8.8 m超大采高综采工作面顶板水害动态监测技术研究

杨茂林

(国家能源集团神东煤炭集团生产管理部，陕西省榆林市，719315)

煤矿水害类型按充水水源可以分为地表水、顶板水、老空水、底板水，按导水通道可以分为断裂构造水、陷落柱水、钻孔水等[1]。煤矿顶板水害是一种常见的威胁矿井安全生产的水害之一，国内对煤矿顶板水害常规的地球物理探测方法主要有直流电阻率电测深、瞬变电磁、音频电穿透等方法[2-4]，几种常规方法都是静态的探测，而顶板水害事故往往是由于煤层开采过程中顶板岩层破断形成的裂隙带导通上覆含水层或地表水所致，顶板裂隙带导水通道发育是一个动态的过程，常规方法无法实现工作面回采过程中实时动态监测、评估和预警。要实现回采工作面水害的动态监测，需要精准掌握煤层采空后导水通道的位置及发育情况[5-8]，目前国内对该方面的研究仍然很少。回采工作面视电阻率监测系统是一种集远程控制、伪随机信号发射、全波形数据采集及兼容多种数据采集方式为一体的电法监测系统，具备自动实时处理、三维电阻率反演和动态成像的功能，具有抗干扰能力强、自动化、智能化程度高的特点[9]。笔者以上湾煤矿8.8 m一次采全高超大采高工作面顶板水害为研究背景，采用视电阻率监测系统对顶板水害进行动态监测、评估和预警。

1 工作面概况

上湾煤矿12401工作面为国内外首个8.8 m一次采全高超大采高综采工作面，推进长度5286 m，宽度299 m。地面标高+1188～+1300 m，煤层底板标高+1043～+1066 m，煤层平均厚度9.26 m。工作面上覆松散层厚度0～22 m，基岩厚度120～220 m。工作面中部1500 m范围内对应地表为石灰沟，该沟常年流水，正常沟流量60 m3/h，雨季时沟流量较大。由于沟内上覆基岩较薄，受地表河流补给，上覆松散孔隙水含水层、基岩裂隙水含水层富水性中等。工作面回采过程中导水裂隙带可能导通上覆含水层，导致含水层水涌入工作面，对工作面安全生产造成威胁。工作面开采时预测正常涌水量126 m3/h，最大涌水量323 m3/h。

2 视电阻率监测系统

2.1 系统简介

视电阻率监测系统是一种用于工作面顶板受采掘扰动后导水通道变化过程的动态监测系统。它通过在工作面回风巷、辅运巷(底)板分别布置电极、人工激发电场，监测分析煤层顶(底)板电阻率异常变化，来确定顶(底)板破坏情况以及裂隙带是否与含水层沟通[9-10]。一套完整的视电阻率监测系统由数据采集和处理系统组成，其中包括监测分站、线缆、电极、地面工作站及采集和处理软件等。系统结构示意图见图1。

图1 工作面顶板视电阻率监测系统结构示意

2.2 工作原理

回采工作面视电阻率监测系统采用最小二乘法和小波分析技术对不同频率的电压信号进行数据预处理，应用拟高斯-牛顿法对预处理后的数据进行全空间三维电阻率反演，软件自动对反演结果进行二维切片、三维等值面提取和立体成像等可视化操作，实现了井下隐蔽赋水区域变化过程的实时动态监测。

2.3 工作流程

以顶板视电阻率监测为例来说明回采工作面电阻率监测系统使用流程：工作面顶板薄弱部位探查分析评估→分别在工作面回风巷、辅运巷顶板设计位置施工若干个钻孔→在钻孔内埋设电极(或利用顶板锚杆)→连接至电极控制器→连接综合电缆→连接监测分站→连接通信主站→连接地面服务器→系统调试→设置监测参数→对煤层底板电阻率异常变化进行自动循环监测→监测数据实时处理、分析。

3 工作面顶板分段动态监测

工作面顶板视电阻率监测电极布置在回风巷和辅运巷中，每条巷道各布设40个电极，间距38 m，控制范围1482 m，1号电极布置在距工作面切眼1082 m处，具体布置如图2所示。12401工作面顶板水害视电阻率动态监测从2018年8月21日开始，2018年12月28日结束。考虑到监测工作周期长，且工作面存在的水害隐患主要为地表石灰沟，因此本次重点选取采集的过沟段背景电阻率和动态监测数据(2018年10-12月数据)进行分析。

3.1 背景电阻率

2018年8月18日，对12401工作面回风巷和辅运巷布置的1～30号电极控制的区域进行了背景电阻率采集；2018年9月6-13日，将回风巷监测电极布置在底板后，又对回风巷和辅运巷布置的11～40号电极控制的区域进行了背景电阻率数据采集。

通过对11～40号电极控制的1140 m长的区域采集的背景电阻率数据进行三维电阻率反演，结果如图3所示(2018年9月6日监测结果)，从图中可以看出11～35号电极控制范围内工作面顶板整体呈高阻，顶板富水性较弱；36～40号电极控制范围内工作面顶板存在较明显低阻区域。

