工作面覆岩破坏双孔并行电法数据多方法处理

2020-09-27吴荣新曹建富

安徽理工大学学报（自然科学版） 2020年4期

吴荣新，曹建富

(安徽理工大学地球与环境学院, 安徽淮南 232001)

对于采用崩塌法采煤的煤层工作面，煤层开采后，顶板上覆岩层将发生变形与破坏，掌握覆岩破坏的垮落带和裂隙带发育范围对于煤矿水害防治及瓦斯防治等安全工作具有重要的意义。近年来在煤层工作面采用钻孔法对覆岩破坏进行了大量研究及应用，采用的技术手段包括注水法[1]、微震法[2]、震波CT法[3]、直流电阻率法[4-6]、光纤法等[7]，取得了大量有益的研究成果。特别是采用钻孔电阻率法监测覆岩破坏，由于现场的施工快速，效果明显，从覆岩破坏电性特征变化的数值模拟、相似物理模型实验，到煤层工作面覆岩破坏的现场实测，进行了系统的研究，取得了大量研究成果[8-9]。

为提高物探探查的可靠性, 采用多种探测方法或多参数法探查地质问题是当前物探探测的发展趋势[10-11]。并行电法具有数据采集效率高、数据量大、信噪比高的优点，特别是能够同步测得同一测线各电极供电电流、自然电位、一次场电位和二次场电位等数据，适宜于进行多方法数据处理，近年来得到了广泛的应用[11-14]。目前，钻孔覆岩破坏电法监测已有多种方法处理与解释：单钻孔高密度视电阻率值成像与解释，双钻孔电阻率成像处理与解释，钻孔电极电流值变化曲线法处理与解释等。能否利用相同并行电法多参数数据进行多方法数据处理，从多角度认识覆岩破坏规律，是引人关注的问题。本文对双孔并行电法监测数据进行多方法处理，综合解释煤层采后覆岩破坏高度，取得了较好的效果。

1 覆岩破坏方法原理

采用崩坍法开采的煤层工作面，煤层开采后，在采动应力作用下，采空区上方岩层将产生变形与破坏，形成弯曲下沉带、裂缝带和垮落带。垮落带和裂隙带均为导水范围，两者合称为导水裂隙带。目前已有很多学者开展了的理论研究、相似模拟实验等，对不同顶板岩性组合及开采条件的煤层开采覆岩破坏规律有了系统的认识[15-19]。已有的研究资料表明，对于未充水的老空区，覆岩破坏的“三带”具有不同的电阻率值特征：垮落带电阻率值最高，通常为原岩电阻率值的3倍以上；裂隙带在垮落带之上，电阻率值较高，通常为原岩电阻率值的1.5倍以上，裂隙带上部与下部电阻率值差异较大；弯曲下沉带在裂隙带之上，局部存在离层裂隙，其电阻率值略有增加。

在煤层工作面回采影响前，在工作面巷道或相邻工作面巷道位置，布置一对覆岩破坏监测钻孔，位于同一垂直剖面内，钻孔控制垂高应超出预估的最大导水裂隙带高度。在钻孔内布置若干电极，通过电极电缆与并行电法仪相连；在巷道内布置无穷远供电电极，与电法仪器相连。随工作面不断推进，采动变形与破坏带将进入钻孔控制范围。采集电法数据时，保持无穷远供电电极位置固定，供电电压不变，监测各电极电流值变化，能够反映各电极点接地电阻的变化，也反映了其周围岩层电阻率变化情况[20]。因此，可以利用电极供电电流和岩层视电阻率参数变化，综合解释覆岩破坏的动态变化情况。

2 地质概况及现场施工

1303工作面位于甘肃省庆阳市环县矿区，开采煤层为中侏罗统延安组3煤层。工作面地质构造简单，煤层平均倾角12°，平均煤厚3.1m。工作面走向长1 860m，倾斜长240m。工作面顶板以粉砂岩和细粒砂岩为主，其次为砂质泥岩、泥岩及中粒砂岩，夹有薄煤层或煤线。上覆新生界平均厚度59.5m。工作面标高+1 350～+1 404m，平均基岩高度165.5m。工作面采用综合机械化采煤，一次采全高，顶板管理为垮落法。

图1 工作面电法监测平面示意图

本工作面顶板岩层为中硬型，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》计算，垮落带高度为9.2±2.2 m，裂隙带高度为36.2±5.6m。而对中侏罗统延安组煤层已有的覆岩破坏探测研究结果表明，实际探查导水裂隙带高度可达按该规程计算的导水裂隙带高度2倍以上[21]210，两者差异很大。因此，需要更全面的掌握该工作面覆岩破坏发育规律，尝试采用双钻孔并行电法监测进行多方法处理与解释。

