究，发现采用经验公式计算得出的“三带”高度与数值模拟有较高的似合度，验证了经验公式的可靠性[9]。徐磊等利用网络并行电法对工作面顶板“三带”演化过程进行动态监测分析，获得了顶板上覆岩层变形与破坏发育规律[10]。

本文通过布置地电场观测系统，采用电阻率法对内蒙古某矿3－1煤层首采工作面开采过程中顶板覆岩变形与破坏发育特征进行动态观测研究，并判断顶板导水裂隙带和垮落带高度。采用电阻率法测试技术对煤层顶板岩体视电阻率变化进行连续动态观测，获取的数据信息量大、速度快、探测深度灵活，应用效果明显，可为以后进行覆岩的变形与破坏研究做一些有益的建议。

2 覆岩破坏电法探测基本原理

电法探测是通过在煤层顶板中施工电极装置孔，通过埋设不同电极距的电极后对周围岩体的电性参数进行采集与处理，根据煤层开采过程中顶板不同岩层之间的导电性、介电性变化分析覆岩的变形与破坏，这是电法探测覆岩破坏的地质基础。导水裂隙带和垮落带发育是一定高度的岩层电阻率的变化，采用电阻率法探测时，可以实时观测岩层电阻率在横向和纵向上的变化，从时空规律的基础上直观地分析岩层的破坏过程和发育特征[11，12]。

一般来说，不同岩性岩体的电阻率值是有一定差别的，同一岩层在不同的高度，由于地下复杂的沉积环境，使得电阻率值也是不一样的。对于顶板覆岩的岩体，通常黏土岩、页岩、泥岩等岩体的电阻率值较低，一般在数十欧姆米；煤层及砂岩的电阻率值较高，电阻率值在数十至数千欧姆米，这些参数是判断覆岩破坏的基础。受采动影响，岩体的电阻率值会发生周期性变大或变小，覆岩岩体在应力的作用下逐渐出现变形、离层、裂隙发育等现象。随着工作面的推进，顶板周期来压期间，上覆岩层在周围围岩应力和自身重力作用下发生变形破坏，离层裂隙发育，电阻率值表现为升高；在顶板周期来压后，发生垮落，应力释放，离层裂隙闭合，电阻率值有所降低；随着采动应力的影响，离层或裂隙继续发育，直至形成裂隙带和垮落带[13～15]。

3 工程实例

3.1 工程概况

门克庆井田属于东胜煤田呼吉尔特矿区，位于鄂尔多斯高原东北部，陕北黄土高原的北缘，毛乌素沙地的东北边缘地带。地形总体趋势是东北高、西南低，在此基础上又表现为北高南低，海拔一般1000～1600 m，区内地形起伏不平。3－1煤层所在工作面为矿区首采工作面，回采煤层为3－1煤，煤厚3.83～5.45 m，平均4.92 m。煤层倾角1～4°，平均2°。该工作面顶板为中硬型顶板，工作面推进长度4548 m，工作面长260.4 m。

3.2 现场施工方案设计

根据现场施工条件和巷道实际情况，将钻孔位置置于工作面辅助运输巷Y12点附近钻场，煤层开采前布置观测系统。本次监测共设计2个观测孔，钻孔布置如图1所示。

1＃钻孔斜长160 m，控制垂高113 m，钻孔倾角45°，与辅助运输巷夹角0°；2＃钻孔斜长95 m，控制垂高24 m，钻孔倾角15°，与辅助运输巷夹角45°。钻孔技术参数见表1。其中1＃钻孔的作用是控制导水裂隙带高度，在工作面回采过程中1＃钻孔将会优先受到扰动影响，表现出相应的电流及电阻率变化特征。随工作面地不断推进，2＃钻孔也将受到超前应力影响以及采后顶板岩体结构与受力变化而导致的电性参数的变化特征规律。

图1 钻孔平面布置

表1 钻孔技术参数

图2 2018年4月15日1＃和2＃孔视电阻率背景值结果

3.3 探测结果分析

3.3.1 背景值分析

在采煤面覆岩破坏高度探测过程中，背景值的采集通常是在钻孔水平控制范围外，此时的背景场电阻率一般无明显变化，即未受采动影响岩层电阻率分布。图2为1＃孔和2＃孔测试电阻率成像结果剖面，因测试时回采工作面距监测范围较远，离孔口位置300 m以上，电阻率值总体较低。1＃孔电阻率值分布在0～450Ω·m左右，电阻率分布主要集中在50～300Ω·m，局部小区域为300～450Ω·m；2＃孔电阻率值分布在20～150Ω·m，且电阻率集中分布在40～100Ω·m，分析认为局部岩层电阻率的高低变化反映出岩性变化或岩体完整性的不同，可视为正常岩层电性特征反映。

