并行电法探测煤层顶板“两带”发育高度

曹始友，董方营，成文举，谢瑞斌，石鹏程

(1.枣庄矿业(集团)有限责任公司，山东 枣庄 277599； 2.山东科技大学 地球科学与工程学院 山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东 青岛 266590； 3.枣庄矿业集团高庄煤业有限公司，山东 济宁 277600)

煤层开采使覆岩内部应力重新分布，导致岩层变形与破裂，若裂隙贯通顶板含水层，可能引发顶板突水事故[1]。因此，需要采取有效方法监测煤层开采过程中顶板“垮落带”和“导水断裂带”(简称“两带”)发育高度，指导煤矿防隔水煤柱和防砂煤柱留设[2]。国内目前对覆岩破坏的研究主要有理论计算、物理模拟、数值模拟和现场实测等基本方法[3-8]。然而，覆岩变形与破裂不仅受采厚、采深、工作面宽度、断层和裂隙发育等因素的影响[9]，还与工作面推进情况密切相关，是一个动态发育的过程[10]。因此，必须连续观测覆岩的物性特征变化才能掌握各阶段岩层的破坏情况。

岩层破裂后电阻率变化较明显，因此探测煤层开采过程中覆岩电阻率变化特征，是实现对顶板岩层变形与破坏动态监测的可靠手段之一[11-12]。钻孔“并行电法”是在高密度电法勘探基础之上发展起来的一种现场实测新技术，属于直流电阻率法[13]。该方法具备集电测深和电剖面法于一体的多装置、多极距高密度组合功能，具有多次覆盖叠加的优势，以及施工简单、采集效率高、成本低、判定结果准确及动态效应强等特点；采集的数据可以进行二维和三维电阻率成像解释[14-16]。可以探测工作面顶、底板平面上的低阻含水构造和垂向上不同深度地质构造的分布等，在煤矿开采岩层破坏探测工作中能够取得较好的效果[16-18]。

采用“并行电法”技术对高庄煤矿3上303工作面进行现场监测。将采集的数据分别进行孔内视电阻率反演、直流电法超前探测和电极电流比值反演解译；分析顶板采动变形破坏过程中地球物理参数变化，确定煤层顶板“垮落带”和“导水断裂带”发育高度，并分析其发育规律。结合煤矿水文地质资料，利用“三下”开采规范中的经验公式计算“两带”发育高度并与探测结果相比较。多方法相互验证旨在精确查明矿区3上煤层顶板“两带”发育高度及其动态变化规律，为顶板水害防治提供科学依据。

1 研究区概况

高庄煤矿隶属于滕州矿区，位于山东省济宁市微山县境内，目前主采3上煤层。3上303工作面南距程圆村约142 m，西距湖东大堤约202 m，东距卓庙村约43 m。煤系地层属二叠系山西组(P1s)，周边钻孔及巷道揭露表明：3上煤层基本顶为粉砂岩、细砂岩互层，平均厚度69.2 m；直接顶为泥岩，平均厚度2.1 m。煤层厚度为4.58～6.54 m，平均厚度5.3 m，埋深470 m左右，赋存稳定，煤岩层倾角为6°～10°，研究区地层综合柱状图见图1。工作面内构造复杂，东部靠近刘仙庄断层，采掘过程中可能揭露次生断层。工作面开采的直接充水水源为顶板砂岩水，间接充水水源为上部侏罗系裂隙水和第四系松散层水。正常地段富水性弱，补给条件较差，但受构造影响地段裂隙较发育，顶板砂岩层富水性相对增强。采掘过程中顶板岩层变形与破坏可能导通含水层，导致顶板砂岩水、构造裂隙水等进入工作面，威胁煤矿安全开采。

图1 地层综合柱状图

研究区周边煤矿工作面开采实测垮采比、裂采比情况如下：三河口煤矿3下2315工作面垮采比为3.1，裂采比为14.1；付村煤矿3上401工作面裂采比为10.85，3上1003工作面裂采比为13.25；蒋庄煤矿3上603工作面裂采比为12.6。

2 研究方法及物探设计

2.1 研究方法

研究区内沉积序列清晰，地层相对稳定，在横纵方向上都有固定变化规律的地、电特性。然而，煤层开采过程中，覆岩破坏导致裂隙大量发育时会打破地层原有的电性规律，此时富水区范围和煤层变薄区也与正常煤层间存在电性差异，这为并行电法探测技术的实施提供了良好的地球物理前提。

在充分分析煤矿地层条件、岩石物理性质、水文地质条件的基础上，对3上303工作面进行并行电法监测。借助煤层顶板钻孔构建孔内并行电法监测系统，根据工作面不同回采进度条件下煤层顶板岩层电阻率的响应特征，开展连续电法监测，分析其电流、电阻率数据，掌握“两带”动态发育规律，最终确定顶板裂隙发育的最大高度，为工作面安全开采提供依据。研究技术路线见图2。

