工作面覆岩破坏参数动态监测系统

郑晓亮，郭立全

(1.安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001;2.安徽理工大学资源与环境工程学院，安徽淮南232001)

0 引言

煤矿覆岩破坏参数是矿井合理留设防水煤柱的科学依据，是保障矿井安全生产、提高煤炭资源回收率的前提。覆岩破坏参数受地质、水文地质、开采方式、工作面推进速度、采高、工作面宽度等许多因素的影响。而地质和水文地质条件是影响覆岩破坏的重要因素，由于不同矿区、不同井田的地质条件千差万别，甚至同一井田不同煤层、不同采区、不同水平其地质条件也存在着一定的差异，因此，矿井开采设计在防水煤柱留设时不能仅以临近矿区、临近井田的覆岩破坏参数为依据，必须以本井田大量的实际测量值为依据。长期以来，探测采后煤层顶、底板岩层破坏高度与深度的方法，主要采用钻孔冲洗液简易水文观测分析法和钻孔压、注水实验法。它们依据冲洗液消耗量和水压降的变化来判定导水裂缝带高度等参数。由于施工探测钻孔难度大、成本高，所获取数据、资料在精度上不同程度地受到施工人员技术、经验水平等方面的制约［1～4］。因此，特别需要采用更加先进科学的探测技术与方法为生产服务。利用电法CT成像技术与钻孔结合进行煤层覆岩破坏观测同传统的钻探方法相比，可查明探测区域内的地质形态，通过在时空域中的多次对比，来获取煤岩层在采前的赋存形态和采后的破坏形态，以及相关的其他地质信息资料。

1 系统结构

工作面覆岩破坏参数动态监测系统以电法并行采集技术为基础，分为井下采集系统和井上控制系统两部分。在监测区域由网络并行电法仪、置于孔中的电缆和电极、多路本安电源、组成井下并行电法采集分站，井下可以根据测量需要布置多个采集分站。地面控制系统由远程计算机终端和控制软件组成，地面控制系统与多个井下采集分站通过矿井以太网发送指令和传送数据，系统结构图如图1所示。

图1 动态监测系统结构图Fig 1 Structure diagram of dynamic monitoring system

2 网络并行电法仪

网络并行电法仪仍是采集测量电极M，N间电位差ΔUMN和供电电极A，B回路中电流强度IAB的仪器。但数据的采集和处理方式不同于传统的电法设备，一次供电可实现所有电极的自然场、一次场、二次场全电位差值和供电电流强度的同步并行高速采集。为了能实现电位差、电流强度同步采集和各电极间的并行采集，将并行网络电法仪设计成两级主从结构:主控模块和8个电压采集模块，结构如图2所示。

图2 网络并行电法仪结构图Fig 2 Structure diagram of network parallel electrical instrument

主控模块主要负责和远程终端进行联系，接收各种工作命令、进行数据传输、控制测量供电方式和采集供电回路电流值。电压采集模块(以下简称电压模块)负责采集电极间的电位差值。主控模块从远程终端接收到工作状态设定命令后，区分命令类型，并通过RS—485总线传输给各电压模块。状态设定完毕，开始一次数据采集，所有电极间电位差值和供电回路电流值同步采集。采集任务完成由主控模块呼叫远程终端，并等待接收新命令，确定是否将采集到的数据上传。所有模块的处理控制核心均由DSP和单片机组成。

3 网络并行电法仪数据采集方式

同所有的直流稳定电场电法勘探场源一样，网络并行电法仪采用的场源仍然是点电源电场(A，∞)和异性点电源电场(A，B)。但和常规电法和高密度电法不同的是网络并行电法仪采用了类似地震的阵列采集方式，测线上全部电极同时对电源产生的电场进行测量，最大限度地获取电位在空间上的分布，进行全电场观测。

网络并行电法仪中的每个电极都具有A供电、B供电、电位差采集3种工作状态，可根据测量需要在一次布极完成后自动设定各个电极的工作状态，从而选择不同的数据采集方式。设定时只需在布设电极中选定供电电极，其余电极都处于采集状态，进行实时同步数据采集。将高密度电阻率法中的温纳对称四极装置、温纳偶极装置、温纳微分装置、温纳三极装置简化为单极供电同步采集和偶极供电同步采集两种简单的测量方式，测量原理如图3所示。通过两种简单方式采集到的数据在进行解析时可通过相应的处理得出以往所有采集方式解析所需的数据序列。由于系统中每个电极都具有工作状态选择功能，可使系统在一次布极完成后，根据需要进行多种形式的测量，并可使所有在线电极进行循环供电采集数据而不需要改变系统硬件布置。

图3 测量方式原理图Fig 3 Principle diagram of measurement mode

采集数据时是对自然场、一次场、二次场的全过程数据进行采集，一次采集即可完成直流电阻率法、激电法的所有装置测量。为电法反演提供更加完善的基础数据。采集频率可由用户根据测量供电周期大小自行设定［5］。

4 探测钻孔布置

由于覆岩破坏过程是随着采掘工作的推进而动态发育的。动态监测技术与传统裂高观测技术最大的不同之处在于可以全程把握采动前、采动中和采动后岩层破坏发育规律。因此，监测系统具有布置早，观测周期长的特点。井下监测系统以顶板钻孔为基础，钻孔布置在风巷或机巷顶板中，可设计为仰孔。钻孔位置布置在工作面推进方向上，钻孔方位斜指向工作面内，钻孔倾角40°～60°，水平方位角0°～90°。孔深可根据本矿区最大经验裂高来设计，原则上要控制最大岩体破坏区为宜，钻孔电极布置如图4所示。

