工作面覆岩破坏双孔并行电法数据多方法处理

吴荣新 曹建富

摘要：掌握垮落带和导水裂隙带发育高度对于煤矿工作面安全开采具有重要的意义。通过在煤层工作面布置覆岩破坏双孔电法监测系统，采用并行电法仪AM法方式，采集覆岩破坏电性变化数据，通过单孔电极电流比值、双钻孔电极电流比值、单钻孔高密度电阻率法和双钻孔电阻率反演成像等多种处理方法，综合解释覆岩破坏发育规律。实例研究表明：单钻孔电极电流比值变化图可以直观地反映各电极点电流比值随推进时间及回采位置的动态变化，分析各电极点位置变形与破坏情况;双钻孔电极电流比值图，能够清晰反映出某个采集时间的覆岩破坏带的空间位置;单钻孔高密度电阻率法能够反映钻孔周边岩层视电阻率的动态变化情况，分析在钻孔附近的岩层破坏情况;双钻孔电阻率反演成像，可以反映钻孔控制空间垮落带及裂隙带发育形态。通过多方法处理综合解释，能够充分发挥并行电法多参数数据优势，弥补单方法处理与解释的缺点，更全面地反映采后垮落带及裂缝带发育的动态变化过程，更好地指导工作面安全开采工作。

关键词：覆岩破坏;并行电法;电极电流;电阻率;直流电法

中图分类号：P631

文献标志码：A 文章编号：1672-1098（ 2020）04-0001-08

作者简介：吴荣新（1972-），男，安徽淮南人，教授，博士，研究方向：地球物理勘探。

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，位于同一垂直剖面內，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3.0m。工作面走向长1860m，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+1350 - +1404m，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。

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300，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，钻孔孑L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。

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。

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。

5 结论

（1）对煤层工作面覆岩破坏双孔电法监测数据，可以充分利用并行电法多参数数据优势，进行单孔电极电流比值、双钻孔电极电流比值、单钻孔高密度电阻率法和双钻孔电阻率反演成像等多种方法数据处理。

（2）单钻孔电极电流变化可以直观地反映各电极点的接地电阻变化情况，分析各电极点覆岩破坏连续变化情况，结合双钻孔电极电流值图，能够反映出垮落带及裂隙带发育的空间位置。

（3）单钻孔高密度电阻率法能够反映钻孔周边岩层视电阻率的变化情况，分析钻孔附近岩层的变形与破坏情况，结合双钻孔电阻率反演成像，可以更客观地反映钻孔控制范围垮落带及裂隙带发育形态。

（4）通过多方法处理综合解释，能够弥补单方法处理与解释的缺点，更全面地反映采后垮落带及裂隙带发育的动态变化过程，更好地指导工作面安全开采工作。

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（责任编辑：李丽）