采煤工作面導水通道電法智能監測技術應用研究

黃 剛，余國鋒，韓云春，羅 勇，任 波，趙 靖，徐一帆，高銀貴，賀世芳

(1.淮南礦業(集團)有限責任公司 深部煤炭安全開采與環境保護全國重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司，安徽 淮南 232001；3.鄂爾多斯市華興能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000；4.淮南礦業(集團)有限責任公司 煤業分公司，安徽 淮南 232095)

目前礦井回采工作面水害監測主要采用微震監測、多參數傳感器監測以及電法監測等技術手段[1]。微震監測技術是一種對巖體在變形破壞過程中所產生的微破裂進行定時、定位的一種監測技術，主要用于監測工作面頂、底板巖石破裂、破壞情況，但無法判斷是否有水通過導水通道導通至開采層[2，3]。多參數傳感器監測通過布置傳感器可以直接監測當前傳感器所處位置的物性變化特征，用于判斷工作面水害時容易以偏概全、以點代面，導致監測結果不準確[4-6]。

礦井電法監測技術是通過布設專用電極、向地下供入電流建立電場，測量工作面頂、底板在電阻率變化影響下的電場響應，根據異常響應的電場規律對工作面水害進行分析判斷[7，8]。國內外研究學者在電法監測技術原理、數據處理解釋、儀器設備以及現場應用等方面展開了大量研究。程久龍通過數值模擬得到了覆巖采動影響下裂隙的電場異常響應規律，對覆巖破壞“上三帶”的電阻率變化進行了分析量化[9]。劉樹才等構建了底板采動導水裂隙帶動態演化地電模型，將煤層底板巖層在回采過程中分為4個導電性差異區段，分別為超前壓縮區、過渡區、膨脹破壞區及重新壓實區，且通過三維正演模擬得到了煤層底板導水裂隙演化過程中的視電阻率響應特征[10]。劉斌等利用電阻率層析成像法在防突層布設電極進行頂板突水監測的物理模擬，成功捕捉到前兆信息，為突水災害的及時預警預報提供了重要參考[11]。王瑩等對采動影響下煤層覆巖電性變化規律進行了正演模擬研究，分析了存在導水裂隙時覆巖破壞的電性異常響應特征[12]。靳德武等采用多頻連續電法監測系統，利用擬高斯-牛頓法對實測數據進行三維電阻率反演，實現了對煤層底板充水水源變化過程的自動化三維監測[13]。魯晶津等采用時移電阻率成像方法通過監測工作面回采過程中頂、底板電阻率變化對水害風險進行判識[14]。上述相關學者針對電場響應規律的研究，為礦井電法數據采集和數據處理解釋等提供了原理依據。

電法監測利用了導水構造含水和不含水時的導電性差異，能有效判別異常構造的含水性；電法監測既可以探測到電極處的電場異常變化，也可以有效捕捉整個監測空間內的異常變化；電法監測的上述特性，避免了多參數傳感器監測以偏概全、微震監測無法判別裂隙含水性的缺點[15]。

1 工作面概況

1.1 工作面地質構造

唐家會煤礦一盤區61304工作面為礦井南第四個回采工作面，東自三條盤區系統大巷，西至呼準一期鐵路煤柱保護線，南為未掘進的61305工作面，北為已回采結束的61303工作面，其它無采掘活動。工作面主采6煤，工作面底板可參考標高+759.6～+781.3 m，底板走向長2141 m，傾向長240 m，煤層厚度11.6～17.5 m，煤層厚度南厚北薄，西厚東薄，傾角0°～6°，平均2°，局部煤層起伏較大，近似單斜構造?，F有物探資料顯示，61304工作面YC1號異常區位于切眼往回采方向300 m范圍內，由三維地震探測的Y6異常區、DF29斷層、槽波地震探測的3條斷層及音頻電透2號異常區構成，工作面示意圖如圖1所示。

