1、探测目的及任务
根据《煤矿防治水细则》第八十七条要求：煤层顶板存在富水性中等及以上含水层或者其他水体威胁时，应当实测垮落带、导水裂隙带发育高度，进行专项设计，确定防隔水煤(岩)柱尺寸。
为此制定某工作面“两带”发育高度探测技术实施方案，并对采后顶板“两带”发育形态及高度进行探测，获得采后顶板“两带”发育形态、垮落带、最大导水裂隙带发育高度，总结8煤层开采的覆岩破坏规律。
2、工作面地质概况
2.1煤层情况
某开采3上煤层，煤层厚度为2.8～4.6m，平均约为4.3m，倾角为6°～11°，平均约为9°，结构简单，稳定。
2.2煤层顶板情况
某煤层直接顶为深灰色砂质泥岩,厚度为0.6～3.1m，平均约为1.9m；煤层基本顶灰色，深灰色砂质泥岩，厚度为15～17.2m，平均约为16.1m。再往上依次为以石英为主，次之长石的灰色细砂岩，厚度为1.5～3.9m，平均约为2.7m；灰绿色砂质泥岩，厚度为1.5～3.9m，平均约为2.7m。
2.3地质构造概况
(1)断层
某工作面地层呈一单斜构造，无褶曲。地层走向NW，倾向SE，地层倾角7°～11°/9°，工作面掘进期间共揭露断层10条次。
(2)岩浆岩
某工作面掘进期间仅切眼附近揭露小范围岩浆岩侵蚀区，受岩浆岩侵蚀影响导致煤层焦化变薄，对工作面回采影响较小。
(3)冲刷带
根据物探及巷道掘进期间实际揭露预测工作面回采过程中不受冲刷带影响。
(4)陷落柱
根据物探及工作面掘进期间实际揭露预测工作面回采过程中不受陷落柱影响。
3、“两带”观测技术原理
3.1覆岩破坏一般规律
3.1.1煤层开采覆岩破坏特点
矿山开采引起的覆岩破坏在不同的地质、采煤条件下，呈现出不同的特征和分布形态。掌握覆岩破坏的特征及其分布形态，是正确设计防水煤柱(指开采上限或工作面回采顶板到对开采有威胁的最底部的含水层底板之间的岩层和煤层)和评价开发被江河湖水、巨厚强富水松散层或基岩含水层覆盖煤田的重要条件。实践正明，只要防水煤岩柱高度大于覆岩破坏的最大高度，即导水裂隙带的最大高度，矿井的安全生产就能得到保证。
在采用全部垮落法管理顶板的情况下，根据煤层覆岩破坏的程度及导水、透泥、透砂的能力，采煤引起的覆岩破坏状况，可以区分为垮落带、导水裂隙带和弯曲下沉带(整体移动带)三个带。
3.1.2覆岩破坏的分布形态
实测结果表明，在采用全部垮落方法管理顶板进行大面积开采的情况下，覆岩破坏的分布形态与煤层倾角有明显的关系。当煤层倾角小于35°时，煤层采空以后，垮落岩块下落到采空区，岩块就地堆积起来，形成垮落带。随着上覆岩层的移动及垮落岩块的被压实，垮落带上方形成导水裂隙带。在采厚相等的情况下，垮落带和导水裂隙带范围的形态类似于马鞍形，如图3-1所示。
覆岩破坏的上述形态，一般是出现在岩层不十分坚硬的条件下，即所谓的随采随垮的顶板，而在顶板岩层特别坚硬的条件下岩层抗压强度大，例如石英砂岩、硅质胶结的砾岩、安山岩、玄武岩等。如果属缓倾斜和倾斜煤层，采后顶板岩层会呈现大面积悬空，长期不垮落，或出现局部拱形垮落，或出现大面积一次垮落等现象。
由于煤层开采后，其上覆岩层的结构状态发生很大的变化，自下而上形成垮落带、导水裂隙带和弯曲下沉带。垮落带使原来连续的岩层形成碎块杂乱堆积于采空区内；裂隙带则产生了大量的新生裂隙和离层，使岩体的孔隙度大大增加。地下岩层电阻率不仅与岩层的岩性、含水性有关，而且与岩体的结构状态(裂隙、孔隙的变化)和变形破坏情况(压缩、膨胀、裂隙发育、破碎程度)有密切的关系。煤层采动引起的覆岩变形、移动、破坏，必然导致覆岩的电阻率发生变化，从而使自然电场和人工电场的分布都将发生相应的变化，这是进行地球物理探测的基础。
3.2电阻率法测试原理
3.2.1网络并行电法方法原理