图2 研究技术路线框图

2.2 物探设计

测区钻孔布置示意图见图3。顶板钻孔布置于3上303运输巷，开切眼向外150 m处。钻孔与运输巷夹角10°、仰角45°、孔深113 m，朝向工作面内，控制垂高80 m，控制平距78.9 m。实际施工的钻孔观测系统及地质剖面见图4，左侧岩性参照3上煤层矿井综合水文地质柱状图。以煤层顶板孔口位置为坐标零点，垂直向顶板上方为y轴正方向，代表探测区域距离煤层顶板的垂直高度；沿钻孔测线在煤层顶板投影指向开切眼方向为x轴正方向，代表观测时间对应回采工作面距离孔口的位置。观测孔内共安装43个电极，电极间距1.5 m，孔顶为1号电极，无穷远B极布置在巷道外口[19]。

图3 钻孔布置示意图

图4 钻孔观测系统及其地质剖面图

3 物探结果与分析

3.1 数据采集

首先将孔内电极按设计顺序连接好，然后布置无穷远极(B极与N极)作为电位参照点，A极为供电极，M极为测量极。2020年3月31日进行首次电阻率值采集，将其作为孔内电法系统的岩层电阻率背景值，为后续探测剖面对比提供基础。此时回采工作面距离孔口137.7 m，当日开始“两带”观测孔动态监测；截至6月2日采集完最后一组数据，此时工作面回采到距孔口6.9 m处，之后孔内电法测线被完全破坏。此次孔内测线设备安装满足要求，现场共采集有效电法数据14组。采集数据与工作面位置关系见表1。对回采位置与测试时间进行统计，并与回采进度数据相结合，可进一步分析采动超前压力等基本特征。

表1 电法数据采集与工作面位置关系

3.2 孔内视电阻率反演结果

孔内视电阻率反演与直流电法超前探测电阻率见图5(蓝色基调代表低电阻率值，红色基调代表高电阻率值；红色线框为视电阻率反演结果，黄色线框为直流电法超前探测结果)。

(a)3月31日，回采工作面距离孔口137.7 m

(b)4月17日，回采工作面距离孔口83.6 m

(c)4月22日，回采工作面距离孔口77.9 m

(d)4月28日，回采工作面距离孔口68.1 m

(e)5月7日，回采工作面距离孔口57.0 m

(f)5月18日，回采工作面距离孔口39.8 m

(g)5月29日，回采工作面距离孔口16.2 m

(h)6月2日，回采工作面距离孔口6.9 m

图5(a)为探测电阻率背景值图。此时回采工作面距孔口137.7 m，钻孔之间岩层电阻率值在60 Ω·m以下，反映了正常砂岩(40～60 Ω·m)、泥岩(10～40 Ω·m)的电阻率值[11]。

从图5(b)～(d)可看出距孔口83.6～68.1 m时观测电阻率结果，较好地显示了顶板岩层受采动应力超前影响，部分区域电阻率值由低到高的变化过程。回采工作面距孔口83.6 m时，孔内观测区域视电阻率值与背景值相比有一定变化，在水平方向35 m处电阻率值开始升高，位于顶板细砂岩层位，表明该区域已经受采动应力超前影响，最大超前影响距离达48.6 m；距孔口68.1 m时，受采动应力超前影响区域电阻率值和范围继续变大，水平方向30 m处电阻率值也开始升高，主要位于顶板细砂岩层位，表明裂隙继续发育，超前影响距离为38.1 m。

从图5(e)～(f)可看出距孔口57.0～39.8 m时观测电阻率结果，随着工作面回采的推进，观测剖面中高阻区范围和电阻率值逐渐增大，表明受采动影响煤层顶板岩体开始逐渐被破坏，垮落带开始发育。测线下部高阻区变得不均匀，说明受应力作用岩体结构破坏的同时水文地质条件也发生了变化，这些变化因素叠加在一起，形成电阻率综合变化效果。

从图5(g)可看出距孔口16.2 m时观测电阻率结果，采动应力影响越来越大，顶板上方及前方岩体裂隙继续发育，裂隙相互连通，形成垮落带。采空区上方部分区域电阻率值升高到150 Ω·m以上，观测范围内出现电阻率分带现象，通过对比“两带”发育特征勾勒出垮落带发育位置曲线，确定垮落带发育最大高度为20 m。

从图5(h)可看出距孔口6.9 m时观测电阻率结果，此时观测段已基本回采完毕，绝大部分顶板岩层位于采空区上方，此时整个观测剖面主要呈高电阻率值分布且有明显的分带现象。在剖面下部高阻区比较集中，表明在采空区形成一定步距后，应力集中破坏程度较高，顶板近煤层岩体垮落，垮落带发育充分，顶部岩体位移量较大，裂隙区进一步发育。

3.3 直流电法超前探测结果

图5中黄色线框内为直流电法超前探测电阻率图。从图5(b)～(c)可看出距孔口83.6～77.9 m时直流电法超前探测电阻率结果，该时间段内由于回采工作面没有进入测线探测区域，视电阻率剖面整体有波动变化，但图像特征基本一致，各层位特征仍反映正常岩层层位的电阻率值。

