杨海平 刘盛东 杨 彩 章 俊

(①中国矿业大学， 资源与地球科学学院， 徐州 221116，中国) (②中国矿业大学， 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 徐州 221116，中国) (③中国矿业大学， 矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室， 徐州 221116，中国) (④中国矿业大学， 物联网(感知矿山)研究中心， 徐州 221116，中国)

0 引 言

中国华北石炭-二叠纪煤层的顶板砂岩裂隙含水层是煤层开采的直接充水水源，同时开采也受到底板太原组和奥陶系强岩溶含水层的威胁(Zhang， 2005)。地下煤层开采，引起煤层顶、底板围岩应力重新分布，导致围岩变形破裂，围岩渗透性改变，具有沟通煤层顶、底板含水层的风险。深部开采的“三高一扰动”(何满潮等， 2005； 谢和平， 2017)在矿井水害问题上表现显著。在煤层回采过程中，对围岩形变及导水通道进行有效监测，对于煤层回采工作面突水预测、采煤方法的改进、安全生产评价具有重要意义。为此，选择研究区域为徐州石炭系太原组的9号煤层，对该煤层顶、底板采动过程进行同步电法动态监测，得到采动前后顶、底板岩层电性的同步响应，对煤层回采过程中顶、底板围岩在采煤扰动下的电性规律进行分析。

国内外对煤层开采引起的围岩破坏形态以及导水通道形成等工程问题进行了大量的研究，煤层在自然垮落法开采过程中，分别在顶板形成垮落带、导水裂隙带、离层带和弯曲下沉带，底板形成裂隙破坏带等特征。形成了顶板覆岩破坏的“上三带”或“上四带”以及底板“下三带”“下四带”等理论(李白英， 1999； 施龙青， 2009； 吕玉广等， 2016)。其中导水裂隙带是顶板涌水的主要通道，将导水裂隙带顶界高度作为顶板水害评价工作的重点； 底板破坏带深度的预测，对于底板灰岩水的防治至关重要。

近年来随着电法勘探、监测设备与技术的发展，以围岩自然电位、电阻率等电性指标评价围岩变形破坏程度的方法(张平松等， 2009， 2021； 靳德武等， 2020； 吴荣新等， 2020； 鲁晶津， 2021)得到应用与推广，随着并行电法监测技术在国内各矿区的推广应用(刘盛东等， 2011， 2019； 杨彩等， 2012； Yang et al.， 2017； 刘静等， 2018)，以围岩电性为研究对象，以并行电法技术为手段，并通过与钻孔注水法、光纤应变法、钻孔声波、钻孔电视等方法的现场对比实践，表明并行电法动态测量技术具有参数多、易于实现等优势，在煤层开采过程中可进行探测与监测，主要是分别用于煤层顶板或底板的破裂监测中，而同时在采煤工作面进行煤层顶、底板全空间地电场特征的监测还未见报道，这是本文研究内容的创新所在。

1 研究区域地质概况与观测系统布置

1.1 研究区域地质概况

图 1 矿井水文地质剖面示意图Fig. 1 Profile of hydrogeological section plane of mine

图 2 煤层顶、底板采动破坏同步电法监测系统布置图Fig. 2 Layout of synchronous electrical monitoring system for coal seam roof and floor mining failure

1.2 现场观测系统布置

在工作面巷道中选取一处观测站，设置并行电法井下工作站和钻窝，钻窝内施工4个观测钻孔，钻孔开孔方向均指向工作面切眼方向，分别在顶、底板各施工2个观测孔(图 2)，顶板施工仰角钻孔分别为1#钻孔(倾角26°，孔深72m)和2#钻孔(倾角10°，孔深67m)，底板施工俯角钻孔分别为3#钻孔(倾角-29°，孔深60m)和4#钻孔(倾角-40°，孔深63m)， 4个钻孔施工完成后，对钻孔进行测斜以确定每一个测点电极的空间位置。在每个钻孔均匀布置24对电极(供电电极与采集电极相互间隔20cm的隔离间距)，单孔电法测线长59.8m，相邻电极对间距2.6m。现场电阻率数据采集供电电压96V，恒流时间0.5s，采样间隔50ms，数据采集模式AM法(刘盛东等， 2006)，利用单点电源供电形成的电场，即任一电极供电(A极)，其余电极作为 M 极同时进行电位测量，然后自动顺次切换电极，直至所有电极完成供电，公共供电电极B设在工作面停采线位置，距钻窝450m，相当于无穷远，公共比较电极N在钻窝内，完成一个供电循环后，从采集数据中提取三极数据； 自然电位数据采集的采样间隔是10s。基于以上数据中提取自然电位及4个钻孔及其孔间的电阻率数据进行分析。在工作面距离钻窝90m开始数据采集，此时工作面采动对监测区域视为无影响。此次顶、底板电法数据监测周期历时2个月(2017年10月12日～12月11日)，得到了煤层顶、底板受采动影响过程的地电场响应特征。

