并行電法評定煤層底板突水危險性及應用

劉向紅，于景邨，孫林華，桂和榮，高 鵬

(1.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.宿州學院 資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000；3.國家煤礦防治水工程技術研究中心，安徽 宿州 234000)

并行電法評定煤層底板突水危險性及應用

劉向紅1,2,3，于景邨1，孫林華2,3，桂和榮2,3，高 鵬2

(1.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.宿州學院 資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000；3.國家煤礦防治水工程技術研究中心，安徽 宿州 234000)

10煤是蘆嶺煤礦的主采煤層，深受灰?guī)r水和砂巖水的威脅.為保證安全、高效的開采，采用并行電法在不同的工作面測試，研究其視電阻率的分布規(guī)律，再結合鉆探資料、掘進編錄資料和10煤工作面底板突水系數(shù)等值線圖，立體總結了不同工作面灰?guī)r水和砂巖水的富水特征，視電阻率的分布規(guī)律為開采10煤的防治水工作提供了依據和保障.

并行電法；蘆嶺礦；底板水；突水事故

承壓含水層上煤層開采會導致底板突水，嚴重時會造成淹井事故.底板水的防治引起了國內外學者的普遍關注，蘇聯(lián)學者Bqpmcob及國內的煤炭科學研究總院北京開采所、中國礦業(yè)大學等科研院所采用平面應力模型對承壓水上煤層開采進行了模擬實驗，并分別得到了頂板應力分布、底板應力分布、煤層應力分布及變形特征[1].在理論研究方面，20世紀80年代以來，隨著我國煤礦底板突水事故的日趨嚴重，人們對采場底板突水機制的研究越來越重視，除一些現(xiàn)場工程技術人員不斷總結突水機制外，煤炭科學研究總院西安分院、中國礦業(yè)大學等機構都做了大量的研究，使人們對底板突水的認識取得了一些新的進展，涌現(xiàn)了“突水系數(shù)”“巖-水應力關系”“下三帶理論”“原位張裂與零位破壞理論”“板模型理論”“KS理論”等理論研究[2-3]，并初步形成了幾種有代表性的底板突水研究成果，在底板突水防治方面起到了重要的指導作用.隨著理論的發(fā)展，現(xiàn)場測試方法及手段也得到了迅速發(fā)展，礦井直流電阻率法、礦井瞬變電磁法、音頻電透視法[4-5]等技術日臻成熟.1976年,西安煤科院將礦井直流電法首次應用于王鳳礦底板防治水中，并取得了成功.隨后，直流電法因其應用范圍廣、受場地干擾小、數(shù)據可靠等優(yōu)點而被推廣，普遍用在掘進煤巖巷道地質預報、回采工作面“上三帶”“下三帶”破壞規(guī)律的動態(tài)監(jiān)測、工作面底板水探測及底板注漿效果評價等方面.特別是在工作面的底板水防治方面，直流電法較瞬變電磁等非接觸式方法更為有效.將直流電法應用在煤礦工作面的底板防治水當中，可提高底板突水水源預報及防治的時效性[6-9].

1 電法測試技術

1.1并行電法的采集技術

并行電法技術是由劉盛東、張平松、吳榮新等[10-13]提出的新的電法技術，已被廣泛應用于煤礦防治水及地面水資源探查等工程實踐.它采用多道(1～64或者更多)電極自助采樣，按照系統(tǒng)配置接受供電命令,電極便智能切換為供電電極(A或者B)，其他電極均為電壓數(shù)據采集狀態(tài)(M電極)，如此輪回規(guī)則跑極，實現(xiàn)高效采集數(shù)據的目的.現(xiàn)場測試中,數(shù)據采集可分為AM法和ABM法.AM法為單點電源供電的觀測系統(tǒng)，如圖1(a)所示，此種觀測系統(tǒng)與常規(guī)二極法無異，布置時采用2條無窮遠線，1條作為供電電極B極，1條作為公共N極，提供參照標準電位，當測線任意電極受命為供電電極時(A極)，其余電極同時在采集電位(M極).用AM法采集數(shù)據，可以進行二極、三極裝置的高密度電法反演和高分辨地電阻率法反演.ABM法采集數(shù)據所反映的是雙異性點電源電場情況，1對電流電極AB供電，1條無窮遠線作為公共N極，提供參照標準電位，整條測線的其他電極均采集電位值(M極)，圖1(b)為64個電極測線電位測量情況.對ABM法采集的電位、電流值，可以進行對稱四極、偶極裝置和微分裝置的高密度電法反演.