图2 监测工程电极布置

图3 背景电阻率顶板向上30 m深度切片结果

3.2 分段动态监测

(1)工作面回风巷14～34号、辅运巷13～33号电极监测结果。

2018年10月10-22日，对工作面回风巷14～34号、辅运巷13～33号电极控制的760 m长的区域进行动态监测，监测结果如图4所示，分别选择展示了10月10日、10月14日、10月19日、10月22日4组监测结果。在该监测时段内，电阻率自10月19日起有较明显的变化。将10月22日的监测结果分别与背景值和10月10日的结果进行对比分析，如图5所示，与背景电阻率相比，随着工作面的推进，14～18号和27～34号电极控制范围内的电阻率整体有明显降低，电阻率值降低范围为20～80 Ω·m。从10月22日电阻率监测结果相对10月10日监测结果看，在本次监测时段内发育两处电阻率降低的区域，降低范围为10～30 Ω·m，其中位于回风巷一侧19～25号电极之间的一处电阻率降低区域展布形态与地表石灰沟的走向基本吻合，表明该区域采空后可能已导通地表水，需加强井下工作面排水工作。

(2)工作面回风巷16～36号、辅运巷15～35号电极监测结果。

2018年10月23-26日，动态监测工作面回风巷16～36号、辅运巷15～35号电极控制的760 m长的区域。监测结果如图6所示，分别展示了10月23日、10月26日2组监测结果，在该监测时段内电阻率没有明显的变化。将10月26日监测结果分别与背景值和10月23日的结果进行对比分析，如图7所示，与背景电阻率相比，随着工作面的推进，16～18号和26～36号电极控制范围内的电阻率整体有明显降低，电阻率值降低范围为20～60 Ω·m。10月26日电阻率监测结果相对10月23日监测结果的变化情况显示，在回风巷一侧20～22号电极和24～25号电极之间存在2处电阻率降低的异常区，降低范围为10～20 Ω·m，表明该区域采空后可能已导通地表水，需加强井下工作面排水工作。

图4 回风巷14～34号、辅运巷13～33号电极监测结果

图5 2018年10月10-22日电阻率相对变化

(3)工作面回风巷18～38号、辅运巷17～37号电极监测结果。

2018年10月26-31日，动态监测工作面回风巷18～38号、辅运巷17～37号电极控制的760 m长的区域。监测结果如图8所示，分别展示了10月30日、10月31日2组监测结果，在该监测时段内电阻率没有较明显的变化。将10月31日的监测结果分别与背景值和10月30日的结果进行对比分析，如图9所示，与背景电阻率相比，随着工作面推进，18～22号和25～33号电极控制范围内的电阻率整体有明显降低，电阻率值降低范围为20～80 Ω·m。10月31日监测结果相对10月30日监测结果的变化情况显示，在回风巷一侧20～22号电极和26号电极附近存在2处电阻率降低的异常区，降低值为10 Ω·m，表明该区域采空后可能已导通地表水，需加强井下工作面排水工作。

图6 回风巷16～36号、辅运巷15～35号电极监测结果

图7 2018年10月23-26日电阻率相对变化

图8 回风巷18～38号、辅运巷17～37号电极监测结果

图9 2018年10月26-31日电阻率相对变化

(4)工作面回风巷19～39号、辅运巷18～38号电极监测结果。

2018年10月31日到11月28日期间，动态监测工作面回风巷19～39号、辅运巷18～38号电极控制的760 m长的区域。监测结果如图10所示，分别展示了11月15日、11月23日2组监测结果，在该监测时段内，电阻率自11月23日起有较明显的变化。将11月23日的监测结果分别与背景值和11月15日的结果进行对比分析，如图11所示，与背景电阻率相比，随着工作面推进，20～22号和28～33号电极控制范围内的电阻率整体有明显降低，电阻率值降低范围为10～40 Ω·m。11月23日监测结果相对11月15日监测结果的变化情况显示，在本次监测时段内发育2处电阻率降低的区域，降低值为10～70 Ω·m，2处低阻区均位于工作面辅运巷一侧33～40号电极之间对应的石灰沟区域，表明工作面回采前方石灰沟区域富水性好，裂隙发育，需提前采取防治水措施。

图10 回风巷19～39号、辅运巷18～38号电极监测结果

图11 2018年10月31日到11月28日期间电阻率相对变化

(5)工作面回风巷20～40号、辅运巷19～39号电极监测结果。

2018年11月28日到12月11日期间，动态监测工作面回风巷20～40号、辅运巷19～39号电极控制的760 m长的区域。监测结果如图12所示，分别展示了12月2日、12月11日2组监测结果，在该监测时段内，电阻率整体变化较小。将12月11日的监测结果分别与背景值和12月2日的结果进行对比分析，如图13所示，与背景电阻率相比，随着工作面推进，20～23号和26～33号电极控制范围内的电阻率整体有明显降低，电阻率值降低范围为10～60 Ω·m。12月11日监测结果相对12月2日监测结果的变化情况显示，在采空区前方回风巷一侧36～39号电极之间发育一处电阻率降低的异常区域，降低值为20～30 Ω·m，需提前采取防治水措施。