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

1.2 工作面水文地質

61304工作面6煤距奧灰含水層距離41.5～57.7 m，平均50.8 m，完成底板順層鉆孔探查治理和地面定向鉆治理工程后，煤層底板承受奧灰水壓力0.88～1.10 MPa，最大突水系數為0.037 MPa/m，對照突水系數法評價標準，灰巖水突水系數均小于0.06 MPa/m，煤層底板完整塊段發生灰巖水突水可能性較小，但不排除受斷層、陷落柱等垂向導水構造的作用，局部發生灰巖水突水的可能。

2 電法智能監測系統

2.1 監測系統工作原理

煤層底板在工作面回采過程中經歷著周期性的應力變化，當底板巖層受到應力作用在巖石彈性范圍內時發生彈性形變時原生孔隙、裂隙減??；當應力超過巖石的彈性范圍時發生塑性形變，底板巖層會產生大量新生裂隙，甚至導致巖層破碎從而形成導水通道。由此可見，應力變化會導致巖層內部結構發生變化，從而導致其導電性能發生變化。當采動破壞產生的通道與地下含水體導通時，巖石電阻率會發生更加顯著的變化[16]。巖石電阻率的變化與裂隙發育情況和含水性緊密相關，因此通過監測工作面回采過程中的電阻率變化情況可以對工作面底板的破壞情況以及水害風險進行評估[17，18]。

電法智能監測系統結構圖如圖2所示，系統主要由監測裝備、通信設備和配套軟件組成，其中監測設備由監測主機、隔爆電源、監測線纜和監測電極組成，通信設備由地面光端機、井下光端機及光纖組成，配套軟件主要有地面遠程系統控制和數據庫管理平臺以及數據實時處理軟件組成。

圖2 采煤工作面電法智能監測系統結構Fig.2 Structure diagram of electrical intelligent monitoring system for coal face

本次監測采用四極測量裝置，在兩個相隔一定距離的觀測鉆孔中布置一定數量的工作電極，供電電極A和測量電極M共處于相同鉆孔中，供電電極B和測量電極N在另一相同鉆孔中，其中電極A、M距離和B、N距離相等。測量時，固定此間距，將A、M依次從首移到尾，每一次移動中B、N都應完成所在孔中所有點的測量。利用觀測電位值或轉換的視電阻率值進行反演計算，從而得到兩孔之間區域電阻率的分布情況。觀測系統如圖3所示。

圖3 觀測系統方案Fig.3 Schematic diagram of the observation system

視電阻率計算如式(1)(2)，其中I為電流強度，ρ為介質電阻率，ΔUMN為M，N兩點電極電位差[19]。

2.2 電法智能監測技術監測方案

在61304工作面回風巷距離切眼250 m處的6號硐室附近布置定向鉆孔，鉆孔位置如圖1所示。在1#和4#孔安裝智能電法監測設備(如圖4所示)，安裝設備完成后此兩孔全段期間不能再施工和注漿，具體方案為：①施工4#孔，孔深364 m，間隔20 m布設電極，共布設16個監測電極，安裝正常后注漿封孔；②施工1#孔，孔深341 m，間隔20 m布設電極，共布設16個監測電極，安裝正常后注漿封孔；③將孔間電法監測系統調試上線；④監測3#(孔深425 m)、3-1#(孔深263 m)和3-2#(孔深327 m)孔的注漿過程中漿液擴散范圍；⑤監測工作面回采過程中底板異常區裂隙動態發育情況；⑥工作面回采至回風巷6號硐室附近，孔間電阻率監測結束。

圖4 定向孔間電法監測孔位Fig.4 Schematic diagram of hole position monitoring by electrical method between directional holes

3 動態監測成果

3.1 YC1異常區注漿效果動態監測

1)注漿情況。1#孔漿液116 t，3#孔共注漿6.3 t，煤層底板孔間電法監測首先完成了首次數據采集，然后緊接著3-1#孔注漿14.6 t和3-2#孔注18.9 t，接續1#孔封孔注漿7.9 t，一共注漿41.4 t漿液，水灰比3∶1。各孔注漿時間及注漿量見表1。