3.3.2 视电阻率分析

(1)1＃孔视电阻率分析。从图3(a)的视电阻率图分析可知，2018年6月19日工作面回采位置距离孔口－109.3 m时，顶板岩层已受到采动应力影响，在水平方向－110～－90 m和高度60～100 m的范围内电阻率升高，反映裂隙带已经开始发育；图3(b)反映在2018年6月28日回采位置距离孔口－38.2 m处时，水平方向－110～－80 m和高度60～100 m范围内电阻率进一步升高，由于回采位置已经入钻孔水平控制范围内，但其主要控制范围在导水裂隙带外，因此电阻率变化缓慢；图3(c)和(d)中在水平方向－110～－80 m和高度50～100 m范围内电阻率显著升高，其中在垂高106 m处出现电阻率特征分界面，其上下岩层视电阻率出现较大的差异，分析认为在垂高50～106 m范围内裂隙普遍发育，其余范围受采动影响为采动应力影响区。

(2)2＃孔视电阻率分析。图4中水平方向－89～－50 m为工作面内煤层部分，－50～0 m为保护煤柱部分。从图4(a)的视电阻率结果图中可以看出，在距离孔口位置－118.3 m时，回采位置未进入钻孔水平控制范围内，电阻率基本未变化；图4(b)反映受超前应力影响，工作面内煤层顶板部分范围电阻率值已升高，沿岩层界面等范围裂隙有所发育，超前影响范围距离工作面约60 m；图4(c)中电阻率变化异常明显，煤层工作面已进入钻孔控制范围，反映顶板岩层已开始垮落，导致电极传感器与周围围岩耦合性变差，导致电流变小，电阻率值升高；而钻孔后半段的电阻率值并无明显的变化，分析是由于钻孔后半段处于保护煤柱中，煤层开挖对其影响较小；图4(d)电阻率值继续升高，在垂高0～21 m范围内垮落带已充分发育。

图3 1＃孔视电阻率结果

图4 2＃孔视电阻率结果

3.3.3 覆岩“两带”分析

根据视电阻率动态分析结果，可对采煤面覆岩破坏发育过程及导水裂隙带和垮落带高度进行有效判断。2018年6月19日，工作面推进接近1＃钻孔顶端位置，裂缝带开始发育，裂缝高度范围为50～106 m，该范围视电阻率值显著升高；从3＃孔可探查出采动超前影响区范围约为60 m，局部范围视电阻率值有所升高。2018年6月28日和29日，1＃孔和2＃孔都进入钻孔的控制范围内，视电阻率都有一定的升高，其中1＃孔在垂高50～106 m范围内电阻率明显升高，裂隙持续发育，2＃孔在垂高0～20 m范围内电阻率显著升高，垮落带开始发育。2018年7月13日，工作面推进过孔口48.6 m时，1＃孔出现明显的上下电阻率值特征分界面；2018年7月14日，2＃孔控制范围垮落带已充分发育，高度范围主要为0～21 m，反映垮落带的高度为21 m，为细粒砂岩和中粒砂岩界面位置。2018年7月17日，1＃孔电阻率值变化基本稳定，裂缝高度范围为50～106 m，该范围内电阻率值显著升高，为典型的裂缝带电阻率值特征，反映工作面边缘部分导水裂缝带的高度为106 m，为砂质泥岩与泥岩界面位置。

4 结论

(1)该测试工作面煤层开采顶板覆岩视电阻率响应特征表明：其工作面采动应力超前作用范围为60 m，垮落带高度为21 m，导水裂隙带高度为106 m。

(2)采用电阻率法对煤层上覆岩体进行监测，其电阻率变化明显，分辨率高，可以较为清晰地判断出岩层结构破坏及裂隙发育，能较为准确地划定覆岩垮落带和裂隙带的范围。

(3)利用井下钻孔布置电法观测系统，可以有效地观测到煤层开采后顶板覆岩变形与破坏的发育特征，为矿井的安全开采提供保障。