本次探测使用的仪器为网络并行电法仪，为福州华虹智能科技股份有限公司研制的新产品，该仪器的最大优势在于任一电极供电，可在其余所有电极同时进行电位测量，可清楚地反映探测区域的自然电位、一次供电场电位的变化情况。例如：测线上布置64个电极，对于AM法采集时，任一电极供电时，其余63个电极同时采集电位，这样其数据采集效率与串联采集相比，采集效率至少提高了63倍。不仅如此，通过AM法和ABM法装置自动顺次切换电极，取得大量的电法数据，不仅可实现所有现行的直流高密度电法探测(如温纳二极、三极、四极等)数据反演，而且可进行高分辨地电阻率法反演。
3.2.2高密度电法反演原理
高密度电阻率法是集电测深和电剖面法于一体的一种多装置、多极距的组合方法，它具有一次布极即可进行多装置数据采集，并可进行二维断面成像，因此得到广泛应用。
高密度电阻率法可采用的装置有：温纳对称四极装置(w-α)图3-3；温纳偶极装置(w-β)图3-4；温纳微分装置(w-γ)图3-5；温纳三极装置(w-A)图3-6；温纳三极装置(w-B)图3-7等5种装置。测量其视电阻率，记录点位置相同。
3.2.3全空间三维电阻率反演技术
对于三维问题，将模型剖分成三维网格，反演要求参数就是各网格单元内的电导率值，三维反演的观测数据则是测量的单极-单极电位值或单极-偶极电位差值。由于它们变化范围大，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导致过于复杂的模型，即产生所谓多余构造，它是数据本身所不要求的或是不可分辨的构造信息，给解释带来困难。 在最小二乘准则中加入光滑约束，反演求得光滑模型，提高了解的稳定性。其求解模型修改量△m的算法为 其中C是模型光滑矩阵；△d为观测数据d和正演理论值d0的残差向量；△m为初始模型m的修改向量。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。
网络并行电法仪采集的数据为全电场空间电位值，保持电位测量的同步性，避免了不同时间测量数据的干扰问题。该数据体特别适合于采用全空间三维电阻率反演技术。
通过在“两带”钻孔中布置电法测线，采用网络并行电法仪观测不同位置不同标高的电位变化情况，通过电流反演和三维电阻率法反演，得出钻孔间的电性特征分布情况，从而给出客观的“两带”高度发育规律地质解释。
4、现场施工
4.1钻孔位置与施工
根据工作面顶板覆岩破坏特征将监测钻孔布置在某运输巷和轨道巷中，其中1#观测孔开孔位置在某轨道巷4#点前22.6m位置，2#观测孔开孔位置在某运输巷y10测点前25.8m位置。图4-1为某工作面“两带”观测的观测钻孔布置平面图。
4.2钻孔参数
1#观测孔共安装48个电极，电极距2m，孔底为1号电极；2#观测孔共安装32个电极，电极距2.5m，孔底为1号电极。 5、数据处理与分析
根据以往覆岩破坏探测经验，对于煤层顶板岩层较坚硬地层，煤层开采后覆岩破坏可能存在滞后现象，根据观测孔内的电极系统可以更好地观测覆岩破坏形态。
由于煤层采动过程中上覆岩层的受力状态发生改变，其岩层电阻率值同样也发生变化，且随着采动进程会表现出不同特征。由于各个电极接触不同岩性，具有一定的耦合差异，且各个岩层电阻率值有所差异，因此，监测分析时采用视电阻率值的相对变化量来反映岩层变形与破坏情况。以电极耦合稳定后的背景视电阻率值为参照，将不同时间测试的视电阻率值与背景视电阻率相比，来反映煤层开采对顶底板岩层破坏的动态变化情况。
现采用常规温纳三极电阻率法处理与对比，选取其中具有代表性的且探测效果明显的数据，然后将其计算结果采用Surfer软件成图，再对视电阻率图进行地质剖面图的叠加，以进一步解释。将监测图像形成剖面进行对比，各图中采用统一色标，以蓝绿色(冷色调)为较低电阻率值区，红色调为较高电阻率值区。当煤层开采时，顶板岩层受采动影响导致岩层变形与破坏，岩层变形与破坏程度越大反映出的电阻率值越高，从而根据电阻率值的高低进行顶板岩层变形与破坏的规律解释。
5.1第一个观测孔数据处理与分析