圖1 網絡并行電法系統(tǒng)采集電位變化圖Fig.1 Acquisition potential change of network parallel electrical system

1.2工作面底板巖層電阻率解釋

煤層通常為相對高電阻率地層，砂巖、泥巖等為低電阻率地層，煤層對底板范圍電流場有較強的排斥，電極布置煤層底板通常主要反映煤層相應底板范圍的電性分布情況，可用于探測相對富水區(qū)范圍.在以往的直流電阻率法探測的試驗中，未回采煤系中的泥巖、黏土等電阻率一般較小，多在一至幾十歐姆·米，砂巖電阻率較大，通常在幾十到幾千歐姆·米，煤層的電阻率較砂巖大，也在幾十到幾千歐姆·米.但是，巖石賦水會極大地影響其電阻率，造成電阻率大幅度降低，這也是用直流電阻率法探測工作面底板不同巖層富水特征的前提及依據[14].

2 現(xiàn)場工作方法

蘆嶺井田屬于淮北煤田的宿州煤田，10煤層是本礦主要的可采煤層之一.太原組灰?guī)r水是10煤層安全開采的主要突水水源.尤其是隨著工作面的接替，三水平工作面開采深度和水壓增加，而且富水性強弱分布不均，一旦發(fā)生突水，對工作面回采威脅極大.對10煤底太原組灰?guī)r水突水系數(shù)的計算結果表明，該井田10煤層底板標高-300 m以下突水系數(shù)值大多超過突水臨界值0.06 MPa.目前接替中，10煤工作面有Ⅱ1042上工作面及三水平的Ⅲ1013巖石工作面，底板均受灰?guī)r水威脅，地質、水文地質條件極為復雜，斷層、裂隙較發(fā)育，突水系數(shù)為0.06～0.10.因此，在工作面回采前，需要采用測試手段研究其底板巖層的富水特征，提前采取安全舉措，確?；夭苫蛳锏劳七M順利.

2.1測點布置及現(xiàn)場觀測系統(tǒng)構建

在Ⅱ1042上工作面風巷和機巷中沿底板走向布置測線(見圖2)，數(shù)據采集用AM法，每站數(shù)據測線上各供電電極與對面巷道對應B極形成地電場，從1號電極到64號電極，逐點供電掃描一遍，形成扇形射線區(qū)(見圖2)，其余電極同步測量各點的自然電場、一次場和二次場的電位變化情況，獲取大量的地電參數(shù)，實現(xiàn)對探測區(qū)域的多次覆蓋，大大提高了電法探測效率及精度.探測工作在長度范圍大時，每巷可布置多站測線，測線編號為巷道號-序號(即i-i).前站最后一個電極與下站第一個電極位置重疊，相應移動對面巷道所布置無窮遠供電極B(i-i)，再采集AM數(shù)據.數(shù)據反演時，統(tǒng)一編輯各站測線電極坐標，將三維電法采集各站電位及電流數(shù)據進行拼接，聯(lián)合進行三維電阻率層析成像反演[15-16].將雙巷間底板空間范圍剖分成三維網格，網格劃分寬度等于電極間距或電極間距的一半，再求解Jacobi矩陣，求取各網格電阻率值，從而得出工作面雙巷間底板三維電阻率的分布情況.再將三維數(shù)據體進行垂向剖面和水平切面提取，形成直觀的電阻率立體圖.Ⅲ1013巖石工作面在上巷道底板依次布置測站(見圖2)，采用ABM的采集方法觀測數(shù)據.

圖2 網絡并行三維電法現(xiàn)場布置Fig.2 Observation stystem of network parallel 3D electrical system

圖3 觀測系統(tǒng)布置圖Fig.3 Observation stystem of network parallel electrical system

2.2探測工作量

在Ⅱ1042上工作面，并行電法儀每站布置電極64個，電極間距為5.5 m，單站實際控制測線長度為346.5 m.上機巷及切眼探測2站，測站之間重合100 m，測線長約為590 m，上風巷及切眼探測2站, 測站之間重合100 m，測線長約590 m，共布置4站，共16 128個(4個采集站×64個供電點×63個測量點)物理點.在Ⅲ1013上底板抽放巷底板布置了電測深觀測系統(tǒng)3站半，并行電法儀每站布置電極64個，電極間距為5 m，單站實際控制測線長度為315 m，總測線長度約為1 100 m，共14 112個(3.5個采集站×64個供電點×63個測量點)物理點.

圖4 Ⅱ1042工作面底板不同深度的切片F(xiàn)ig.4 Slice of different depth of Ⅱ1042 working face floor

3 測試效果分析

3.110煤底板巖層分布

山西組下部隔水層為10煤至K1之間.該層段巖性以泥巖粉砂巖為主，夾1～2層砂巖，部分鉆孔見有砂泥巖互層及海相泥巖，巖性致密，厚度較大.上部為細砂巖、粉砂巖、砂質泥巖互層的巖石，中下部以黑色泥巖為主，總厚度為55～65 m.該層隔水性能良好，在一般情況下，開采10煤時，此層段能起到隔水作用，但在局部地帶，由于受斷層影響，導致間距縮短甚至10煤與灰?guī)r“對口”接觸，有可能造成“底鼓”或斷層突水.因此，在結果圖中,砂巖層、灰?guī)r層的富水情況及隱伏斷層或者其他導水裂隙均是重點解釋的目標.

