并行电法评定煤层底板突水危险性及应用

刘向红，于景邨，孙林华，桂和荣，高 鹏

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000；3.国家煤矿防治水工程技术研究中心，安徽 宿州 234000)

并行电法评定煤层底板突水危险性及应用

刘向红1,2,3，于景邨1，孙林华2,3，桂和荣2,3，高 鹏2

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000；3.国家煤矿防治水工程技术研究中心，安徽 宿州 234000)

10煤是芦岭煤矿的主采煤层，深受灰岩水和砂岩水的威胁.为保证安全、高效的开采，采用并行电法在不同的工作面测试，研究其视电阻率的分布规律，再结合钻探资料、掘进编录资料和10煤工作面底板突水系数等值线图，立体总结了不同工作面灰岩水和砂岩水的富水特征，视电阻率的分布规律为开采10煤的防治水工作提供了依据和保障.

并行电法；芦岭矿；底板水；突水事故

承压含水层上煤层开采会导致底板突水，严重时会造成淹井事故.底板水的防治引起了国内外学者的普遍关注，苏联学者Bqpmcob及国内的煤炭科学研究总院北京开采所、中国矿业大学等科研院所采用平面应力模型对承压水上煤层开采进行了模拟实验，并分别得到了顶板应力分布、底板应力分布、煤层应力分布及变形特征[1].在理论研究方面，20世纪80年代以来，随着我国煤矿底板突水事故的日趋严重，人们对采场底板突水机制的研究越来越重视，除一些现场工程技术人员不断总结突水机制外，煤炭科学研究总院西安分院、中国矿业大学等机构都做了大量的研究，使人们对底板突水的认识取得了一些新的进展，涌现了“突水系数”“岩-水应力关系”“下三带理论”“原位张裂与零位破坏理论”“板模型理论”“KS理论”等理论研究[2-3]，并初步形成了几种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导作用.随着理论的发展，现场测试方法及手段也得到了迅速发展，矿井直流电阻率法、矿井瞬变电磁法、音频电透视法[4-5]等技术日臻成熟.1976年,西安煤科院将矿井直流电法首次应用于王凤矿底板防治水中，并取得了成功.随后，直流电法因其应用范围广、受场地干扰小、数据可靠等优点而被推广，普遍用在掘进煤岩巷道地质预报、回采工作面“上三带”“下三带”破坏规律的动态监测、工作面底板水探测及底板注浆效果评价等方面.特别是在工作面的底板水防治方面，直流电法较瞬变电磁等非接触式方法更为有效.将直流电法应用在煤矿工作面的底板防治水当中，可提高底板突水水源预报及防治的时效性[6-9].

1 电法测试技术

1.1并行电法的采集技术

并行电法技术是由刘盛东、张平松、吴荣新等[10-13]提出的新的电法技术，已被广泛应用于煤矿防治水及地面水资源探查等工程实践.它采用多道(1～64或者更多)电极自助采样，按照系统配置接受供电命令,电极便智能切换为供电电极(A或者B)，其他电极均为电压数据采集状态(M电极)，如此轮回规则跑极，实现高效采集数据的目的.现场测试中,数据采集可分为AM法和ABM法.AM法为单点电源供电的观测系统，如图1(a)所示，此种观测系统与常规二极法无异，布置时采用2条无穷远线，1条作为供电电极B极，1条作为公共N极，提供参照标准电位，当测线任意电极受命为供电电极时(A极)，其余电极同时在采集电位(M极).用AM法采集数据，可以进行二极、三极装置的高密度电法反演和高分辨地电阻率法反演.ABM法采集数据所反映的是双异性点电源电场情况，1对电流电极AB供电，1条无穷远线作为公共N极，提供参照标准电位，整条测线的其他电极均采集电位值(M极)，图1(b)为64个电极测线电位测量情况.对ABM法采集的电位、电流值，可以进行对称四极、偶极装置和微分装置的高密度电法反演.

图1 网络并行电法系统采集电位变化图Fig.1 Acquisition potential change of network parallel electrical system

1.2工作面底板岩层电阻率解释

煤层通常为相对高电阻率地层，砂岩、泥岩等为低电阻率地层，煤层对底板范围电流场有较强的排斥，电极布置煤层底板通常主要反映煤层相应底板范围的电性分布情况，可用于探测相对富水区范围.在以往的直流电阻率法探测的试验中，未回采煤系中的泥岩、黏土等电阻率一般较小，多在一至几十欧姆·米，砂岩电阻率较大，通常在几十到几千欧姆·米，煤层的电阻率较砂岩大，也在几十到几千欧姆·米.但是，岩石赋水会极大地影响其电阻率，造成电阻率大幅度降低，这也是用直流电阻率法探测工作面底板不同岩层富水特征的前提及依据[14].