图 3 煤层顶、底板4个钻孔背景视电阻率剖面图(单位： Ohm·m)Fig. 3 Profile of background value of apparent resistivity of four boreholes in coal seam roof and floor(unit: Ohm·m)

2 顶底板采动破坏电阻率响应特征分析

基于直流电法的体积效应，只对视电阻率的浅层数据进行分析，图 3分别为4个钻孔的视电阻率剖面图，“五灰”、“八灰”和“十灰”在钻孔附近均表现为相对高电阻值(视电阻率范围100～120 Ohm·m)，与实际地层相符。

在此基础上，提取4个钻孔的邻孔对穿电阻率数据采用AGI EarthImager 2D反演后，得到工作面距离钻窝不同距离顶底板钻孔四孔联合视电阻率剖面图(图 4)，将工作面远离钻窝90m处的剖面作为背景视电阻率剖面(图 4a)。将进一步进行相应的分析。随着工作面回采，工作面距离钻窝60m时(图 4b)，顶板“八灰”发生破裂，底板破坏带深度延伸至“十灰”上部，图 4中黑色虚线圈定区域为顶底板采动破坏剧烈变化区域，通过对比该区域视电阻率前后变化情况，顶板受张力破坏引起的视电阻率变化大于底板，随着工作面回采至距离钻窝40m，图 4中红色虚线圈定区域的视电阻率值开始升高，围岩的破坏范围不断向上、下随着工作面扩展(图 4c)。当工作面回采至距离钻窝30m(图 4d)，工作面靠近蓝色虚线圈定区域，该区域视电阻率显著升高； 此时绿色虚线圈定区域的视电阻率基本保持不变，分析判定底板破坏带发育至底板下砂岩层中部25m左右停止； 红色虚线圈定区域视电阻率值与图 4c相比保持稳定状态，未进一步向上方发展，认为研究区域内导水裂隙带发育至“五灰”底部32m左右； 黑色虚线圈定区域在顶底板均出现显著低阻区域，推断是由于工作面回采进度缓慢(约为1m·d-1)，受地应力作用在工作面后方的垮落岩体被压实同时底板有出水，导致工作面后方视电阻率变低。跨孔电阻率监测动态变化图可以清楚地显示孔间电阻率随采煤工作面逐步推进的动态变化情况，结合地质资料，可以确定顶板“五灰”没有完全被破坏，底板“十灰”受采动影响受到破坏，导水裂隙带发育至底板下砂岩层中部。

图 4 煤层顶底板四孔联合视电阻率剖面图(图中视电阻率取对数处理，单位： log10 Ohm·m)Fig. 4 Profile of apparent resistivity of four boreholes combination in coal seam roof and floor (the apparent resistivity in the figure is logarithmic， the unit is log10 Ohm·m)

图 5 工作面底板直流电法三维探测Fig. 5 3D detection of panel floor by DC method a. 底板三维探测电阻率反演结果图； b. 回采面电阻率反演剖面图

图 6 第42#电极自然电位曲线图Fig. 6 Self-potential curve of the 42nd electrode

图 7 顶底板不同位置电极自然电位曲线图Fig. 7 Self-potential curves of electrodes at different positions of coal seam roof and floor

