采煤工作面导水通道电法智能监测技术应用研究

黄 刚，余国锋，韩云春，罗 勇，任 波，赵 靖，徐一帆，高银贵，贺世芳

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司 深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室，安徽 淮南 232001；2.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司，安徽 淮南 232001；3.鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；4.淮南矿业(集团)有限责任公司 煤业分公司，安徽 淮南 232095)

目前矿井回采工作面水害监测主要采用微震监测、多参数传感器监测以及电法监测等技术手段[1]。微震监测技术是一种对岩体在变形破坏过程中所产生的微破裂进行定时、定位的一种监测技术，主要用于监测工作面顶、底板岩石破裂、破坏情况，但无法判断是否有水通过导水通道导通至开采层[2，3]。多参数传感器监测通过布置传感器可以直接监测当前传感器所处位置的物性变化特征，用于判断工作面水害时容易以偏概全、以点代面，导致监测结果不准确[4-6]。

矿井电法监测技术是通过布设专用电极、向地下供入电流建立电场，测量工作面顶、底板在电阻率变化影响下的电场响应，根据异常响应的电场规律对工作面水害进行分析判断[7，8]。国内外研究学者在电法监测技术原理、数据处理解释、仪器设备以及现场应用等方面展开了大量研究。程久龙通过数值模拟得到了覆岩采动影响下裂隙的电场异常响应规律，对覆岩破坏“上三带”的电阻率变化进行了分析量化[9]。刘树才等构建了底板采动导水裂隙带动态演化地电模型，将煤层底板岩层在回采过程中分为4个导电性差异区段，分别为超前压缩区、过渡区、膨胀破坏区及重新压实区，且通过三维正演模拟得到了煤层底板导水裂隙演化过程中的视电阻率响应特征[10]。刘斌等利用电阻率层析成像法在防突层布设电极进行顶板突水监测的物理模拟，成功捕捉到前兆信息，为突水灾害的及时预警预报提供了重要参考[11]。王莹等对采动影响下煤层覆岩电性变化规律进行了正演模拟研究，分析了存在导水裂隙时覆岩破坏的电性异常响应特征[12]。靳德武等采用多频连续电法监测系统，利用拟高斯-牛顿法对实测数据进行三维电阻率反演，实现了对煤层底板充水水源变化过程的自动化三维监测[13]。鲁晶津等采用时移电阻率成像方法通过监测工作面回采过程中顶、底板电阻率变化对水害风险进行判识[14]。上述相关学者针对电场响应规律的研究，为矿井电法数据采集和数据处理解释等提供了原理依据。

电法监测利用了导水构造含水和不含水时的导电性差异，能有效判别异常构造的含水性；电法监测既可以探测到电极处的电场异常变化，也可以有效捕捉整个监测空间内的异常变化；电法监测的上述特性，避免了多参数传感器监测以偏概全、微震监测无法判别裂隙含水性的缺点[15]。

1 工作面概况

1.1 工作面地质构造

唐家会煤矿一盘区61304工作面为矿井南第四个回采工作面，东自三条盘区系统大巷，西至呼准一期铁路煤柱保护线，南为未掘进的61305工作面，北为已回采结束的61303工作面，其它无采掘活动。工作面主采6煤，工作面底板可参考标高+759.6～+781.3 m，底板走向长2141 m，倾向长240 m，煤层厚度11.6～17.5 m，煤层厚度南厚北薄，西厚东薄，倾角0°～6°，平均2°，局部煤层起伏较大，近似单斜构造。现有物探资料显示，61304工作面YC1号异常区位于切眼往回采方向300 m范围内，由三维地震探测的Y6异常区、DF29断层、槽波地震探测的3条断层及音频电透2号异常区构成，工作面示意图如图1所示。

