地电场监测在预防祁东煤矿7130工作面顶板突水中的应用

孙长礼，王经明

(1.华北科技学院 研究生处，北京 东燕郊 101601；2.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

地电场监测在预防祁东煤矿7130工作面顶板突水中的应用

孙长礼1，王经明2

(1.华北科技学院 研究生处，北京 东燕郊 101601；2.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

水源为“四含”的顶板水是祁东煤矿7130工作面安全生产的最大危险源。煤矿开采会形成顶板岩层破裂带，其电性会发生显著的变化，通过监测电阻、激励电流和自然电位的的变化，发现其与顶板出水水量和老塘水涌水量之间存在一定的对应关系。通过祁东煤矿地电场监测试验表明，顶板水害是可以超前预测的，其中自然电位的超前预警量最高达25天，最低为5天，激励电流的超前预警量最高达26天，最低为2天。这种预测方法对其他受顶板水害威胁的煤矿预防顶板水害具有借鉴作用。

顶板水害；水文地质效应；电性效应；水害预警

0 引言

顶板水害是威胁祁东煤矿安全生产最大的危险源，2009年祁东煤矿第Ⅱ块段发生顶板涌水压架现象，5月3日工作面推进到150 m时工作面异常来压，随机发生了水量达91 m3/h，水源 “四含”的突水，又于6月7日和6月29日又分别出现了两次顶板异常来压，并发生水量为260 m3/h和850 m3/h突水，给生产安全造成了很大威胁。

在祁东煤矿7130工作面所做的地电场监测表明，自然电位的超前预警最高可达10天，激励电流的最低超前预警量也有两天，这对本矿的顶板水害预防具有很大的现实意义，对其他条件类似煤矿的顶板水害预警也有很大的借鉴意义。

对于煤矿顶板水害，很多学者进行了研究[1-3]，包括导水裂隙带的形成规律[4-5]，顶板离层水的成因和顶板水害的预防措施[6-7]。而对顶板水害的前兆、成因以及预警技术的研究尚少，因此开展顶板水害预警指标及其预警技术研究也具有很大的理论意义。

1 顶板水地电场监测原理

在煤层开采过程中，采空区顶板岩层因垮落将形成“三带”[8]和超前破裂带[9]。由于破碎的岩层具有很强的导水能力，因此岩层的电性也会发生显著变化。通过开采前的电法背景测试，可得到顶板未破坏时的电阻率图像；在开采期间的连续监测，可得到顶板电阻率的连续变化图像。通过不同阶段的电阻率变化情况，可分析顶板破坏规律。若破坏带内不含水，则破坏带的电阻率值会升高，升高的幅度越大，则破坏越严重；若电阻率值没有明显变化区域，即为未破坏区；若破坏带内充水，则该破坏带内的电阻率值会明显降低。通过地电场异常(自然电位、激励电流等)，必然反演地下水的渗流过程，从而达到对于顶板水害的预警。

2 祁东煤矿7130工作面地电场监测

2.1 祁东煤矿7130工作面概况

祁东煤矿位于淮北煤田宿南盆地，属于隐伏式矿区。上覆冲积层厚度388.1～441 m，共有四个含水层，其中底含对矿井生产具有威胁。基岩含水层有煤层顶板含水层，底板太灰含水层和奥陶系灰岩含水层。太灰含水层和冲积层底含的水位动态变化一致，水力联系明显。煤层顶板砂岩含水层对生产有直接影响。7130工作面位于井田东翼一水平三采区，风巷靠近“四含”防水煤柱。

工作面起止标高-375～-417 m，平均走向长1663 m，倾向宽89～152 m，如图1所示。工作面倾向355°～35°,倾角11°～14°, 煤层产状变化较大，煤层最大厚度为4.1 m，最小煤厚2.9 m，平均厚度3.41 m，综合评定为稳定煤层。

图1 7130工作面布置与工程概况图

2.2 工作面监测系统的布置情况

在工作面设立了2监测站，风巷Ⅱ段设立1站、Ⅲ段设立1站。监测系统布置示意图见图2所示。7130工作面沿推进方向共分为3个块段，其中第Ⅰ块段为F7断层以东区域，其四含赋水性最弱，预计其最大涌水量约9 m3/h；第Ⅱ块段为F7断层以西至第29线之间，其四含赋水性相对较强，预计其最大涌水量约51 m3/h。第Ⅲ块段为第29线至27～28线之间，其四含含水层赋水性强，采用大井法预计，当导水裂隙带直接波及四含时，其最大涌水量约253 m3/h。工作面现场探测钻孔布置示意图如图3所示。

2.3 块段Ⅰ监测结果

7130工作面Ⅰ块段顶板裂带的电阻率分布如图4所示，随着工作面的推进，电阻率变化以高阻区域(≥500 Ω·m)变化为主，并未出现相对较低阻区域。从高阻区域发展变化情况来看，距工作面25 m处电阻高达10000 Ω·m以上，距工作面35 m之后电阻逐渐下降，最低仅有40 Ω·m左右，到10月27号，电阻已经和25 m处几乎没有差别，然后电阻稍微下降，但总体处于高阻状态，最后形成大片高阻区域。同时钻孔中电极的激励电流也没有出现显著的变化，表明在钻孔控制区域中并未有渗流水经过。因此电阻的变化是由于开采造成覆岩破坏，形成大量裂隙，造成电阻的升高。

图2 7130工作面巷道钻孔地电场监测系统布置与原理示意图

图3 7130工作面现场探测钻孔布置示意图

7130工作面Ⅰ顶板“四含”厚度较薄(0～7.92 m)，而且岩性为砂及粘土质砂，颗粒细，而且在回采过程中未出现工作面出水现象。因此在第Ⅰ块段中布置的各个地球物理场的探测结果为开采破坏引起的覆岩破坏的响应。

