基于钻孔电阻率法动态监测的煤层覆岩瓦斯抽采层位确定——以李雅庄煤矿为例

侯文光，程久龙，李 达，张 盼，秦金辉，陈 涛

(1.霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿，临汾 031400；2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

煤与瓦斯共采是瓦斯矿井保证安全、经济、绿色开采的必由之路[1]。矿井瓦斯防治措施的研究对于降低事故发生概率和保障矿井安全生产有着极其重要的意义[2]。经过多年的研究与实践，许多专家学者针对不同的瓦斯赋存、运移情况，提出了一系列的瓦斯抽采技术措施[3-5]，如何准确定位瓦斯抽采层位，实现瓦斯高效抽采却仍然是困扰煤炭企业的难题。大量实践证明高位抽采钻孔层位必须位于覆岩裂隙主要发育范围内才能取得好的抽采效果，如何确定主要采动裂隙的发育规律和演化特征乃是问题的关键。在这方面，国内外学者进行了诸多研究。宋斌[6]采用Fluent数值模拟软件对比分析高位钻孔不同抽采层位下瓦斯抽放效果，确定了不同开采条件下高位钻孔最佳布置层位。王磊[7]以瓦斯渗流理论为基础，以钻孔抽采周围流场为径向流场，建立了钻孔周围瓦斯流动数学方程，结合数值模拟确定了瓦斯抽采钻孔的最佳布置参数。刘桂丽等[8]基于采空区覆岩裂隙演化特征、裂隙瓦斯运移规律以及高位钻孔施工工艺研究现状，从不同通风条件下裂隙内瓦斯流动规律出发，提出工作面后方50 m范围内覆岩裂隙发育状况是高位钻孔层位设计的重点，该研究考虑了钻孔层位设计与覆岩裂隙的发育情况的关联，能够动态的掌握覆岩裂隙演化规律，成为解决瓦斯抽采层位问题的关键。在采动裂隙监测方面，电阻率法是国内外较为先进的覆岩裂隙动态监测手段，程久龙等[9-10]、Han等[11]利用电阻率法对覆岩破坏发育规律进行了物理模拟和数值模拟研究，并以具体煤矿工程案例为背景对覆岩裂隙带高度进行了有效的预测。张平松等[12]采用孔巷电阻率法在工作面回采推进过程中进行动态测试，获得了“垮落带、断裂带”发育高度值。这些研究成果为高位瓦斯抽采钻孔层位的确定奠定了坚实的基础。

现以山西焦煤集团霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿2607工作面为研究对象，综合考虑2607工作面开采面临的高瓦斯高地应力的地质条件以及常规探测方法在这种地质条件下的局限性，选用钻孔电阻率动态监测法，结合工程实例，分析采动过程中视电阻率响应特征和变化规律，以期得到覆岩裂隙发育范围分布的主要层位，为瓦斯抽采钻孔施工层位的准确定位提供重要的工程依据。

1 工程背景

李雅庄煤矿目前主采2607工作面，该工作面位于六采区中部右翼，为西南—东北走向，如图1所示。工作面推进方向左侧为2605回采工作面(已回采)，右侧紧邻F12断层(平行间距70～300 m)，切巷位置距离2-224探巷90 m。2607工作面煤层属于二叠系山西组2#煤，节理较为发育，平均煤层厚度为3.3 m，预计夹矸厚度最薄为0.2 m，最厚为0.3 m，为复杂结构煤层，瓦斯含量约为7 m3/t，工作面回采期间瓦斯绝对涌出量可达30 m3/min以上。煤岩类型为半亮型-光亮型。顶板多为细砂岩或泥岩，水平层理，富含煤纹，含少量白云母片，下部含灰黑色粉砂岩条带，2607工作面L-4b钻孔柱状图如图2所示。