图12 回风巷20～40号、辅运巷19～39号电极监测结果

(6)工作面回风巷20～40号、辅运巷20～40号电极监测结果。

2018年12月11-28日，动态监测工作面回风巷20～40号、辅运巷20～40号电极控制的760 m长的区域。监测结果如图14所示，分别展示了12月17日、12月19日2组监测结果，在该监测时段内，电阻率整体变化较小。将12月19日的监测结果分别与背景值和12月17日的结果进行对比分析，如图15所示，与背景电阻率相比，随着工作面推进，20～22号和27～32号电极控制范围内的电阻率整体有明显降低，电阻率值降低范围为10～30 Ω·m。12月19日监测结果相对12月17日监测结果的变化情况显示，在本次监测时段内没有明显的低阻异常发育，表明工作面不存在水害隐患。

图13 2018年11月28日到12月11日期间电阻率相对变化

图14 回风巷20～40号、辅运巷20～40号电极监测结果

图15 2018年12月11-28日电阻率相对变化

3.3 监测结果验证

(1)地面水文孔验证。12401工作面中部石灰沟附近有R122水文孔，该孔主要观测松散层及安定组含水层水位变化情况，已安装水位自动观测系统。工作面11月初回采至钻孔附近时，地下水水位下降明显，如图16所示。2018年11月12日水位埋深1.91 m，11月20日工作面推过该钻孔时，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，累计相对下降2.03 m。地下水水位下降与11月15-23日视电阻监测低阻异常区基本吻合，表明从地下水水位变化情况来看，11月15-23日监测结果基本准确。

(2)井下涌水量验证。12401工作面井下涌水量从2018年10月25日开始逐渐呈增大趋势，涌水量由10 m3/h增大至20 m3/h，至2018年12月14日涌水量趋稳，如图17所示，工作面井下涌水量的增大趋势及时间节点基本与10-12月监测的视电阻监测低阻异常区吻合，表明从井下涌水量变化情况来看，监测结果基本准确。

图16 12401工作面R122水文孔地下水位变化曲线

图17 12401工作面涌水量曲线

(3)疏放水钻孔验证。12401工作面过沟开采时施工了4个疏放水钻孔，孔号分别为T2、T3、T13、T14，4个钻孔全部有水，累计初始涌水量3 m3/h，累计疏放水量720 m3，疏放水钻孔出水位置基本与视电阻监测低阻异常区吻合，也表明监测结果基本准确。

4 顶板水害预警级别划分

不同介质之间具有一定程度的电性差异，当探测目标介质的电性在水平或者垂直方向上发生变化时，电场的空间分布也会发生相应的变化。随着工作面的推进，顶板岩层发生破裂，导致岩层富水性发生变化。若裂隙不导通含水体，则会由于孔隙度增加顶板电阻率升高；若裂隙导通含水体，则顶板电阻率因富水性增加而降低；根据围岩、煤层和水之间在导电性上存在较大差异这一原理，通过动态监测回采过程中电阻率的变化，实现顶板水害的实时监测分级预警。

根据12401工作面电阻率监测实际数据，对预警级别进一步进行了量化，具体见表2。

表1 工作面顶板水害预警级别划分标准表

表2 上湾煤矿12401工作面顶板水害预警级别划分标准

按照水害预警级别划分标准对12401工作面顶板水害进行评估，监测过程中存在持续低阻异常，低阻区域的电阻率值在100～180 Ω·m之间，水害风险的预警级别为二级预警，水害风险一般，不会发生水害事故。

5 结论

(1)2018年10月10日到12月28日期间，通过对12401工作面顶板视电阻率分段动态监测情况来看，在各监测时段内电阻率整体变化较小，监测区域内间歇有低阻异常发育，但在持续监测过程中低阻异常规模并未进一步发展，表明工作面回采过程中发生水害事故的风险较小。该系统能较为准确地确定工作面回采过程中是否导通含水层，能够准确预测工作面水害发生的可能性，具有一定的可操作性。

(2)通过对监测数据进行反演计算得到电阻率，并与背景值对比对工作面顶板水害预警级别进行了划分，无低阻异常则不预警，存在低阻异常进行初级预警；若低阻异常持续存在，且异常参数在80～120 Ω·m之间进行二级预警；若低阻异常持续存在，异常参数在40～80 Ω·m之间进行三级预警；若有继续发育的趋势则进行四级预警。

(3)利用视电阻率监测为主要监测手段，并辅助以地下水位、井下涌水量观测对工作面水害进行综合预警，3种方法相结合可以进一步提高水害监测预警的准确率，为工作面安全回采提供有力的技术支撑。