矿井顶板水害动态监测技术研究

杨 勇

（安徽恒源煤电股份有限公司祁东煤矿，安徽 宿州 234000）

能源开采工业安全、健康、可持续发展离不开矿山自动化、信息化、智能化技术。随着智能化开采技术的成熟应用，开采过程中的地质安全保障技术越来越重要[1，2]。矿井底板水害事故往往是由于采掘活动破坏隔水层或打通隐伏含、导水通道而引起的[3]，预防底板突水的关键是对顶底板采动破坏过程及导水通道发育过程进行动态监测。杨茂林[4]针对超大采高综采工作面回采过程中顶板可能存在的水害隐患,采用视电阻率监测系统对工作面回采进行了分段动态监测,并划分顶板水害预警级别。叶庆树[5]等采用视电阻率监测系统动态监测,预测了工作面采动过程中"两带"发育及顶板水运移。洪卫东[6]对淮北矿业集团开采区顶板突水点周围岩层进行探测,探测中主要使用分时跟踪探测,并对高密度电阻率法的应用、现场布线、数据采集、数据处理和分析进行了探讨。开采工作面顶板是典型的易突水顶板，在回采工作面过程中，为了保障本工作面的安全回采，需要对可能的出水段采用水害预警监测技术，进行出水前兆因素研究。因此本文针对皖北某矿企的顶板进行突水预警监测，获得探测区域内顶板一定深度范围内矿层电阻率空间分布图及动态变化结果，为矿山开采安全提供一定的技术支撑。

1 工程概况

开采位置位于井田东翼三采区，7131切眼与DF5断层毗邻，西以三采区第一中部车场为界，南北分别以7131风巷、机巷为界。

本次研究的矿井顶板为复合型顶板，主要由砂岩、泥岩组成。直接顶板为灰-深灰色泥岩，上部有较多粉砂质，下部含大量植物化石，性较脆，厚度不稳定约为0m～3.8m，平均厚1.6m。

老顶为为浅灰色中砂岩，泥钙质胶结，局部为细砂岩及砂泥岩互层，厚度为8.4m～20.8m，平均14.4m。其上为泥岩（均厚为4.4m）、63矿井（均厚为1.5m）、泥岩（均厚为4m）、中砂岩（均厚为12.31m）。该区域“四含”底界受古地貌地形制约，为一残坡积～漫滩沉积，两极厚度为0m～40.9m，29～30线以东四含厚度逐渐变小，局部无四含分布，属风化剥蚀区。

预计回采该工作面时，“四含”水可能通过采动裂隙进入工作面，对回采影响较大。

2 顶板水渗流综合物理场监测系统

2.1 顶板水渗流地电场监测原理

在矿井开采过程中，顶板矿层受力状态改变，顶板岩层会向上运动破坏形成“三带”。除矿石力学性质改变外，矿层的电性也会发生显著变化。由于矿层电阻率值除与矿物特征有关外，主要决定于矿层的裂隙和裂隙内充填物的电阻率值。当矿层在自然状态下，电阻率值与矿物特性和其所赋存的环境有关，在高应力作用下，矿层原生裂隙被压密，固体颗粒接触面积加大，由欧姆定理可知电阻率值减小；当应力超过矿体本身强度时，矿体产生破裂，固体颗粒接触面积减少，电阻率值升高。根据地电场勘探理论，矿体电阻率值决定其视电阻率值的变化，因此，可以通过视电阻率勘探方法对矿体受力状态和变形破坏情况进行探测。

由于地下水在运动过程中与各种岩土介质相互作用，使地下水成为一种复杂的溶液，这种溶液里含有多种离子，离子含量愈多，离子价愈高，则水的导电性愈强；随着地下水的渗流迁移，溶液发生扩散、吸附、过滤、氧化还原等效应，在固、液介质中产生地电场的异常，结合电化学中的电渗、电泳现象来反映地下水介质的赋存、运移规律。通过对地电场的监测可以直观地得到介质的富水状况、渗流速度、渗流饱和状态等的变化情况。水的渗流造成了地电场异常，通过地电场异常，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。

2.2 网络并行电法预警系统

网络并行电法仪及其配套软件能够同时完成电阻率仪（高密度装置、电测深及电剖面装置）、激电仪、自然电场仪的多种勘探功能。这种系统大大提高了噪声比和电阻率采集的时间分辨率，实现了四维电法勘探功能，如图1所示。

图1 网络并行电法监测系统示意图

3 顶板直流电阻率监测试验

2012.06.1～2012.07.18对开采区回采过程进行电阻率数据采集，如图2所示工作面顶板整体呈高阻,在位于17#钻场向工作面方向45m处有一相对低阻异常区,顶板赋水性较弱。

图2 1#预警监测孔实测视电阻率分布图

从以上实测视电阻率结果图可知，在位于17#钻场向工作面方向45m处有一相对低阻异常区，自2012年6月1日起，该低阻异常区随工作面回采呈周期性显现，分析认为，该低阻异常为顶板原生裂隙在高应力作用下的结果。在工作回采过程中，顶板应力发生变化，在高应力作用下，矿层原生裂隙被压密，固体颗粒接触面积加大，其视电阻率值相对减小；当应力超过矿体本身强度时，矿体产生破裂，固体颗粒接触面积减小，其视电阻率值相对升高。

实际监测结果表明，该低阻异常在监测后期并未进一步降低，表明该裂隙并未导通“四含”，这与现场未发生明显出水情况是一致的。

4 结论

（1）通过对地电场的视电阻率变化规律的对比分析，从视电阻率图上得知本开采区最大裂隙带高度为：自矿层底板向上约45m，中砂岩与泥岩交界处。

（2）对采区预警监测期间，实际回采情况表明，矿井回采过程中，裂隙带发育高度稳定，无导通四含迹象，充分印证了本次探测结果是真实的、可靠的。

（3）根据井下顶板四含的分布的特点，随着回采距离的增加，四含层位不断增厚，其赋水性也在不断增加，较大的地质构造异常是导致顶板裂隙发育高度的增加关键，严重时会导致顶板产生冒切现象，在后期的回采过程中需注意工作面层位的相关变化。