2.4 7130工作面Ⅱ块段地电场监测情况

2.4.1 激励电流与出水量相关变化关系

激励电流与出水量相关变化关系如图5所示。激励电流在出现升高趋势以后，工作面出水量在随后的2～3天(约超前12～18 m)以内增加，激励电流减小时候，工作面出水量也略有减少。因为钻孔电极布置在工作面顶板上，当顶板水经过钻孔电极时候，钻孔电极的激励电流增加，但此时顶板渗流水尚未进入工作面，因此在未来的2～3天内工作面水量会出现较大的增幅。激励电流超前预测信息表如表1所示。

图4 7130工作面Ⅰ块段裂高探测电阻率分布图

图5 7130工作面Ⅱ块段激励电流相关出水量图

激励电流峰值时间出水量峰值时间超前预警天数2009-6-52009-6-722009-6-62009-6-1042009-6-72009-6-1142009-6-82009-6-1242009-6-132009-6-163

2.4.2 自然电位与老塘涌水量的关系

自然电位与老塘涌水量的关系如图6所示。当自然电位出现升高趋势，在随后的几天中工作面出水量增加；自然电位降低，工作面出水量有所减小。这表明自然电位能够超前预测老塘涌水量的变化，当自然电位升高时，要警惕是否会发生老塘涌水，可以提前探水以保证煤矿安全生产。通过对Ⅱ块段钻场监测的两种渗流场地球物理参数的判断分析，激励电流的变化敏感强度较大，激励电流的分布曲线提前预测出了老塘水量的变化趋势；综合分析自然电位的变化可能代表了未来7～8天(约40～45 m)内的出水量的变化。预测信息表如表2所示。

2.5 7130工作面Ⅲ块段渗流地电场监测

由于7130工作面Ⅲ阶段的监测钻场位于开切眼后方230多米处，远远超出监测钻孔的有效控制范围，因此在巷道中补充布置了电极，尝试进行超前监测控制距离的监测、预测预报。在监测、预报时间段中，超前监控的范围中并未出现较大的保持一定形态的低阻区域，大都为局部低阻区域分化演变，此刻的工作面出水量表现特征比较稳定。

图6 自然电位与老塘涌水量对应变化关系

本块段的自然电位和激励电流的超前变化情况是通过联系附近的四含水位观测孔的水位升降情况和自然电位、激励电流的变化情况对工作面水量进行初步定量预测分析。

监测结果如图7所示，自然电位和涌水量不同步但一致的变化关系，第一期变化，即8月4日至8月12日自然电位连续8日上升，上升率为Sv=3.99 mV/h，导致8月29日至9月1日顶板涌水量Q=53 m3/h的大幅提高。

图7 7130工作面Ⅲ阶段顶板水监测钻场自然电位与水量相关结果

预测信息表如表3所示。从表3可以看出，自然电位峰值时间和激励电流峰值时间仅仅有一天的时间间隔，两者的超前预报天数都很长，长达20多天。表3显示的规律与图7相一致。

表3 7130工作面Ⅲ块段自然电位电流

3 结论

对安徽祁东煤矿煤层顶板水害形成的前兆的地电场监测和前兆的成因研究得出如下结论：

(1) 激励电流的变化预示着顶板涌水量的变化，超前量约2～3日(12～18 m)，激励电流变大预示着顶板涌水量变大，反之亦然。因此激励电流的大小是顶板水害预警的重要指标。

(2) 自然电位的变化预示着顶板涌水量的变化，最大超前量约7～8日(约40～45 m)，自然电位变大预示着顶板涌水量变大，反之亦然。因此自然电位的大小是顶板水害预警的重要指标。

(3) 预警指标的成因研究认为顶板的超前破裂将导致裂隙带充水，造成激励电流和自然电位升高。

(4) 在祁东煤矿7130工作面监测资料表明，当监测钻孔偏向工作面面内时候，工作面在进入监测钻孔控制区域期间，自然电位、激励电流和电阻率与工作面出水量均呈正比关系。监测结果很好的预防了该工作面顶板水害的发生，使煤矿得以安全生产。

通过对7130工作面地电场监测结果的总结，可以看到，对煤矿顶板水害的超前预测是可能的，这对预防煤矿顶板水害具有很大的现实意义，对其他煤矿预防顶板水害也有着巨大的借鉴意义。

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[6] 王经明, 喻道慧.煤层顶板次生离层水害成因的模拟研究[J]. 岩土工程学报,2010,32(2):231-236.

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Application of ground electric field monitoring in prevention of roof water inrush in 7130 working face of Qidong coal mine

SUN Chang-li1, WANG Jing-ming2

(1.GraduateSchool,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China;2.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

Roof water source for the "four-containing" is the the largest sources of danger that threat 7130 Face in Qidong Coal Mine’s Safety Production. Mining will form the the rupture zones of roof strata, it’s electrical properties will change significant. By monitoring the changes of resistance, excitation current and natural potential, we found that there is a certain corresponding relation between the roof water inrush quantity and goaf water inflow. Through the monitoring tests in Qidong Coal Mine, it shows that the roof water damage is can be predicted,the amount of advance warning of natural potential is up to 25 days, a minimum of 5 days and the exciting current is up 26 days, a minimum of two days. This prediction method can be referenced to other coal mine to prevent roof water flood threats.

Roof water damage; Hydrogeological effects; Electric effects; Water hazard warning

2015-12-13

孙长礼(1990-)，男，山东德州人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：矿井水灾与地质灾害安全技术。E-mail：1170051321@qq.com

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1672-7169(2016)01-0039-06