表1 各孔注漿時間及注漿量Table 1 Grouting time and grouting amount of each hole

2)背景場監測成果。1月23日第一次1#孔和3#孔煤層底板孔間電法監測底板下30 m平面成果如圖5(a)所示，作為背景場。從圖中可以看出，主要存在1處低阻異常區J1，位于1#孔孔底，異常平面位置位于工作面外，推測為1#孔116 t漿液主要集中區域。另外，在4#孔附近監測到零星分散的次低阻區，推測為穿層孔注漿漿液的反應。

圖5 孔間電法監測底板下30 m平面成果Fig.5 Results of the electrical method monitoring of 30 m plane under the floor between holes

3)注漿后監測成果。1月29日3-1#注漿后的煤層底板孔間電法監測底板下30 m平面成果如圖5(b)所示，可以看出，主要存在2處低阻區，J1異常位于1#孔孔底，異常平面位置位于工作面外，與注漿前J1異?；疽恢?，推測為1#孔116 t漿液主要擴散區域；J2異常位于3-1#孔附近，推測3-1#孔注漿液集中區域。

為突顯3-1#孔14.6 t漿液擴散范圍，對比1月29日與1月23日煤層底板孔間電法監測成果相對異常，作相對異常平面圖(圖6)，從成果圖中可以看出，3-1#孔注漿液主要分布在J2低阻異常區，整體異常范圍也反應了漿液量較少，擴散范圍集中在孔徑向范圍20 m內，說明3-1#孔附近裂隙相對不發育。

圖6 1月29日與23日孔間電法監測相對異常底板下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日煤層底板孔間電法監測底板下30 m平面成果如圖7所示，按照1月23日的色標，整體未發現低阻異常區，說明漿液經過1個月的凝固擴散電阻率升高。

圖7 3月1日孔間電法監測底板下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

為突顯1～4#孔166.5 t漿液經過1個月時間凝固后電阻率變化區域，對比3月1日與1月23日電法監測成果相對異常圖(圖8)，可以看出兩孔之間的巖層電阻率明顯的升高，主要集中在1#至4#孔之間的孔底區域，據此分析可以得到：①1#和4#孔間未發現低阻異常區，說明注漿后兩孔之間不存在相對富水異常區；②1#和4#孔間經過1個月時間推移，電阻率值明顯上升，漿液隨著裂隙等通道流動均勻，將目標區域內裂隙封堵；③通過對比發現166.5 t漿液擴散范圍主要集中在1#和4#孔之間的孔底區域及1#孔中段巖性異常區域(圖9藍色虛線所示)。

圖8 3月1日與1月23日注漿前后的視電阻率純異常分布Fig.8 Pure anomaly distribution of apparent resistivity before and after grouting on March 1st and January 23th

圖9 3月3—7日監測成果圖Fig.9 Monitoring results from March 3rd to 7th

3.2 工作面采動中導水通道監測成果

工作面于3月1日開始正?；夭?，工作面采動中煤層底板智能電法監測也正式開始，根據采集得到的數據分析導水通道發育情況。

3月4—7日電阻率監測成果如圖9(a)所示，3月3日回采范圍內未見明顯低阻異常，3月4日早6時也未見明顯低阻異常，3月4日晚21時在回采線附近電阻率逐漸降低，3月5日1時在回采線附近電阻率值繼續降低，發現1號低阻異常區，垂向上該異常從底板下0～35 m均有發育，“上寬下窄”如圖9(b)所示，異常核心集中在淺層，平面上位于回采工作面的運輸巷往回風巷方向70～120 m區間，受4#孔位置限制實際低阻異常范圍可能會更大，結合現場礦壓觀測，隨著工作面初次來壓后，3月6日該區域電阻率值逐漸抬高，3月7日該區域電阻率恢復至來壓前的狀態。

3.3 微震監測成果驗證

1)3月6日共監測到微震事件337個(與前一日相比增加132個)，其中頂板事件154個(與前一日相比增加89個)，6煤底30 m事件173個(與前一日相比增加36個)，6煤底30 m奧灰頂事件8個(與前一日相比增加5個)，奧灰事件2個。