图1 2607工作面布置图

图2 L-4b钻孔柱状图

2607工作面回采过程中，2#煤层复合型顶板及高地应力条件均对裂隙带瓦斯高效抽采造成了巨大阻碍，顶底板应力、煤层瓦斯含量大等问题日益突出，严重制约矿井的安全高效生产。同时李雅庄矿地质构造相对复杂，断层多，易发生瓦斯超限现象，因此采用高位定向水平钻孔进行瓦斯抽采，但是整个抽采过程中由于难以捕捉裂隙发育的准确层位，盲目施工钻孔不仅经常发生卡钻、掉钻的情况，并且瓦斯抽采流量仅有0.1 m3/min，抽采浓度仅为2%，完全无法满足矿井瓦斯高效抽采的要求。如何确定高位定向水平钻孔施工层位，提高瓦斯抽采效率，保持工作面低瓦斯浓度下作业，是该煤矿瓦斯有效治理的一个难点。因此，开展覆岩采动裂隙带发育范围动态探测，确定瓦斯最佳抽采层位，确保瓦斯抽采量和浓度达到生产要求。

2 采动覆岩变形破坏与电阻率响应特征

2.1 煤层采动覆岩变形破坏特征

煤层开采后，采场周围处于平衡状态的原岩应力被打破，应力重新分布，在不断变化的应力场作用下，顶板岩层中原生裂隙扩展且伴有新的裂隙产生。随着工作面的不断推进，采场顶板岩层裂隙经历了扩展—压实—再扩展的过程，覆岩裂隙发生有规律的冒落、断裂、下沉，自下而上形成了垮落带、裂隙带和弯曲下沉带[13-14]，如图3所示。

图3 采动覆岩破坏特征

2.2 覆岩变形破坏与电阻率响应特征

岩体产生裂隙造成电阻率的变化是电阻率法监测的依据，影响岩体电阻率的因素较多，其中与覆岩破坏有关的因素主要是岩石的裂隙发育程度、含水性和压实程度。若探测区域周围出现裂隙时，在不含水条件下岩石电阻率会升高很多，且裂隙越发育电阻率值越大。如果这些裂隙中含水，由于水具有低电阻率的特征，电阻率会有所降低，降低的程度与富水性和裂隙的连通性有关。由于超前支撑压力作用，岩体会被压实，岩石颗粒间的接触更为紧密，干燥或弱含水的岩体电阻率一般会减小，而富水岩体会因内部水被挤压而使电阻率值略有升高。利用电阻率法监测工作面上覆岩层破坏规律正是基于岩层破坏引起其电阻率值变化这一事实。一般情况下，不含水裂隙带范围内岩体视电阻率是未采动状态下的2～4倍，垮落带造成的视电阻率是未采动影响下的4～6倍或更高[9]。

3 煤层开采覆岩破坏动态监测工程设计

3.1 覆岩裂隙带高度预计

李雅庄煤矿2607工作面顶板岩层以砂质泥岩和细粒砂岩互层为主，为复合型顶板，且泥岩层厚度占比大，属于软-中硬岩层，煤层厚度3.3 m。因此，按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中有关导水裂隙带高度预测公式[15]为

(1)

(2)

式中：Hi为覆岩裂隙发育高度，m；M为煤层厚度，m。

由式(1)计算可得煤层开采后覆岩裂隙带高度为(37.2±5.6)m，由式(2)计算可得煤层开采后覆岩裂隙带高度为46.3 m。两者取最大值为46.3 m。因此，该工作面覆岩采动破坏动态监测范围的最大高度应大于46.3 m。

3.2 钻孔电阻率法动态监测与探测工程布置

为了掌握2607工作面煤层开采后覆岩裂隙全时空演化特征，综合考虑李雅庄矿高地应力复杂顶板的地质条件，选择钻孔电阻率法作为本次覆岩裂隙发育特征的动态监测方法。

钻孔电阻率法是全空间电法勘探方法，它是在常规高密度电阻率法的基础上发展起来的，基本思想是借助于阵列将电测深与电剖面两个系统的多种组合方式集合于一体，并将探测系统应用于钻孔中。其基本原理仍是以地质异常体与围岩的电性差异为基础，在人工电场的作用下研究其所形成的异常电场和电流的分布规律。根据所设计的固定极距将数根电极一次性置于剖面的各测点上，通过供电电极向周围介质提供稳定的电流，由测量电极测得不同位置的电位差值，然后依据相应公式求得该记录点视电阻率。通过程控开关选择不同的电极组合方式和不同极距间隔，可以有规律地自动改变供电电极与测量电极的距离和位置，可以测量不同位置与深度的电位差值，快速地完成数据的采集。