图1 工作面布置方案Fig.1 Schematic diagram of the working face

1.2 工作面水文地质

61304工作面6煤距奥灰含水层距离41.5～57.7 m，平均50.8 m，完成底板顺层钻孔探查治理和地面定向钻治理工程后，煤层底板承受奥灰水压力0.88～1.10 MPa，最大突水系数为0.037 MPa/m，对照突水系数法评价标准，灰岩水突水系数均小于0.06 MPa/m，煤层底板完整块段发生灰岩水突水可能性较小，但不排除受断层、陷落柱等垂向导水构造的作用，局部发生灰岩水突水的可能。

2 电法智能监测系统

2.1 监测系统工作原理

煤层底板在工作面回采过程中经历着周期性的应力变化，当底板岩层受到应力作用在岩石弹性范围内时发生弹性形变时原生孔隙、裂隙减小；当应力超过岩石的弹性范围时发生塑性形变，底板岩层会产生大量新生裂隙，甚至导致岩层破碎从而形成导水通道。由此可见，应力变化会导致岩层内部结构发生变化，从而导致其导电性能发生变化。当采动破坏产生的通道与地下含水体导通时，岩石电阻率会发生更加显著的变化[16]。岩石电阻率的变化与裂隙发育情况和含水性紧密相关，因此通过监测工作面回采过程中的电阻率变化情况可以对工作面底板的破坏情况以及水害风险进行评估[17，18]。

电法智能监测系统结构图如图2所示，系统主要由监测装备、通信设备和配套软件组成，其中监测设备由监测主机、隔爆电源、监测线缆和监测电极组成，通信设备由地面光端机、井下光端机及光纤组成，配套软件主要有地面远程系统控制和数据库管理平台以及数据实时处理软件组成。

图2 采煤工作面电法智能监测系统结构Fig.2 Structure diagram of electrical intelligent monitoring system for coal face

本次监测采用四极测量装置，在两个相隔一定距离的观测钻孔中布置一定数量的工作电极，供电电极A和测量电极M共处于相同钻孔中，供电电极B和测量电极N在另一相同钻孔中，其中电极A、M距离和B、N距离相等。测量时，固定此间距，将A、M依次从首移到尾，每一次移动中B、N都应完成所在孔中所有点的测量。利用观测电位值或转换的视电阻率值进行反演计算，从而得到两孔之间区域电阻率的分布情况。观测系统如图3所示。

图3 观测系统方案Fig.3 Schematic diagram of the observation system

视电阻率计算如式(1)(2)，其中I为电流强度，ρ为介质电阻率，ΔUMN为M，N两点电极电位差[19]。

2.2 电法智能监测技术监测方案

在61304工作面回风巷距离切眼250 m处的6号硐室附近布置定向钻孔，钻孔位置如图1所示。在1#和4#孔安装智能电法监测设备(如图4所示)，安装设备完成后此两孔全段期间不能再施工和注浆，具体方案为：①施工4#孔，孔深364 m，间隔20 m布设电极，共布设16个监测电极，安装正常后注浆封孔；②施工1#孔，孔深341 m，间隔20 m布设电极，共布设16个监测电极，安装正常后注浆封孔；③将孔间电法监测系统调试上线；④监测3#(孔深425 m)、3-1#(孔深263 m)和3-2#(孔深327 m)孔的注浆过程中浆液扩散范围；⑤监测工作面回采过程中底板异常区裂隙动态发育情况；⑥工作面回采至回风巷6号硐室附近，孔间电阻率监测结束。

图4 定向孔间电法监测孔位Fig.4 Schematic diagram of hole position monitoring by electrical method between directional holes

3 动态监测成果

3.1 YC1异常区注浆效果动态监测

1)注浆情况。1#孔浆液116 t，3#孔共注浆6.3 t，煤层底板孔间电法监测首先完成了首次数据采集，然后紧接着3-1#孔注浆14.6 t和3-2#孔注18.9 t，接续1#孔封孔注浆7.9 t，一共注浆41.4 t浆液，水灰比3∶1。各孔注浆时间及注浆量见表1。

表1 各孔注浆时间及注浆量Table 1 Grouting time and grouting amount of each hole

2)背景场监测成果。1月23日第一次1#孔和3#孔煤层底板孔间电法监测底板下30 m平面成果如图5(a)所示，作为背景场。从图中可以看出，主要存在1处低阻异常区J1，位于1#孔孔底，异常平面位置位于工作面外，推测为1#孔116 t浆液主要集中区域。另外，在4#孔附近监测到零星分散的次低阻区，推测为穿层孔注浆浆液的反应。