2019年1月20～31日在相邻工作面回风巷道施工2个顶板钻孔，测斜后安装电极电缆系统，监测1303工作面采后覆岩破坏(见图1)。钻孔方位与巷道的水平夹角均为 30°，位于同一垂直面内。1# 孔孔长为 103.5 m，控制垂高 88.3 m，控制水平距离53.8m，布置30个电极，电极间距3.5m(见表1)； 2# 孔孔长100m，控制垂高 64.0m，控制平距 68.8 m，布置32个电极，电极间距2.5m(见表1)。采用并行电法仪AM法采集数据，保持无穷远极供电电极B极固定，数据采集中保持工作电压固定。2019年2月11日开始采集数据，钻孔孔口距工作面回采位置107m；到3月8日钻孔孔口距工作面回采位置5m，为最后一次采集有效数据(见表2)。钻孔控制范围内平均采高3.05m。

表2 数据采集日期与工作面回采位置

3 多方法处理与解释

3.1 单孔电极电流结果

电极电流值为AM法数据采集时直接得到的电性参数，但由于未受采动影响的不同高度的电极电流值存在明显差异，为突出采动影响，取2月11日钻孔电极电流值为背景电流值，将每天采集的电流值除以背景电流值可得到各电极电流比值。以钻孔孔口为坐标原点，以单钻孔中各电极点高度(H)为纵轴，以工作面回采位置距钻孔孔口距离(D)为横轴，可得到钻孔电极电流比值变化图(见图2a,b)。红色箭头位置为监测日期工作面回采位置距钻孔孔口距离。此图可以清楚地反映各电极电流值随采煤位置的逐步推进，各电极接地电阻的变化情况。

1#孔如图2a所示。2月11～23日，不同高度电极电流值相对稳定，反映工作面采动对1#孔电极影响不明显。2月24日至3月2日，垂高0～45m部分电极电流比值明显变化，反映该范围已受工作面采动影响；垂高45m以上电极电流比值无明显变化，受工作面采动影响不明显。3月3日至3月8日，垂高6～61m电极电流比值均显著降低，反映该范围岩层已受工作面采动影响，裂隙发育，电阻率值升高；垂高61m以上电极电流比值无明显变化，受采煤工作面采动影响不明显。垂高0～6m的电极位于金属套管内，且在工作面阶段煤柱上方，受采煤工作面采动影响不明显。

2#孔如图2b所示。2月11～13日，工作面距钻孔孔口97～107m，不同高度电极电流比值相对稳定。2月14～26日，工作面距钻孔孔口50～93m，垂高8～58m范围部分电极电流比值有所降低，反映该范围已受工作面采动影响。2月28日至3月8日，采煤工作面距钻孔孔口5～45m，垂高8～58m电极电流比值均显著降低，反映该范围岩层已受工作面采动影响，裂隙发育，接地电阻值升高。

电极电流比值监测动态变化图可以清楚地显示各电极电流比值随采煤位置的逐步推进的动态变化情况，反映了电极周围岩石受采动影响变形与破坏情况。两孔的电流比值变化范围的高度基本一致，结合地质资料，可以确定裂隙带高度为61m，垮落带高度15m。

a. 钻孔1

b. 钻孔2图2 钻孔电极电流比值变化图

3.2 双孔电极电流法成像解释

由于1#孔、2#孔布置在同一垂面上，根据钻孔内各电极点的垂面坐标及电极电流值或比值，利用克里格插值法，可得到两钻孔控制范围电流或比值成像图，可反映垂直剖面内岩层受采动影响的电性变化情况，解释覆岩破坏带。

3月8日的电流比值成像结果直观地反映了采动后垮落带、裂隙带、弯曲下沉带的范围(见图3)。水平方向0～19m范围为工作面阶段煤柱范围，近孔口处附近电极电流比值在0.9以上，反映孔口附近受采动影响不明显。垂高0～15m红线圈定范围为垮落带范围，电流比值小于1/3；垂高15～61m红线范围为裂隙带范围，电极电流比值小于1；垂高61m红线以上范围为弯曲下沉带范围，电极电流比值为1左右,岩层受采动影响不明显。

图3 双孔电极电流比值成像解释

3.3 单孔高密度电阻率法

钻孔高密度电阻率法是覆岩破坏监测传统方法，对采集的AM法数据，按温纳三极装置进行高密度电阻率法反演，选取典型变化的电阻率成像结果如图4所示。

1#钻孔：从2月11日到3月8日，孔长10～75m范围(对应垂高8.1～61.8m)视电阻率值明显增大0%～40%，反映为裂隙带发育特征；孔长75～100 m范围视电阻率值无明显变化，反映为弯曲下沉带特征；垮落带未发育到1#钻孔位置(见图4a,b,c)。