钻孔电阻率法相较于常规高密度电阻率法探测效果优势明显，常规高密度电阻率法多数是在整个工作面回采完之后进行覆岩裂隙高度的探测，整个过程是静态的，仅仅能捕捉覆岩裂隙发育的高度，难以捕捉覆岩裂隙的演化形态及裂隙扩展规律，难以准确定位瓦斯抽采层位。

选择在2#煤26071巷距停采线19 m处布置钻窝A，施工1个钻孔，孔号为1#，具体钻孔设计参数见表1，钻孔位置平面图和剖面图如图4所示。钻孔最大控制高度距离煤层顶板64.5 m，大于预计高度约18 m，钻孔终孔点平面投影距离26071巷直线距离16 m。

表1 测试钻孔参数

图4 26071巷钻孔1#布置平面图和剖面图

数据采集仪器为矿用防爆电法系统。钻孔中电缆使用30芯/1.5 mm的孔中专用高密度电阻率法探测电缆。根据所设计的裂高探测精度要求，以2.0 m为电极间距制作专用电缆，测试电极确保每道电极与对应的内芯线连通良好，且内芯线两两之间互不相通。钻孔内共布设电极38道，注浆凝固后进行监测。

4 煤层开采覆岩破坏动态监测现场试验

4.1 钻孔电阻率法动态监测结果及分析

钻孔电阻率法测试装置安装成功之后第4天开始进行动态监测，每间隔2 h测量一次，直到工作面推进到钻孔附近停止监测，有效测量次数达156次。下面对工作面推进到关键位置视电阻率测量结果进行分析。

图5为2607工作面开采位置距离孔口80 m时实测视电阻率曲线图。整个钻孔视电阻率值变化不大，主要分布在30～60 Ω·m范围，对应的砂岩层视电阻率略高于砂泥岩层和泥岩层。此时，煤层开采对钻孔周围岩层的电阻率影响不大，将此时的数据作为背景场值。

图5 2607工作面开采位置距离钻孔口80 m时钻孔视电阻率曲线图

图6为开采位置距离孔口60 m时的视电阻率断面图。孔深41 m以浅段视电阻率变化不大，但在孔深49～61 m段视电阻率明显增大，表明该位置岩层处于裂隙明显发育状态，推测该区域内岩层结构受超前支撑压力影响发生变化，造成岩石裂隙明显发育，导致该区域内岩石电阻率变大。孔深41～49 m段视电阻率略有增加，说明微裂隙发育。

图6 2607工作面开采位置距离钻孔口60m时钻孔视电阻率曲线图

图7为工作面开采位置距离孔口39.5 m处的视电阻率断面图。孔深41 m以浅段视电阻率变化不大，但在孔深41～69 m段视电阻率明显增大，且相比于图4视电阻率大得多，表明该位置岩层处于裂隙明显发育状态，也说明该区域内岩层结构受超前支撑压力影响发生变化，造成岩石裂隙明显发育，导致该区域内岩石电阻率变大。裂隙发育范围随工作面推进进一步明显扩大。

图7 工作面开采位置距离钻孔口39.5 m时钻孔视电阻率曲线图

图8为工作面开采位置距离孔口18.5 m处的视电阻率断面图。孔深41 m以浅段视电阻率变化不大，但在孔深41～71 m段视电阻率明显增大，尤其是41～51 m段视电阻率比前期大得多，表明该区域内岩层结构受超前支撑压力影响发生变化，造成岩石裂隙明显发育，导致该区域内岩石电阻率变大。裂隙明显发育范围随工作面推进进一步扩大。在孔深55 m处，视电阻率比前期略小，说明部分岩层中裂隙有闭合的趋势。