图5 孔间电法监测底板下30 m平面成果Fig.5 Results of the electrical method monitoring of 30 m plane under the floor between holes

3)注浆后监测成果。1月29日3-1#注浆后的煤层底板孔间电法监测底板下30 m平面成果如图5(b)所示，可以看出，主要存在2处低阻区，J1异常位于1#孔孔底，异常平面位置位于工作面外，与注浆前J1异常基本一致，推测为1#孔116 t浆液主要扩散区域；J2异常位于3-1#孔附近，推测3-1#孔注浆液集中区域。

为突显3-1#孔14.6 t浆液扩散范围，对比1月29日与1月23日煤层底板孔间电法监测成果相对异常，作相对异常平面图(图6)，从成果图中可以看出，3-1#孔注浆液主要分布在J2低阻异常区，整体异常范围也反应了浆液量较少，扩散范围集中在孔径向范围20 m内，说明3-1#孔附近裂隙相对不发育。

图6 1月29日与23日孔间电法监测相对异常底板下30 m平面成果Fig.6 Results of 30 m plane under the relative anomaly floor monitored by electrical method between holes on January 29th and 23rd

3月1日煤层底板孔间电法监测底板下30 m平面成果如图7所示，按照1月23日的色标，整体未发现低阻异常区，说明浆液经过1个月的凝固扩散电阻率升高。

图7 3月1日孔间电法监测底板下30m平面成果Fig.7 Results of the electrical method monitoring of 30 m plane under the floor betweem holes on March 1st

为突显1～4#孔166.5 t浆液经过1个月时间凝固后电阻率变化区域，对比3月1日与1月23日电法监测成果相对异常图(图8)，可以看出两孔之间的岩层电阻率明显的升高，主要集中在1#至4#孔之间的孔底区域，据此分析可以得到：①1#和4#孔间未发现低阻异常区，说明注浆后两孔之间不存在相对富水异常区；②1#和4#孔间经过1个月时间推移，电阻率值明显上升，浆液随着裂隙等通道流动均匀，将目标区域内裂隙封堵；③通过对比发现166.5 t浆液扩散范围主要集中在1#和4#孔之间的孔底区域及1#孔中段岩性异常区域(图9蓝色虚线所示)。

图8 3月1日与1月23日注浆前后的视电阻率纯异常分布Fig.8 Pure anomaly distribution of apparent resistivity before and after grouting on March 1st and January 23th

图9 3月3—7日监测成果图Fig.9 Monitoring results from March 3rd to 7th

3.2 工作面采动中导水通道监测成果

工作面于3月1日开始正常回采，工作面采动中煤层底板智能电法监测也正式开始，根据采集得到的数据分析导水通道发育情况。

3月4—7日电阻率监测成果如图9(a)所示，3月3日回采范围内未见明显低阻异常，3月4日早6时也未见明显低阻异常，3月4日晚21时在回采线附近电阻率逐渐降低，3月5日1时在回采线附近电阻率值继续降低，发现1号低阻异常区，垂向上该异常从底板下0～35 m均有发育，“上宽下窄”如图9(b)所示，异常核心集中在浅层，平面上位于回采工作面的运输巷往回风巷方向70～120 m区间，受4#孔位置限制实际低阻异常范围可能会更大，结合现场矿压观测，随着工作面初次来压后，3月6日该区域电阻率值逐渐抬高，3月7日该区域电阻率恢复至来压前的状态。

3.3 微震监测成果验证

1)3月6日共监测到微震事件337个(与前一日相比增加132个)，其中顶板事件154个(与前一日相比增加89个)，6煤底30 m事件173个(与前一日相比增加36个)，6煤底30 m奥灰顶事件8个(与前一日相比增加5个)，奥灰事件2个。