在钻孔施工完成后，根据探测的深度和精度要求确定电极数和极距，电极和电缆通过模具形成一体埋入至钻孔中并以水泥浆耦合。

根据某矿171301工作面探测任务与施工条件，布置2个监测孔，1#裂高孔布置在风巷，2#裂高孔布置在轨道顺槽出煤联巷，钻孔方位均指向工作面方向。

图4 钻孔电极布置示意图Fig 4 Layout diagram of bore and electrode

以1#号裂高孔为例进行说明，钻孔位置示意图见图5所示。1#探测孔为仰角孔，钻孔实际仰角为38°，与巷道之间夹角为5°，方位角320°，图6为钻孔地质剖面图。结合钻探资料，钻孔中共布置64个电极，电极间距为2.5 m，1号电极在上，64号在下，距孔口0.8 m。监测控制区域为13—1煤和钻孔所构成的三角形区域，控制平距延煤层走向距离为125 m，控制垂高为80 m。

图5 1#探测钻孔布置平面图Fig 5 Layout planar diagram of 1#monitoring bore

图6 1#探测孔地质剖面图(1∶1000∠320°)Fig 6 Geologic section diagram of 1#monitoring bore

5 1#裂高探测孔视电阻率剖面分析

1)岩层电阻率背景值分析

图7(a)为2010年5月12日孔中视电阻率剖面，工作面回采位置距孔口185 m，由于工作面位置距离较远，采动对上覆地层的影响尚未影响至监测区域内，故可将此次视电阻率剖面作为背景值进行比较。

2)岩层变形破坏分析

图7(b)为2010年6月18日孔中视电阻率监测剖面，该日工作面回采位置距孔口112 m，回采位置已进入监测区。剖面中在已回采的工作面顶板上方阻值明显升高，且高阻区分布范围较大。与背景电阻率值相比其局部电阻率值达背景值的3～5倍以上，表明工作面顶板煤岩体在应力集中作用下发生一定的破坏或位移，使得监测区视电阻率升高，因此，利用监测剖面中高阻明显变化的位置来确定顶板岩体破坏程度。

图7(c)为2010年6月30日孔中视电阻率监测剖面，距离孔口位置为46m。在离工作面较远的老空区顶板相比工作面正上方或前方阻值明显增高，表明后方顶板岩体发生破坏，岩体电阻率值升高;而工作面上方和前方岩体在人工支护下减缓了破坏进程，且受超前集中应力影响，存在周期压力等现象，视电阻率变化有时增高有时降低，处于一种不稳定的状态。

图7(d)为2010年7月8日测试电阻率剖面，工作面回采位置为8m，监测段已基本回采完毕，绝大部顶板岩层位于老空区上方。此时整个监测剖面主要为高电阻率值分布，且在剖面下部高阻区比较集中，表明在老空区形成一定步距后，应力集中破坏程度高，顶板近煤层岩体冒落，垮落带发育较充分，顶部岩体位移量较大，裂隙区进一步发育。

图7 1#探测孔视电阻率监测结果Fig 7 Surveillance results of resistivity in 1#monitoring bore

3)“两带”高度确定

根据覆岩“两带”电阻率值典型特征，结合区域基本地质条件，分析认为不同时期该煤层开采破坏后垮落带高度范围为19.5～21.6 m。该段岩层电阻率值整体较高，有的甚至达到几千欧姆·米，即超过背景电阻率值10倍以上，为典型的岩层破坏特征;导水裂缝带高度范围为65.0～67.0 m。该段岩层电阻率值变化不均匀，局部达到几千欧姆·米以上，且上下沟通特征明显，为破坏导通区。局部岩层电阻率值在1000Ω·m以下，其电阻率值显著增加但未表现出破坏特征;顶板岩层67 m以上段岩层电阻率值未见普遍的上升或下降，相对稳定，其为弯曲下沉带特点。参考6～7月份工作面回采实测剖面的采高为4.57～5.3 m，计算得出在1#监测孔范围内171301工作面回风巷的冒采比范围为3.8～4.3倍，裂采比范围为12.6～14.6倍。

6 结论

利用网络并行电法仪组建工作面覆岩破坏参数动态监测系统，替代传统覆岩参数检测方法，实时动态记录覆岩随采掘工作推进而被破坏的动态发育过程，为工程技术人员提供实时准确的数据，对矿井安全生产具有重要的指导意义，在防治水方面可用于计算工作面防水煤柱，在瓦斯治理方面可指导高抽巷布置、保护层开采预裂高度等［6］。

［1］刘盛东，吴荣新，张平松.高密度电阻率法观测煤层上覆岩破坏［J］.煤炭科学技术，2001，29(4):18-22.

［2］张平松，刘盛东，吴荣新.地震波CT技术探测煤层上覆岩层破坏规律［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(15):2510-2513.

［3］张平松，刘盛东，吴荣新.采煤面覆岩变形与破坏立体电法动态测试［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(9):1870-1875.

［4］Zhang Pingsong，Wu Jiansheng，Liu Shengdong.Testing with high density resistivity method in prevention and cure for mine water disaster and its applied effect［J］.Journal of Coal Science and Engineering，2007，13(2):165-169.

［5］郑晓亮，刘盛东.基于双处理器的并行采集网络电法仪设计［J］.煤炭科学技术，2008，36(4):85-88.

［6］国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京:煤炭工业出版社，2000.