3.210煤底板砂巖層富水特征分析

圖4是Ⅱ1042工作面探測的結果示意圖.根據采區(qū)的柱狀分層特點根據反演結果制作了5張不同深度的垂直切片.以下巷與切眼的相交處為坐標原點，規(guī)定切眼朝上巷延伸的方向為Y軸的正方向，切眼沿下巷延伸的方向為X軸正方向，建立坐標系，整個坐標系圍成的坐標平面代表整個Ⅱ1042工作面的底板.分析的深度為工作面底板以下20～80 m，右側為根據采區(qū)的鉆孔推測的地層巖性柱狀.資料顯示底板以下至65 m內均為砂巖，65 m以下至探測范圍內為太原組灰?guī)r部分.圖4以不同的灰度代表砂巖和灰?guī)r巖層電阻率的變化情況，可以分析出在工作面底板以下的砂巖部分顏色變化明顯.剔除巖性變化的多解可能，推測為砂巖部分富水特征凸顯，特別是切眼沿下巷延伸方向的120～160 m處，下巷朝工作面延伸35 m內為低阻異常區(qū)，在沿下巷280～520 m朝工作面延伸乃至貫穿整個底板，低阻異常區(qū)分布明顯，阻值在0～20 Ω·m.從切片結果分析，該兩處異常區(qū)隨深度范圍逐漸縮小，乃至消失.結合收集資料，推斷為Ⅱ1042工作面底板的淺層砂巖裂隙水賦存明顯，含水量隨深度的增加逐漸降低.從切片的結果看，斷裂等構造不發(fā)育.

圖5至圖8是Ⅲ1013巖石工作面上底板抽放巷的探測結果.一至三站的測線長度為315 m，第四站只有半站，探測長度為155 m.從圖5至圖8電阻率反演的結果來看，電阻率剖面成層性較好，砂巖、泥巖夾層、灰?guī)r結果對應明顯(如圖中右側柱狀).對比分析可知，20～65 Ω·m為砂巖層的響應，65～80 Ω·m為泥巖夾層的響應，砂巖局部低阻特征明顯，斷裂構造較發(fā)育(如圖中的斜線表示).值得注意的是,裂隙與灰?guī)r含水層的導通易造成底板突水事故.

圖5 第一站電法電阻率反演結果Fig.5 Resistivity inversion results of the first station

圖6 第二站電法電阻率反演結果Fig.6 Resistivity inversion results of the second station

圖7 第三站電阻率反演結果Fig.7 Resistivity inversion results of the third station

圖8 第四站電阻率反演結果Fig.8 Resistivity inversion results of the fourth station

圖9為Ⅲ1013巖石工作面上底板抽放巷整體電阻率反演的結果，聯(lián)合反演結果及水文地質資料可推斷巷道底板的砂巖水局部賦存，裂隙和斷層較為發(fā)育.

圖9 整體聯(lián)合反演結果Fig.9 Integrated inversion results

3.310煤底板灰?guī)r層富水特征分析

采區(qū)的柱狀顯示，10煤直接底板平均在65 m以下的是灰?guī)r地層.綜合分析Ⅱ1042工作面與Ⅲ1013巖石工作面上底板抽放巷的探測結果得知，Ⅱ1042工作面底板灰?guī)r的低阻異常區(qū)較少，推測為富水情況不明顯.結合10煤底板灰?guī)r水突水系數(shù)等值線圖分析(突水系數(shù)在0.06附近)，Ⅱ1042的底板灰?guī)r水對工作面回采的威脅較小.

從圖9分析得知，Ⅲ1013巖石工作面的灰?guī)r水富水特征明顯，底板砂巖層的裂隙及斷層較為發(fā)育，部分裂隙存在直接與灰?guī)r含水層導通的可能，底板灰?guī)r水突水系數(shù)較高，在0.10附近.因此，該段的灰?guī)r水是重點防治的對象，在回采前應重點選取靶區(qū)疏放降壓，以保障回采的安全.

4 結語

10煤工作面底板距離太原組灰?guī)r較近，底板突水系數(shù)較大，斷層發(fā)育，水文地質條件復雜.工作面回采，采動和水壓破壞會加劇底板隔水層的破壞，誘導通道形成，造成突水事故.在回采前，結合底板防治水理論和采區(qū)地層巖性柱狀，運用電法測試技術，分析得出：

(1)Ⅱ1042工作面底板局部砂巖富水，灰?guī)r層富水能力不強且隱伏斷層等構造不發(fā)育，水文地質條件相對簡單.