2)微震事件分布于回采线前方80 m范围内，工作面切眼外部扰动30 m范围，顶板事件增加123%，工作面来压，且应力偏向回风巷，事件集中发育时段为3月5日22时至3月6日2时，至3月6日凌晨2点微震事件达到最多，3月5口6∶00至3月6日8∶00之间微震事件数量变化如图10所示。6煤底30 m以深事件偏向采空区一侧发育，在工作面切眼附近监测到6煤底30 m奥灰顶事件(图11所示)。

图10 61304工作面来压微震事件数量变化曲线Fig.10 Variation curve of the number of microseismic events in 61304 working face

图11 61304工作面3月6日微震事件位置分布Fig.11 Location distribution of microseismic event in 61304 working face on March 6th

3)初次来压前，采空区基本顶岩层不能随着开采立刻垮落，将在工作面后方形成悬臂岩梁，工作面周围支承压力的变化将导致底板应力状态随之发生变化，采动应力与支承压力的叠加导致微震事件明显增多，6煤底至奥灰顶层段事件聚集发育，且在来压时岩石破裂产生能量较大微震事件，底板破坏深度加深。

4)从图9可以看出，随着工作面向前开采，初次来压前，基本顶不曾发生垮落，在工作面前后方形成增压区、应力集中，工作面底板压力值变大，底板破坏深度变深，导致该区域内底板裂隙相对发育富水性变强，因此3月4—5日的电阻率监测成果表现为慢慢出现低阻异常区，3月5日电阻率监测提前预警工作面的初次来压事件；初次来压后，基本顶垮落、压力和砂岩水静储量释放，该区域电阻率逐渐恢复至接近来压前的状态，3月6日之后该区域电阻率恢复至接近来压前的状态。煤层底板智能电法监测结果与微震监测成果一致，验证了电法监测结果的有效性。

综合分析，该裂隙垂向发育范围工作面底板下0～35 m之内，主要集中在浅层，说明该裂隙未导通奥灰含水层，工作面可继续安全回采，实际回采中也未发生突水事故。

3.4 3月13—16日监测成果

3月13—16日之间电阻率监测成果如图12所示，从图12中可以看出，3月13—16日之间区域内电阻率值变化较小未发现低阻区域，从3月13日开始1号异常区域电阻率值逐渐降低，并稳定下来，异常平面位置与3月5日发现一致，垂向上集中在底板下0～35 m，“上下同宽”如图12(b)所示，异常核心集中在底板下30 m附近，结合底板岩层应力变化情况，分析如下：

图12 3月13—16日监测成果图Fig.12 Monitoring results from March 9th to 16th

1)初次来压造成底板岩层应力集中新生裂隙，造成1号异常区域电阻率值变低；当初次来压后底板应力释放、基本顶岩层垮落过程中导致新生裂隙受挤压闭合，该区域电阻率值抬升；顶板岩层压实采空区后，底板岩层恢复原应力状态，1号异常区内已新生裂隙重新张开并达到稳定状态，导致区域内电阻率值再次变低且稳定存在，即3月13日后1号低阻异常区电阻率值稳定下来。

2)从垂向剖面图分析可知，初次来压造成底板破坏深度较深，初次来压底板破坏深度为30～35 m之间。

3)综合监测结果可知，未监测到发育大于35 m的垂向低阻异常体，判断无底板突水的风险，实际回采中也并未发生突水。

4 结 论

1)井下低阻异常区定向钻注浆治理工程中，可以通过监测岩层的视电阻率变化从而跟踪浆液的扩散范围，继而判断岩层导水通道发育情况以及评价注浆效果。

2)回采工作面初次来压前，基本顶不曾发生垮落，在工作面前后方形成应力集中的增压区，导致工作面底板压力变大，底板破坏深度加深，采面底板附近岩层裂隙相对发育富水性变强，电阻率降低；初次来压底板岩层应力集中，造成新生裂隙，导致采面后方电阻率值变低；初次来压后底板应力释放、基本顶岩层垮落过程中导致新生裂隙受挤压闭合，电阻率值上升，采动形成的导水通道可能在初次来压区发育。