张平松1，2，胡雄武1，刘盛东2
(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001;
2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221008)
摘 要：利用煤层顶板钻孔及巷道形成电法测试系统，根据采动速度测取不同时期岩层电场变化特征，可对上覆岩层受采动影响的变化规律进行全面分析研究，所获得的垮落带和导水裂缝带(以下简称“两带”)高度值对煤矿安全生产具有重要的指导意义。以井下实测煤层为地质模型，通过相似模拟技术构建煤层开采条件，结合孔巷电法系统进行测试模拟与综合分析，提高对“两带”高度值判断的准确性。模拟研究结果表明，孔巷电阻率法对岩层采动产生的结构变化反应灵敏，单次测试电阻率与背景电阻率比值剖面可有效分辨模型开挖过程中的应力超前、岩层变形、破坏等特征，判定垮落带高度为0.07m，导水裂缝带高度为0.33m，其相似比例为100，该结果与井下实测值相一致。
关键词：采矿工程;覆岩破坏;孔巷电法;相似模拟;动态测试
1 引言
煤矿开采过程中其上覆岩层变形与破坏后形成的“两带”高度对安全生产影响重大，因此需及时获得相应的测试值，为煤矿防治水、瓦斯抽放等工程提供有效的技术参数。目前，通过井下实测方法获得“两带”高度值及其特征成为较为常用的技术方法。井下钻孔电阻率法测试技术已在淮南、淮北等多个矿井工作面进行实际探测与应用，通过顶板钻孔及巷道形成的观测系统对“两带”高度进行电阻率测试与判定。其结果虽经地面钻孔验证，但未经过专门的探测模拟与试验。在此背景下，本文通过构建煤层开采空间，模拟井下煤层开采条件，并通过顶板钻孔在相应位置布设电极，形成立体探测区域，进行室内模拟与动态测试，进一步分析煤层开采过程中顶板岩层变形与破坏规律，为实际工程应用提供系统的技术方法。
2 相似模拟试验
2.1 相似比与相似准则
原型与模型相似，并满足相似准则。
2.2 模型材料配比与制作
模型是在中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室建立的，模型架的尺寸为5m×0.3m×1.5m(长×宽×高)。据此尺寸与淮北某矿33采区32煤层地质剖面图，确定长度比例尺αL=100，在满足相似比条件下制作完成该平面应力模型。由于32煤层埋深较大，在上部加荷载来补偿自重应力场。应用河沙、碳酸钙和石膏配制模型时密度可调整的范围不大，因此，假定各种模型岩石的密度均为1.6g/cm3。应用正交试验依据单轴抗压强度进行配比。同时在模型中布置了压力传感器对采动应力进行监测。
3 孔巷电阻率法测试
3.1 测试方法原理
孔巷电阻率法探测是通过在煤层顶板中施工专门的电极装置孔，在巷道中布置一定数量测量电极，孔巷电极之间可形成测试空间。现场施工时通常选择风巷作为实施地点，在巷道较为平整且无构造段布置顶板测试钻孔，安装电法测试系统。由于测试电极分别布置在顶板钻孔的不同层位，以及钻孔下方的巷道中，因此通过探测区域的电场观测，获得相应的立体电位数据。其反演问题的一般形式可表示为 △d=G△m (1)
其求解初始模型修改量△m的算法为(GTG+λCTC)△m=GT△d (2)
通过求解Jacobi矩阵及大型矩阵逆的计算，来求取各三维网格的电性数据。电法数据采集时获得不同电极供电电流大小，以及零次场、一次场电位测试值，利用三维反演软件可计算探测空间的电阻率。
3.2 孔巷电法测试布置
模拟探测中，对顶板岩层电性参数测试是利用铜电极，布置在顶板钻孔位置，其中孔中电极间距为2.5cm，共布置48个电极;巷道位置电极间距5cm，共布置16个电极，形成孔巷数据采集系统。图1为孔巷电法测试系统图。
图1 孔巷电法测试系统图
4.1 相似模拟测试
开挖过程结合煤层开采条件，控制模型开挖的进尺和时间间隔。考虑边界条件，32煤层模型自钻孔孔口位置前方220cm开始开挖，每0.5h开挖一次，一次挖掘5cm。
电法数据使用WBD型并行电法仪，在每次开挖结束后进行数据采集，获得0.5s～50ms(AM)和0.1s～50ms(ABM)两组数据。现场试验历时3d，共采集26组数据。图2为模型试验现场及开挖现场照片。
图2 模型试验及开挖现场照片