(2)Ⅲ1013巖石工作面上底板抽放巷砂巖層局部富水，灰?guī)r層含水豐富，而且斷層、裂隙等構造發(fā)育，有導通砂巖與灰?guī)r層的危險.

(3)分區(qū)分段分析10煤底板的隔水層(砂巖層及泥巖互層)和含水層(灰?guī)r層)的電阻率及富水特征，界定異常區(qū)的立體位置及范圍，定性斷層及裂隙的形態(tài)，為工作面底板水的疏放降壓、注漿加固或者改造底板隔水層，以及為礦方的回采提供合理建議及開采參數(shù)，結合水文地質條件分區(qū)分段處理，保障回采的安全.

10煤工作面的底板水探測試驗表明，回采前，電法技術對底板巖層富水特征及異常區(qū)的圈定具有指導意義，可滿足生產需求，具有推廣價值.

[1] 蔣金泉,宋振騏.回采工作面底板活動及其對突水的影響的研究[J].山東礦業(yè)學院報(自然科學版)，1987，4(8):61-65.

[2] 黎良杰,錢鳴高.底板巖體結構穩(wěn)定性與底板突水關系的研究[J].中國礦業(yè)大學學報(自然科學版)，1995，24(4):18-23.

[3] 高延法,李白英.受奧灰承壓水威脅煤層采場底扳變形破壞規(guī)律研究[J].煤炭學報,1992,17(2):32-39.

[4] 岳建華，劉樹才，劉志新，等.巷道直流電測深在探測陷落柱中的應用[J].中國礦業(yè)大學學報(自然科學版)，2003，32(5)：479-481.

[5] 張乃宏，李定鵬.礦井電法探測突水陷落柱在任樓煤礦的應用[J].煤田地質與勘探，2003，31(6)：56-57.

[6] 成學光，高鵬飛.瞬變電磁法在煤礦水文地質勘查中的應用[J].煤炭技術，2011，30(7)：124-126.

[7] 馬兆峰.礦井瞬變電磁法在勘探陷落柱富水性中的應用[J].煤，2010，19(2)：21-23.

[9] 王永勝，曾方祿，張福平，等.礦井音頻電透視在任樓煤礦的應用[J].煤田地質與勘探，1999，27(4)：59-61.

[10]劉盛東，張平松.分布式并行智能電極電位差信號采集方法:zl200410014020.0[P].2006-07-26.

[11]吳榮新，劉盛東，周官群.高分辨地電阻率法探測煤礦地質異常體[J].煤炭科學技術，2007，35(7)：33-38.

[12]吳榮新，張平松，劉盛東.雙巷網絡并行電法探測工作面內薄煤區(qū)范圍[J].巖石力學與工程學報，2009，28(9):1834-1838.

[13]吳榮新，劉盛東，張平松.雙巷并行三維電法探測煤層工作面底板富水區(qū)[J].煤炭學報，2010，35(3):454-457.

[14]劉盛東，張平松，吳榮新，等.高密度電阻率法觀測煤層上覆巖層破壞[J].煤炭科學技術，2001,29(4)：18-23.

[15]吳小平，汪彤彤.電阻率三維反演方法研究進展[J].地球物理學進展，2002，17(2)：156-162.

[16]吳小平，汪彤彤.利用共軛梯度算法的電阻率三維有限元正演[J].地球物理學報，2003，46(3)：428-432.

Usingparallelelectricaltechnologytoevaluatethehazardofwaterincoalfloor

LIUXianghong1,2,3,YUJingcun1,SUNLinhua2,3,GUIHerong2,3,GAOPeng2

(1.SchoolofResourcesandGeosciences,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China; 2.SchoolofResourcesandCivilEngineeringofSuzhouUniversity,Suzhou234000,China; 3.NationalEngineeringResearchCenterofCoalMineWaterHazardControlling,Suzhou234000,China)

The No.10 coal is the main coal mining coal seam, which is threatened by limestone and sandstone water. In order to ensure the safe and efficient mining, the distribution of resistivity was studied by using the parallel electrical technology in different working faces. Based on the drilling data, logging data and water inrush coefficient contour map of No.10 coal's floor, limestone and sand stone water rich characteristics were summarized in different working faces, providing the basis and guarantee for the prevention and control of water work.

parallel electrical technology； coal mine of Luling； water in floor； water inrush accident

P631.32

A

1674-330X(2017)03-0019-05

2017-02-26

宿州學院教研項目(SZXYjyxm301305)；宿州學院校級優(yōu)秀學術骨干項目(2016XJGG08)；宿州學院校級質量工程項目(SZXY2015SZX02)；宿州學院校級平臺項目(2015YKF10)；宿州學院青年人才支持計劃重點項目(2016XQKL007)

劉向紅(1981-)，男，河南項城人，講師，博士研究生，主要從事地質工程與地質資源方面的研究.