图 8 自然电位时间—强度剖面图Fig. 8 Profile of self-potential time-intensity

为验证底板破坏电阻率监测的准确性，在电法监测数据采集前，在10月1日对监测钻孔所在工作面底板进行三维并行电法探测，在工作面选取回采面、机巷、风巷布置“U”形设计并行三维电法观测系统，相邻电极距是10m，对底板电阻率分布情况进行静态探测，如图 5所示。数据经三维电阻率反演后(图 5a)，提取回采面所在剖面进行分析(图 5b)。从剖面上明显看到底板破坏带深度在-40m标高左右，工作面底板标高-15m，破坏带深度在25m，与动态监测结果基本符合。

3 顶底板采动破坏自然电位动态响应特征

此次采用双模式电极进行自然电位数据的采集，可有效保证自然电位数据不受电极极化效应的影响。自然电位采样频率为0.1Hz。自然电位原始数据上的高频毛刺主要来源于现场采煤机、动力电缆等的电磁干扰。通过对原始信号进行去除奇异点、小波变换处理，去除现场高频噪声，取低频部分信号，得到工作面回采过程中自然电位的变化曲线(图 6)，自然电位的低频信号与原始信号总体走势基本吻合。分别选取顶板“五灰”中下部6#电极，“五灰”下砂岩中的13#电极，“十灰”下砂岩中的73#电极、75#电极进行分析(图 7)，整个回采过程自然电位的变化可分为3个阶段： 10月27日之前，工作面远离钻窝，围岩破坏范围并没有影响到监测区域，此时自然电位曲线产生波动，幅值在50mV以内； 当工作面进入测线监测区域，顶底板开始破裂，自然电位曲线开始波动加大(a， b，c点)，且底板破坏的时间略早于顶板，随着工作面不断回采，受地应力作用，原已产生的裂隙受挤压产生闭合，自然电位曲线下降(d， f，g点)，同时也产生新的裂隙(e， h点)，在此阶段曲线变化幅值较大在50～300mV以上； 11月29日以后，顶底板裂隙基本发育稳定，自然电位曲线亦恢复为平缓波动。

将各电极按相对顶、底板高度自上而下(纵轴=0处为煤层顶板)依回采时间(横轴)成自然电位时间剖面(图 8)，煤层是地层中电阻率极高的地质体，其顶板自然电位值明显高于底板自然电位值，此时基准电极位于工作面底板，表现为顶板以上电位值基本为正，底板以下电位基本为负。在工作面回采前期(10月27日，工作面距离钻窝55m以外)，此段时间内，顶板、底板自然电位保持一致略有波动，波动范围50mV左右； 监测范围内回采中后期，底板深部岩层破裂、压实导致自然电位升高、降低，其剧烈程度远大于浅层岩层断裂引起的自然电位变化，最终保持稳定，同样顶板高层位岩层断裂引起的自然电位变化远大于低层位断裂引起的自然电位变化，不同于底板，在监测中后期，顶板破裂受岩层控制，电位会分层升高。在整个回采过程自然电位呈波动变化，表征裂隙在整个回采过程中受垮落、压实，产生张合。

4 结 论

(1)基于并行电法监测技术，通过同时在煤层顶板及底板布设电法监测钻孔，获得了煤层围岩顶底板采动前后电阻率及自然电位同步响应特征。该方法可实现工作面推进过程中顶底板岩层破坏的动态监测，同时结合双模式并行电法的采集方式，在电阻率法剖面扫描间隔期间采集自然电位数据，通过对工作面围岩全空间地电场特征研究，最终可获得工作面顶板导水裂隙带及底板破坏带发育范围。

(2)根据未采动前煤层顶底板电性监测，得到顶底板岩性电性特征及标志性层位的视电阻率响应范围，此次研究区域“五灰”、“八灰”和“十灰”在钻孔附近均表现为高阻区域，其视电阻率范围100～120Ohm·m。随着工作面往前推进，煤层顶底板受采动影响发生破坏，且顶板垮落造成的电阻率变化程度大于底板破裂引起的电阻率变化程度； 煤层顶底板电阻率演化特征可有效指示破坏带发育区域。

(3)通过自然电位剖面可明显分辨出顶、底板岩层裂隙张合形态、以及剧烈程度。此次研究区域，顶板自然电位值明显高于底板自然电位值。顶板的破裂引起的自然电位变化明显大于底板破裂引起的自电位变化，在整个回采过程自然电位呈波动变化，表征裂隙在整个回采过程中受垮落、压实，产生张合。