基于钻孔电阻率法的回采工作面底板水害动态监测应用研究
时间：2022-02-20 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 科技与工程 ★
基于钻孔电阻率法的回采工作面底板水害动态监测应用研究
煤矿深部开采工作面形成后，针对底板水害随着工作面回采进行而产生威胁的问题，需要采用动态监测手段达到预警的效果。深部工作面底板往往为带压开采，工作面水文地质条件极其复杂，为了查明回采工作面底板以下含水层的动态变化情况，保证安全高效回采，采用视电阻率动态监测的新技术方法对工作面底板水害进行动态预警监测。
钻孔电阻率法是在工作面以下沿着巷道布设探测孔，探测工作面回采前后底板以下含水层的变化情况，达到动态监测的目的。于师建[1]等对覆岩破坏规律的视电阻率变化特征进行了详细的研究；程久龙[2]等对覆岩破坏直流电场特征进行了数值模拟；煤炭科学研究总院北京开采研究所[3]对覆岩破坏规律进行了理论性归结；刘盛东[4]等利用高密度电阻率法观测了煤层上覆岩层的破坏规律；尹增德[5]对采动覆岩破坏特征进行了研究且成功应用到隧道中。将钻孔电阻率法测得的数据进行反演、成像和解释，结合矿方提供的相关地质资料，综合分析工作面采动过程中底板视电阻率、含导水特征变化情况，可对回采过程中底板发生水害情况进行超前预测预警。
1 探测理论基础
1.1 自然电位法原理
工作面底板水沿着裂隙渗透时，由于地下水中的正负离子在裂隙中有选择性的吸附作用，会沿着水流的方向发生浓度重新分布，这就会产生过滤电场，使得在水流的上下游之间产生电位差。一般地，水流上游负离子过多，而下游正离子过多，最终形成一种较稳定的“过滤电位差”，这种电位差受煤岩层的成分、孔隙度及溶液的成分等因素影响。在工作面回采过程中，水力条件一旦形成，水流就会沿着岩体裂隙流动，在其流动方向上形成正电位，背向为负电位[6]。
1.2 激励电流及反演理论
给导电性稳定的煤岩层攻入稳定的电压，煤岩层中就会产生稳定的激励电流。当探测范围内是发育裂隙，尤其是渗水裂隙时，必然会造成煤岩层导电性的改变，这就会直接造成激励电流的变化。一般情况下，当供电电压不变时，电阻率降低必将导致激励电流上升。基于此理论，激励电流用于煤矿渗流裂隙带探测的研究工作已经大量开展，应用效果明显。电阻率三维反演的一般表达式为[7]：
Δd=GΔm
(1)
式中：G——Jacobi矩阵；
Δd——观测数据d和正演理论值d0的残差向量；
Δm——初始模型m的修改向量。
对于三维反演问题，将模型进行三维网格剖分，将导电率值作为反演参数，三维反演的观测数据为测得的电位差值，一般用对数来标定反演数据及模型参数，有利于改善反演的稳定性。由于反演参数太多，传统的阻尼最小二乘反演往往易产生多余构造，给解释工作带来困难。在最小二乘反演计算中加入光滑约束，反演求得光滑模型，可有效提高结果的稳定性。其求解模型修改量Δm的算法为：
(GTG+λCTC)Δm=GTΔd
(2)
式中：C——模型的光滑矩阵。
通过求解Jacobi矩阵G及大型矩阵逆的计算，来求取各三维网格电性数据，通过三维反演后，得到更加准确的结果。
2 监测技术的应用基础
在工作面开采过程中，底板岩层受力状态必然会发生改变，会导致岩层产生破坏。当岩石力学性质改变时，岩层的电性也会发生显著变化。由于岩层电阻率值除与岩性特征有关外，主要决定于岩层的裂隙和裂隙内充填物的电阻率值，因此当岩层在自然状态下，电阻率值与其岩性及其所赋存的环境有关，在高应力作用下，岩层原生裂隙被压密，固体颗粒接触面积加大，电阻率值减小；当应力超过岩体本身强度时，岩体因破裂而产生裂隙，固体颗粒接触面积减小，电阻率值升高。根据地电场勘探理论，岩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岩体受力状态和变形破坏情况进行监测[8]。
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，而地电场异常，必然反映地下水的渗流过程，从而达到对于底板水害的预警[9-11]。
3 回采工作面底板水害动态监测技术应用