2 现场工作方法

芦岭井田属于淮北煤田的宿州煤田，10煤层是本矿主要的可采煤层之一.太原组灰岩水是10煤层安全开采的主要突水水源.尤其是随着工作面的接替，三水平工作面开采深度和水压增加，而且富水性强弱分布不均，一旦发生突水，对工作面回采威胁极大.对10煤底太原组灰岩水突水系数的计算结果表明，该井田10煤层底板标高-300 m以下突水系数值大多超过突水临界值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岩石工作面，底板均受灰岩水威胁，地质、水文地质条件极为复杂，断层、裂隙较发育，突水系数为0.06～0.10.因此，在工作面回采前，需要采用测试手段研究其底板岩层的富水特征，提前采取安全举措，确保回采或巷道推进顺利.

2.1测点布置及现场观测系统构建

在Ⅱ1042上工作面风巷和机巷中沿底板走向布置测线(见图2)，数据采集用AM法，每站数据测线上各供电电极与对面巷道对应B极形成地电场，从1号电极到64号电极，逐点供电扫描一遍，形成扇形射线区(见图2)，其余电极同步测量各点的自然电场、一次场和二次场的电位变化情况，获取大量的地电参数，实现对探测区域的多次覆盖，大大提高了电法探测效率及精度.探测工作在长度范围大时，每巷可布置多站测线，测线编号为巷道号-序号(即i-i).前站最后一个电极与下站第一个电极位置重叠，相应移动对面巷道所布置无穷远供电极B(i-i)，再采集AM数据.数据反演时，统一编辑各站测线电极坐标，将三维电法采集各站电位及电流数据进行拼接，联合进行三维电阻率层析成像反演[15-16].将双巷间底板空间范围剖分成三维网格，网格划分宽度等于电极间距或电极间距的一半，再求解Jacobi矩阵，求取各网格电阻率值，从而得出工作面双巷间底板三维电阻率的分布情况.再将三维数据体进行垂向剖面和水平切面提取，形成直观的电阻率立体图.Ⅲ1013岩石工作面在上巷道底板依次布置测站(见图2)，采用ABM的采集方法观测数据.

图2 网络并行三维电法现场布置Fig.2 Observation stystem of network parallel 3D electrical system

图3 观测系统布置图Fig.3 Observation stystem of network parallel electrical system

2.2探测工作量

在Ⅱ1042上工作面，并行电法仪每站布置电极64个，电极间距为5.5 m，单站实际控制测线长度为346.5 m.上机巷及切眼探测2站，测站之间重合100 m，测线长约为590 m，上风巷及切眼探测2站, 测站之间重合100 m，测线长约590 m，共布置4站，共16 128个(4个采集站×64个供电点×63个测量点)物理点.在Ⅲ1013上底板抽放巷底板布置了电测深观测系统3站半，并行电法仪每站布置电极64个，电极间距为5 m，单站实际控制测线长度为315 m，总测线长度约为1 100 m，共14 112个(3.5个采集站×64个供电点×63个测量点)物理点.

图4 Ⅱ1042工作面底板不同深度的切片Fig.4 Slice of different depth of Ⅱ1042 working face floor

3 测试效果分析

3.110煤底板岩层分布

山西组下部隔水层为10煤至K1之间.该层段岩性以泥岩粉砂岩为主，夹1～2层砂岩，部分钻孔见有砂泥岩互层及海相泥岩，岩性致密，厚度较大.上部为细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩互层的岩石，中下部以黑色泥岩为主，总厚度为55～65 m.该层隔水性能良好，在一般情况下，开采10煤时，此层段能起到隔水作用，但在局部地带，由于受断层影响，导致间距缩短甚至10煤与灰岩“对口”接触，有可能造成“底鼓”或断层突水.因此，在结果图中,砂岩层、灰岩层的富水情况及隐伏断层或者其他导水裂隙均是重点解释的目标.