图5-1为2021年9月1日探测电阻率结果图，回采工作面距观测系统终孔位置为27.9m，以当日测得的视电阻率值作为背景值，代表孔内电法系统的岩层电阻率背景值，为后续探测剖面对比提供基础。总体上，孔内观测区域岩层电阻率值基本在160Ω·m以下，其中部分砂质泥岩段电阻率值在80Ω·m左右，反映了正常砂质泥岩层的电阻率背景值。
1月10日到1月16日，工作面切眼距孔口距离由64m到49.4m。观测剖面中随着工作面回采位置的推进高阻区范围和电阻率值逐渐增大，表明受采动影响，顶板上方岩体破坏明显。测线下部高阻区变得不均匀，表明受应力作用岩体结构破坏的同时，也导致其它地质条件的变化如水文条件，这些变化因素叠合在一起，形成电阻率综合变化效果。随着工作面的回采，采动应力影响越来越大，顶板上方及前方岩体裂隙继续发育，裂隙相互连通，形成垮落带。采空区上方电阻率值显著升高到300Ω·m以上，观测范围内已初步出现电阻率分带现象。
进一步对比分析可知，煤层顶板垂高12.5m以下，高电阻率值分布最广，表明该观测范围内顶板岩层破坏严重，为垮落带；煤层顶板垂高12m以上，电阻率值高低不均，为裂隙带发育不均匀的反映。
综合分析电阻率反演图变化特征，可以判断垮落带高度为煤层顶板上方0～12.5m。
5.2第二个观测孔数据处理与分析
图5-4为2021年11月20日探测电阻率结果图，回采工作面距观测系统160m，以当日测得的视电阻率值作为背景值，代表孔内电法系统的岩层电阻率背景值，为后续探测剖面对比提供基础。总体上，孔内观测区域岩层电阻率值基本在160Ω·m以下，其中部分泥岩段电阻率值在60Ω·m左右，反映了正常泥岩层的电阻率背景值。
从2月17日到2月21日工作面距孔口距离60.2至25.4m。随着工作面的回采，从2月17日到2月21日，采动应力影响越来越大，顶板上方及前方岩体裂隙继续发育，裂隙相互连通，形成导水裂隙带和垮落带。采空区上方电阻率值升高到300Ω·m以上，观测范围内已初步出现电阻率分带现象。2月20日后绝大部顶板岩层位于老空区上方，观测段线缆逐渐被破坏，此时整个观测剖面出现高电阻率值分布，电阻率值显著升高。且在剖面下部高阻区比较集中，表明在老空区形成一定步距后，应力集中破坏程度高，顶板近煤层岩体冒落，垮落带发育充分，顶部岩体位移量较大，裂隙区进一步发育。观测段已基本回采完毕。
结合冒落带数据成果对比分析可知，煤层顶板垂高12.5～47.1m，电阻率值高低不均，为裂隙带发育不均匀的反映；垂高47.1m以上，电阻率值相对分布均匀，与背景值相比基本无较大变化。
综合分析电阻率反演图变化特征，可以判断导水裂隙带高度为煤层顶板上方12.5～47.1m。
6、结论
某工作面风巷顶板“两带”观测段平均采高4.3m，顶板主要以砂岩和砂质泥岩为主，覆岩为中硬型，此工作面为综采工作面，通过2个观测孔视电阻率反演结果图得出冒落带高度为12.5m，位于砂泥互层层位；导水裂隙带高度为47.1m，位于泥岩层位。本次测线观测区域内平均采高为4.3m。因此，垮高/采厚比为2.9，裂高/采厚比为10.9。
7、结束语
本次通过在工作面巷道向煤层顶板打观测钻孔，利用视电阻率测试方法对煤层上覆岩层破坏分带情况进行观测的方法是成功的，基本上搞清了工作面顶板破坏情况：
(1)两带上方不存在明显的采动离层裂缝，仅在局部发育一些小裂缝，以横向为主，纵向裂隙只在局部发育。
(2)在距煤层顶板小于12.5m这段范围内，覆岩破坏很不规则，排列杂乱。这个范围便是开采引起的覆岩破坏的冒落带，当钻孔中距煤层顶板距离大于12.5m时，覆岩破坏规则，并未出现杂乱的堆积，已进入裂隙带。
(3)采用视电阻率测试方法测得的工作面垮落带高度为12.5m左右，约为采高的2.9倍。与理论计算确定的9-13.4m，基本一致。通过对垮落带上覆岩层破坏情况的观测，获得导水裂隙的高度约为47.1m。
(4)通过此次探测研究，得到了工作面开采覆岩导水裂隙带发育规律，为矿井水体下采煤提供了依据，此结论对类似条件下矿井对此类问题研究有借鉴意义。