3.1 地质概况
范各庄煤矿2202工作面上覆1196N采空区、1198N采空区、1198S采空区，东部为1128N采空区、1128S采空区和2#陷落柱，南部为工业广场保护煤柱，西部为7#陷落柱，北部为北二石门，下部为灰岩。2202工作面开采的12#煤层为复杂结构中厚煤层，以光亮型和半光亮型为主，2202工作面属带压开采工作面。煤层最厚处3.10 m，最薄处1.90 m，平均煤厚2.42 m。工作面内煤层倾角最大为25°，最小为13°，平均倾角17°。
3.2 自然电位变化分析
工作面回采至今，自然电位整体未见明显突变(>500 mV)，仅局部呈缓慢变化趋势。2019年1月24日至2月19日，工作面机巷回采196～274 m范围，自然电位变化曲线如图1所示。从图1可以看出，结合周边实际情况，该范围属于机巷揭露的落差为5 m的F210108-4断层。工作面回采位于断层附近时，岩层原始应力发生改变 ，在断层面附近，岩层发生塑性形变，裂隙发育。在裂隙发育过程中，伴随电子逃逸，自然电位表现出波动形态。
图1 自然电位变化
3.3 激励电流变化分析
2018年12月28日至2019年1月5日，工作面机巷回采107～140 m范围，该范围内实际揭露F210108-8断层。激励电流变化曲线如图2所示。从图2可以看出，当工作面回采至断层附近时，断层面附近岩层随着地应力的改变，断层面内必然发生裂隙的发育与闭合。在地电场特征下，其激励电流表现为增大或减小。工作面回采经过F210108-8断层时，其激励电流出现“增大—减小”特征，说明该位置断层受挤压后应力逐渐恢复。
3.4 探测成果分析
不同回采位置的视电阻率断面图见图3。从图3可以看出，2202工作面机巷底板视电阻率多分布在30 Ω·m以上，工作面回采过程中，随着回采位置的不断推进，采空区的视电阻率值明显增大，说明采动影响到了底板岩层的受力分布。从整个工作面的视电阻率值规律来看，仅在X方向960～1020 m、Z方向0～30 m范围内视电阻率值相对较低，且随工作面回采位置的变化而变化。综合分析3个回采位置的视电阻率断面图可得，工作面回采过程中，岩层应力场不断改变，工作面切眼附近应力相对集中，岩层接触面积增大，导致视电阻率值略有降低，底板扰动未影响到奥灰水，无导通迹象。将回采位置连续记录，可实现连续动态监测的效果。
图2 激励电流变化
图3 不同回采位置的视电阻率
4 结论
钻孔电阻率法在回采工作面底板水害动态监测中的效果明显，随着回采工作的不断推进，可实现实时动态监测，为采动工作面的安全提供了地质保障。
(1)通过在范各庄矿2202工作面的实际应用，在工作面回采过程中，坚持以早、中、晚每天3组数据的连续采集，可实时分析自然电位变化和激励电流变化，并可以对采动工作面的断层发育范围和应力释放情况进行实时监测，为裂隙带的导水性判断提供了理论依据。
(2)通过对地电场的视电阻率、自然电位、一次场激励电流变化规律的对比分析，整个回采过程中底板岩层力学性质的变化通过视电阻率值、自然电位、一次场激励电流的变化表现出来，工作面回采过程中，无导通灰岩含水层迹象，充分印证了本次探测结果是真实、可靠的。
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[2] 程久龙，刘斌，于师建等.覆岩破坏直流电场特征数值计算[J].计算物理，1999,16(1)：54-58.
[3] 煤炭科学研究总院北京开采研究所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用[M].北京：煤炭工业出版社，1981.
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Application study on water damage dynamic monitoring in the floor of mining face based on borehole resistivity method
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