2)微震事件分布于回采線前方80 m范圍內，工作面切眼外部擾動30 m范圍，頂板事件增加123%，工作面來壓，且應力偏向回風巷，事件集中發育時段為3月5日22時至3月6日2時，至3月6日凌晨2點微震事件達到最多，3月5口6∶00至3月6日8∶00之間微震事件數量變化如圖10所示。6煤底30 m以深事件偏向采空區一側發育，在工作面切眼附近監測到6煤底30 m奧灰頂事件(圖11所示)。

圖10 61304工作面來壓微震事件數量變化曲線Fig.10 Variation curve of the number of microseismic events in 61304 working face

圖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)初次來壓前，采空區基本頂巖層不能隨著開采立刻垮落，將在工作面后方形成懸臂巖梁，工作面周圍支承壓力的變化將導致底板應力狀態隨之發生變化，采動應力與支承壓力的疊加導致微震事件明顯增多，6煤底至奧灰頂層段事件聚集發育，且在來壓時巖石破裂產生能量較大微震事件，底板破壞深度加深。

4)從圖9可以看出，隨著工作面向前開采，初次來壓前，基本頂不曾發生垮落，在工作面前后方形成增壓區、應力集中，工作面底板壓力值變大，底板破壞深度變深，導致該區域內底板裂隙相對發育富水性變強，因此3月4—5日的電阻率監測成果表現為慢慢出現低阻異常區，3月5日電阻率監測提前預警工作面的初次來壓事件；初次來壓后，基本頂垮落、壓力和砂巖水靜儲量釋放，該區域電阻率逐漸恢復至接近來壓前的狀態，3月6日之后該區域電阻率恢復至接近來壓前的狀態。煤層底板智能電法監測結果與微震監測成果一致，驗證了電法監測結果的有效性。

綜合分析，該裂隙垂向發育范圍工作面底板下0～35 m之內，主要集中在淺層，說明該裂隙未導通奧灰含水層，工作面可繼續安全回采，實際回采中也未發生突水事故。

3.4 3月13—16日監測成果

3月13—16日之間電阻率監測成果如圖12所示，從圖12中可以看出，3月13—16日之間區域內電阻率值變化較小未發現低阻區域，從3月13日開始1號異常區域電阻率值逐漸降低，并穩定下來，異常平面位置與3月5日發現一致，垂向上集中在底板下0～35 m，“上下同寬”如圖12(b)所示，異常核心集中在底板下30 m附近，結合底板巖層應力變化情況，分析如下：

圖12 3月13—16日監測成果圖Fig.12 Monitoring results from March 9th to 16th

1)初次來壓造成底板巖層應力集中新生裂隙，造成1號異常區域電阻率值變低；當初次來壓后底板應力釋放、基本頂巖層垮落過程中導致新生裂隙受擠壓閉合，該區域電阻率值抬升；頂板巖層壓實采空區后，底板巖層恢復原應力狀態，1號異常區內已新生裂隙重新張開并達到穩定狀態，導致區域內電阻率值再次變低且穩定存在，即3月13日后1號低阻異常區電阻率值穩定下來。

2)從垂向剖面圖分析可知，初次來壓造成底板破壞深度較深，初次來壓底板破壞深度為30～35 m之間。

3)綜合監測結果可知，未監測到發育大于35 m的垂向低阻異常體，判斷無底板突水的風險，實際回采中也并未發生突水。

4 結 論

1)井下低阻異常區定向鉆注漿治理工程中，可以通過監測巖層的視電阻率變化從而跟蹤漿液的擴散范圍，繼而判斷巖層導水通道發育情況以及評價注漿效果。

2)回采工作面初次來壓前，基本頂不曾發生垮落，在工作面前后方形成應力集中的增壓區，導致工作面底板壓力變大，底板破壞深度加深，采面底板附近巖層裂隙相對發育富水性變強，電阻率降低；初次來壓底板巖層應力集中，造成新生裂隙，導致采面后方電阻率值變低；初次來壓后底板應力釋放、基本頂巖層垮落過程中導致新生裂隙受擠壓閉合，電阻率值上升，采動形成的導水通道可能在初次來壓區發育。