图8 工作面开采位置距离钻孔口18.5 m时钻孔视电阻率曲线图

图9为2607工作面开采位置距孔口不同距离时钻孔视电阻率曲线图。从图中可以看出孔深41～70 m范围随着工作面的推进视电阻率逐渐增大，说明该段岩层裂隙逐渐发育。但在47～51、55～57、63～65 m段出现了视电阻率先增大后降低的现象，判断为岩层裂隙出现先增大后闭合的过程。在孔深41 m以浅以及71 m位置，采动过程中视电阻率变化不大或采后视电阻率逐渐减小，表明在工作面推进过程中，这些位置的裂隙相对不发育或发育后很快闭合。

图9 2607工作面开采位置距钻孔口不同距离时钻孔视电阻率曲线图

4.2 覆岩裂隙带发育规律分析

通过对2607工作面开采过程中覆岩钻孔电阻率法动态监测结果分析，覆岩裂隙较发育层位最先出现在孔深49～61 m位置，逐渐发育到41～69 m位置，表现为视电阻率大大增加；受超前支撑压力的影响，局部裂隙出现压实、闭合，表现为视电阻率相对减小。随着工作面的不断推进，受周期来压的影响，孔深41～69 m段范围内的岩层电阻率明显增大，推断该区域覆岩裂隙扩展、贯通，出现了大面积的塑性破坏区，该层位适合布置高位钻孔，因此瓦斯抽采的最佳层位确定为孔深41～69 m(煤层上方垂高26～47.5 m)范围内的岩层。

5 工程应用

覆岩裂隙瓦斯抽采应用在2618工作面2#煤层2#钻场开展，通过覆岩破坏钻孔电阻率法动态探测得到覆岩裂隙演化规律和裂隙带发育范围，确定裂隙带发育高度26～47.5 m范围内的砂岩层为瓦斯抽采的最佳层位，因此，多分层松软破碎地质条件下高效钻进施工的终孔位置应控制在此范围内。定向长钻孔工程布置示意图如图10所示。

图10 定向长钻孔施工层位布置示意图

按照定向长钻孔施工层位布置方案，采用定向高位长钻孔瓦斯高效抽采技术，在顶板不同层位共施工4个定向高位钻孔，不同钻孔的位置高度和瓦斯抽采效果对比见表2。从表2各钻孔的抽采流量及抽采浓度数据可以看出，2618-1#钻孔抽采效果最差，该钻孔施工层位为2#煤层顶板上22.3 m，不在动态监测确定的最佳抽采范围之内。2618-2#钻孔抽采流量及抽采浓度虽然较2618-1#钻孔有小幅度的增加，但是较2618-3#、2618-4#钻孔抽采流量及抽采浓度差距明显，其抽采层位位于动态监测确定的最佳抽采范围的顶部，说明该层位虽然有裂隙发育，但贯通效果较差。2618-3#、2618-4#钻孔抽采效果较好，尤其是2618-4#孔，其抽采流量及抽采浓度均为四个钻孔中最高，2618-3#钻孔位于动态监测确定的瓦斯抽采最佳层位的偏下方位置，2618-4#钻孔的抽采层位与动态监测确定的最佳抽采层位一致，说明通过钻孔电阻率法动态监测确定的裂隙带发育范围是适合瓦斯抽采的最佳层位。

表2 不同层位钻孔瓦斯抽采流量和浓度对比

6 结论

(1)钻孔电阻率法能够很好地适用高瓦斯高地应力的煤层开采条件，并且可以弥补常规探测方法中无法掌握裂隙动态发育过程的不足，做到全时空捕捉裂隙发育过程，准确定位覆岩裂隙最佳发育层位，指导瓦斯高位长钻孔层位施工。

(2)通过钻孔电阻率法对覆岩破坏裂隙带发育范围动态监测效果的分析，获得了李雅庄煤矿2#煤层上覆岩层采动裂隙演化规律及裂隙带发育高度，确定了裂隙带发育范围26～47.5 m处的岩层为瓦斯抽采的最佳层位。

(3)2618工作面瓦斯抽采应用充分验证了钻孔电阻率动态监测法定位瓦斯抽采层位的准确性，通过合理地布置瓦斯抽采高位钻孔大大提高了瓦斯抽采效率，降低了瓦斯抽采成本，为李雅庄矿的安全高效生产提供了重要技术保障，可在同类矿井推广应用。