3.210煤底板砂岩层富水特征分析

图4是Ⅱ1042工作面探测的结果示意图.根据采区的柱状分层特点根据反演结果制作了5张不同深度的垂直切片.以下巷与切眼的相交处为坐标原点，规定切眼朝上巷延伸的方向为Y轴的正方向，切眼沿下巷延伸的方向为X轴正方向，建立坐标系，整个坐标系围成的坐标平面代表整个Ⅱ1042工作面的底板.分析的深度为工作面底板以下20～80 m，右侧为根据采区的钻孔推测的地层岩性柱状.资料显示底板以下至65 m内均为砂岩，65 m以下至探测范围内为太原组灰岩部分.图4以不同的灰度代表砂岩和灰岩岩层电阻率的变化情况，可以分析出在工作面底板以下的砂岩部分颜色变化明显.剔除岩性变化的多解可能，推测为砂岩部分富水特征凸显，特别是切眼沿下巷延伸方向的120～160 m处，下巷朝工作面延伸35 m内为低阻异常区，在沿下巷280～520 m朝工作面延伸乃至贯穿整个底板，低阻异常区分布明显，阻值在0～20 Ω·m.从切片结果分析，该两处异常区随深度范围逐渐缩小，乃至消失.结合收集资料，推断为Ⅱ1042工作面底板的浅层砂岩裂隙水赋存明显，含水量随深度的增加逐渐降低.从切片的结果看，断裂等构造不发育.

图5至图8是Ⅲ1013岩石工作面上底板抽放巷的探测结果.一至三站的测线长度为315 m，第四站只有半站，探测长度为155 m.从图5至图8电阻率反演的结果来看，电阻率剖面成层性较好，砂岩、泥岩夹层、灰岩结果对应明显(如图中右侧柱状).对比分析可知，20～65 Ω·m为砂岩层的响应，65～80 Ω·m为泥岩夹层的响应，砂岩局部低阻特征明显，断裂构造较发育(如图中的斜线表示).值得注意的是,裂隙与灰岩含水层的导通易造成底板突水事故.

图5 第一站电法电阻率反演结果Fig.5 Resistivity inversion results of the first station

图6 第二站电法电阻率反演结果Fig.6 Resistivity inversion results of the second station

图7 第三站电阻率反演结果Fig.7 Resistivity inversion results of the third station

图8 第四站电阻率反演结果Fig.8 Resistivity inversion results of the fourth station

图9为Ⅲ1013岩石工作面上底板抽放巷整体电阻率反演的结果，联合反演结果及水文地质资料可推断巷道底板的砂岩水局部赋存，裂隙和断层较为发育.

图9 整体联合反演结果Fig.9 Integrated inversion results

3.310煤底板灰岩层富水特征分析

采区的柱状显示，10煤直接底板平均在65 m以下的是灰岩地层.综合分析Ⅱ1042工作面与Ⅲ1013岩石工作面上底板抽放巷的探测结果得知，Ⅱ1042工作面底板灰岩的低阻异常区较少，推测为富水情况不明显.结合10煤底板灰岩水突水系数等值线图分析(突水系数在0.06附近)，Ⅱ1042的底板灰岩水对工作面回采的威胁较小.

从图9分析得知，Ⅲ1013岩石工作面的灰岩水富水特征明显，底板砂岩层的裂隙及断层较为发育，部分裂隙存在直接与灰岩含水层导通的可能，底板灰岩水突水系数较高，在0.10附近.因此，该段的灰岩水是重点防治的对象，在回采前应重点选取靶区疏放降压，以保障回采的安全.

4 结语

10煤工作面底板距离太原组灰岩较近，底板突水系数较大，断层发育，水文地质条件复杂.工作面回采，采动和水压破坏会加剧底板隔水层的破坏，诱导通道形成，造成突水事故.在回采前，结合底板防治水理论和采区地层岩性柱状，运用电法测试技术，分析得出：

(1)Ⅱ1042工作面底板局部砂岩富水，灰岩层富水能力不强且隐伏断层等构造不发育，水文地质条件相对简单.

(2)Ⅲ1013岩石工作面上底板抽放巷砂岩层局部富水，灰岩层含水丰富，而且断层、裂隙等构造发育，有导通砂岩与灰岩层的危险.

(3)分区分段分析10煤底板的隔水层(砂岩层及泥岩互层)和含水层(灰岩层)的电阻率及富水特征，界定异常区的立体位置及范围，定性断层及裂隙的形态，为工作面底板水的疏放降压、注浆加固或者改造底板隔水层，以及为矿方的回采提供合理建议及开采参数，结合水文地质条件分区分段处理，保障回采的安全.

10煤工作面的底板水探测试验表明，回采前，电法技术对底板岩层富水特征及异常区的圈定具有指导意义，可满足生产需求，具有推广价值.

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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

宿州学院教研项目(SZXYjyxm301305)；宿州学院校级优秀学术骨干项目(2016XJGG08)；宿州学院校级质量工程项目(SZXY2015SZX02)；宿州学院校级平台项目(2015YKF10)；宿州学院青年人才支持计划重点项目(2016XQKL007)

刘向红(1981-)，男，河南项城人，讲师，博士研究生，主要从事地质工程与地质资源方面的研究.