从图5(d)～(e)可看出距孔口68.1～57.0 m时直流电法超前探测电阻率结果，随着工作面回采的推进，明显观测到弯曲下沉现象出现于钙质含砾黏土层位，视电阻率值明显上升，推测该高度出现真空离层，煤层顶板上方岩体开始逐渐被破坏。

从图5(f)～(h)可看出距孔口39.8～6.9 m时直流电流超前探测电阻率结果，在距孔口39.8 m时观测到54 m范围内视电阻率值开始升高，推断为导水断裂带发育位置。随着工作面向前推进，采动应力影响越来越大，顶板上方及前方岩体裂隙继续发育，观测范围内煤层顶板上方钙质含砾黏土层位出现电阻率分带现象。直到工作面开采至距孔口6.9 m时，该范围一直呈现高电阻率值，但高度不再向上发育。通过对比“两带”发育特征勾勒出导水断裂带发育曲线，确定导水断裂带发育最大高度为54 m。

3.4 电极电流比值反演结果

电极电流强度变化趋势相对稳定且与工作面推进关系密切，因此可以采用电极电流数据进行反演。以距孔口137.7 m时电极电流值作为标准值，以工作面推进过程中的探测值与标准值之比作为研究参数。当工作面距孔口较远时，岩层电阻率值总体较低，孔内电极电流值较高；岩层受采动影响后裂隙发育，电极电流值逐渐变小。

电极电流比值与回采距离动态变化关系如图6所示(所有电流比值结果图像均采用统一图标，蓝色为较低电流比值区，红黄色为较高电流比值区)。

图6 电极电流比值与回采距离动态变化图

由图6可见，当工作面推进至距孔口约85 m时，垂高14 m位置电极电流比值略有降低，可能是受到采动超前应力的影响所致。当工作面回采至距孔口55 m时，在垂高9～11、24～28、32～43 m内电极电流比值均有所降低，说明受采动影响裂隙发育也较为普遍；随着工作面回采的推进，测线控制范围内岩体受采动影响裂隙发育范围逐渐增大，电极电流比值降低范围也增大，比值降低至0.5左右。当工作面回采至距孔口43.0～6.9 m时，整个电极系统电流比值几乎都显著降低，部分区域降至0.2左右。煤层顶板垂高18 m以下部分，在采空区上方表现为连续低电流比值，即垮落带的范围。

4 顶板“两带”发育规律综合分析

4.1 电法探测“两带”结果

煤层开采后顶板岩体结构受应力作用视电阻率值不断升高，且随着工作面向孔口推进，高阻区也逐渐向孔口移动。根据3上303工作面运输巷布置的观测孔，并行电法探测垮落带高度和导水断裂带高度见表2。

表2 “两带”高度对比

由表2可见，电阻率反演和钻孔电流比值成像结果基本一致，确定垮落带高度为20 m，位于中砂岩和泥岩层位；导水断裂带高度为54 m，位于钙质含砾黏土层位。孔内探测与直流电法超前探测结果见图7。根据回采剖面图，工作面平均采高为5.3 m，因此垮采比为3.7，裂采比为10.2。

图7 孔内视电阻率法与直流电法超前探测结果

4.2 “两带”高度对比

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》要求，中厚煤层、中硬型顶板的“两带”发育高度计算公式如下[20]：

(1)

(2)

(3)

式中：M为煤层开采厚度，m；Hli为导水断裂带高度，m；HR为垮落带高度，m。

计算得到垮落带高度为14.2 m，导水断裂带高度为56.0 m。

对比周边三河口煤矿、付村煤矿、蒋庄煤矿3煤层垮采比和裂采比，结果相近。说明本次探测结果较为准确，对“两带”发育高度探测的研究真实可靠。

5 结论

采用并行电法对高庄煤矿3上303工作面煤层顶板垮落带、导水断裂带即“两带”发育情况进行动态监测，得到了工作面回采过程中煤层顶板岩层变形与破坏的全程特征，主要结论如下：

1)覆岩破坏动态监测采用孔内视电阻率法、直流电法超前探测和电极电流比值等方法相结合，探测反演结果相互验证，结果更加可靠。有效解决了通过地面地质探查钻孔过第四系松散层时探测成孔难、成本高、钻孔无效段多等问题。

2)探测结果表明，工作面煤层顶板垮落带高度为20 m，垮采比为3.7，位于中砂岩和泥岩层位；导水断裂带发育高度为54 m，裂采比为10.2，位于钙质含砾黏土层位。探测结果与“三下”开采规范经验公式计算结果基本一致。

3)孔内视电阻率法反演结果表明，采动应力超前影响距在工作面距孔口83.6 m时最大，为48.6 m，之后采动应力超前影响区域的电阻率值和范围继续变大，但高度不再增加。

4)该探测方法不仅为研究区煤层顶板“两带”高度确定提供了有效方法，而且对相似条件下煤矿开采覆岩破坏特征研究具有一定的参考价值。