孔巷电法采集电场数据通过AGI软件处理，获得单次测试区域的电阻率分布剖面。由于模型条件限制，顶板岩层中裂隙发育相对较细小，为提高分辨率，对电阻率数据进行比值计算，将每次测试值ρi与背景电阻率ρ0相比，即获得异常系数γ=ρi/ρ0，可突出异常区，则γ>1或γ<1的位置为电性异常区域。因孔巷数据量大，这里仅选择其中部分测试电阻率比值剖面进行说明。
(1)背景场电阻率
图3为背景电阻率及第三次开挖时测试电阻率比值剖面图，图中右侧为对应的岩芯柱状图。背景电阻率是在未采动情况下采集数据，即为模型岩层电阻率值反应，其总体电性呈层状分布。为突出效果，该电阻率分布图为计算电阻率值对数结果，为后续探测对比奠定基础。从图3(b)可以看出，电阻率比值近于为1，说明电阻率未受采动影响。
图3 背景电阻率值及比值剖面分布图
受采动影响，工作面顶板岩层经历超前应力作用，其岩层电阻率发生变化。图4为开挖工作面距离孔口0.86，0.77，0.66，0.58m电阻率比值分布图，该段时间内开挖工作面共推进0.28m。从图4中可以看出，顶板岩层受采动影响，其变形与破坏过程的电性特征反应显著，电阻率比值总体由低到高发生变化。与工作面位置比较，其前端有0.08～0.10m(黑色段距离)电阻率比值高异常区，分析为超前应力特征反应，即受采动影响，其超前应力判定为0.08～0.10m。
(3)变形与破坏过程
随着模型工作面开挖推进，其顶板岩层裂隙逐步发育，电阻率值同样逐渐增大，表现在比值中出现大于1的异常区域。图5为工作面距离孔口0.36和0.24m时岩层变形与破坏电阻率比值分布。这一阶段为顶板岩层电阻率值变异分化相对集中、稳定的一个过程，其对上覆岩层的变形与破坏过程判定更为清楚，其中顶板上部变化区包括垂高0.1m内的变化剧烈区域和0.33m以内变化差异大的区域。从图5(b)中可以看出局部垂向裂隙发育的特征，其电阻率比值图中的等值线出现垂向异常。
(4)“两带”高度判定
图6为第24次测试“两带”高度发育电阻率分布及比值图，测试时开挖面已推过孔口0.4m，且顶板岩层破坏相对稳定。从图6中可以分辨：顶板上方0.07m内电阻率比值差异大，杂乱，为垮落带特征;顶板上方0.33m内电阻率比值为1.0～3.0，说明其电阻率的变化较背景值成倍发生，为裂隙发育所致;而顶板上方0.33m以上部分岩层，测试过程中电阻率比值整体保持为1.0左右，可以看成未发生破坏，由此确定“两带”高度值。
图5 岩层变形与破坏电阻率比值分布图
图6 “两带”高度发育电阻率分布及比值图
试验对该矿33采区覆岩破坏进行了井下观测，获得了相应的探测成果。根据“两带”电阻率典型特征，结合区域基本地质条件，认为32煤层开采破坏“两带”高度：垮落带高度为8.1～8.5m，该段岩层电阻率值整体较高，有的甚至达到几千ω•m以上，为典型的岩层破坏特征;导水裂缝带高度为29.0～32.5m，该段岩层电阻率值变化不均匀，局部达到几千ω•m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33m以上段电阻率值未见普遍的上升或下降现象，局部受采动影响产生离层现象，表现为电阻率值升高特征，但未与下部导通，此为弯曲下沉带特点。图7为井下孔巷电法测试“两带”高度发育岩层电阻率分布图。
图7 “两带”高度发育电阻率分布图 测试模型相似比为100，则由模型获得原型垮落带高度为7m，导水裂缝带高度为33m。即井下实测结果与模型探测结果相一致，验证了该方法技术的可靠性。
5 结论
(1)结合室内模型对孔巷电法测试技术进行试验，其结果对煤层采动过程中上覆岩层变形与破坏特征反应显著。通过与模型破坏连续观测结果对比，进一步验证了探测成果的可靠性。
(2)模型试验获得的“两带”高度值与井下实测结果相一致，表明孔巷电法对岩层电阻率变化灵敏，其动态测试的效果图像连续直观，可对比性强。
(3)覆岩破坏受到多种因素影响，其中煤层采高、采厚、采速、覆岩类型及埋深等参数对导水裂缝带高度发育起到主导作用。因此，今后还需深入研究破坏规律与多参数之间的相关关系，为矿井煤层采动过程所产生的有关地质现象提供更为充分的解释和地质信息。
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