2#钻孔：从2月11日到3月8日，孔长29～37m范围(对应垂高10.5～14.2m)视电阻率值(ρs)由30～50Ω·m增大到140Ω·m以上，达到原岩电阻率值3倍以上，为典型的垮落带视电阻率值变化特征；孔长37～97.5m范围(对应垂高14.2～61.0m)视电阻率值明显增大，不同位置增大的幅度不同，为典型的裂隙带视电阻率值变化特征(见图4d,e,f)。

图4 单孔高密度电法视电阻率成像图

3.4 双孔电阻率成像法

双钻孔电阻率成像法是直流电法常用的数据处理方法，对采集的电压及电流数据，输入双钻孔各电极垂面内坐标，利用电法软件进行电阻率反演，得到钻孔控制范围电阻率成像结果，再置于地质剖面图上进行解释。选取2月11日采动影响前和3月8日采动影响后电阻率结果进行对比分析，如图5所示。

由2月11日结果可见(见图5a)：垂高25～53m范围主要为泥岩、砂质泥岩地层，夹薄煤层，表现为相对较低的电阻率特征，电阻率值多为12～17Ω·m；其余范围以细砂岩、粉砂岩和中砂岩为主，电阻率值多为16～18Ω·m，高于泥岩电阻率值。图5a反映了未受采动影响时的背景电阻率值。

由3月8日结果可见(见图5b)：垂高15m以下红线圈定范围，电阻率值多为19～28Ω·m，比图5a对应部分电阻率值显著升高，电阻率值较为均一，解释为垮落带范围；垂高15～61m红线间范围，电阻率值为12～30Ω·m，电阻率值明显升高，表现出不均一的变化特征，解释为裂隙带范围；垂高61m以上范围，电阻率值为16～18Ω·m，电性特征较均一，电阻率值略有升高，解释为弯曲下沉带范围。

a. 2月11日 b. 3月8日图5 双孔电阻率成像解释

4 综合分析

单钻孔电极电流比值与回采位置关系图清楚地反映了从采动影响前到采动影响后的动态变化特征(见图2)：垂高61m以上，2个钻孔电极电流及电流比值均无明显变化，反映出该范围岩层电阻率无明显变化，对应于弯曲下沉带特征。在垂高61m以下裂隙带与垮落带界线确定中，由于电极电流比值变化的幅度大，垮落带与裂隙带的电流比值无显著区别，不能简单地从此图上确定裂隙带与垮落带界线，需结合覆岩破坏的发育规律及地质资料情况来分析，综合确定垮落带的高度为15m。

双钻孔电极电流及电流比值成像图反映出了某个日期的垂直剖面上电性变化情况(见图3)，由于该图可以清楚地反映各电极点的空间位置与回采位置和巷道的关系，可以清楚地反映垮落带和裂隙带的发育位置：垮落带高度为15m，为细砂岩和粉砂岩的界面位置；裂隙带高度61m，为煤线与粉砂岩界面位置。垮落带范围电极电流值及电流比值均很低，垮高/采高比3.92；裂隙带范围电极电流值及电流比值均有显明降低，裂高/采高比19.0。此结果与文献[21]313对该区域同一煤层采用井下钻孔注水法得到的结果是一致的，与延安组4煤层采用井下钻孔注水法、井-地联合微震监测法测得的结果也是一致的。但由于双钻孔电极电流及电流比值成像图是依据各电极点的数据插值计算而得，远离钻孔位置结果可靠性明显降低。

根据单钻孔高密度电阻率法反演的结果表明(见图4)，钻孔1电阻率成像结果可确定裂隙带高度为61m，垮落带未明显波及到该钻孔，裂隙带电阻率有明显升高；钻孔2电阻率成像结果可确定垮落带高度为14.2m。高密度电阻率法解释结果与电极电流比值结果相吻合。高密度电法的视电阻率值是根据电法勘探的勘探体积范围电压及电流值计算所得，其结果较客观地反映了钻孔周边的电阻率值特征。但单钻孔的电阻率数据反映其周边电性变化情况，难以准确反映覆岩破坏的空间形态。

表3 不同方法处理覆岩破坏解释比较

采动影响前后双钻孔电阻率反演成像结果对比(见图5)，清楚地反映了垮落带、裂隙带和弯曲下沉带的范围，与单钻孔高密度电阻率法结果、电极电流比值结果解释是一致的。双钻孔电阻率成像法充分利用了两个钻孔测线的电压及电流值数据，利用电法软件进行统一反演，客观地反映了钻孔控制范围电阻率值的相对高低情况；但是由于在电阻率反演过程中相当比例的数据被剔除，导致其反演的不同覆岩破坏带电阻率值变化特征没有单孔高密度电阻率值结果显著。

总之，以上四种处理方法都可以反映垮落带和裂隙带的高度(见表3)，各种方法各有优缺点，能够从不同视角分析覆岩破坏发育，多方法处理综合解释可以更全面的认识覆岩破坏的动态变化过程，有助于客观解释垮落带及裂隙带高度。