摘要：工作面顶板水害是威胁煤层安全回采的主要因素之一，为保证煤层安全回采，建立工作面顶板动态监测系统，以实现在工作面开采过程中对煤层顶板活动的动态监测，及时进行水害预警预报。本文以陕西某煤矿112208回采工作面电法监测工程应用实例，介绍了电法监测的原理、数据采集、处理与成果解释等内容，在此基础上说明了电法监测技术的在煤层顶板防治水中应用效果，为煤矿安全回采提供地质保障，也可为其他煤矿类似水害监测分析提供借鉴。
关键词：电法监测；直流电法；顶板；防治水
1 前言
按照国家煤矿安全监察局颁布的《煤矿防治水细则》等相关文件要求“开采的工作面应当采用微震、微震与电法耦合等科学有效的监测技术，建立突水监测预警系统，实时探测工作面顶板上水体及导水通道，评估注浆等工程治理效果，监测导水通道随工作面采动的变化情况”。针对112208工作面回采期间顶板岩层裂隙发育及富水性变化等问题，建立顶板离层水电阻率监测系统，连续监测112208工作面煤层顶板以上175m范围低阻异常区变化，动态评价顶板裂隙水突水风险性，实现监测数据的存储和管理、电阻率实时监测成像、电阻率反演成像三维可视化，为矿井水害预警、防治水工作提供更为合理、科学依据。
2 基本原理简介
2.1 直流电阻率法
将直流电源的两端通过埋设地下的两个电极A、B向大地供电，建立起稳定电场(如图2-1)，通过接收电极M、N观察稳定电场的变化和分布。如果地下存在导电性不同的岩层和矿体，它们会影响电场的分布，良导体对电流有“吸引”作用，导电性差的则对电流有“排斥”作用。因此，当地下存在导电性差的地质体时，由于它对电流的“排斥”作用，使电流远离它本身而流过；而当地下存在有良导体时，它将对电流有“吸引”作用，使大部分电流通过其本身。这样，在地表观测到的电场将发生畸变，通过对畸变电场的分析，判断地下不同导电性地质体的赋存状态。
2.2 KJ1054煤矿电法监测系统
KJ1054煤矿电法监测系统基于煤矿安全监控系统技术与矿井电法勘查技术，采用智能电极、伪随机调制、微信号采集、物联网等关键技术开发成功的矿山地球物理场监测系统。
工作原理：计算机软件发布工作指令，通过矿工业环网传输到KJ1054-F电法监测主机，电法监测主机接收到指令，按照计算机指令开始分配YDK12矿用本安型电法控制器和YDZ12矿用本安型电极转换器控制电极进行发射采集工作。该系统在地下采掘空间(巷道、工作面)或钻孔中布置分布式智能电极，发射伪随机多频电场，通过观测煤岩体及地下水运移时视电阻率、视极化率、视幅频率的异常变化实现对水害的监测预警。
3 应用实例
3.1 任务
(1)采用电法在线监测112208工作面两顺槽开煤层顶板175m范围低阻异常区变化；
(2)监测112208工作面回采期间，顶板工作面宽度二分之一范围内水文地质异常；
(3)监测112208工作面回采期间，系统能够实时在线连续动态监测；动态评价顶板突水风险性，实时预警工作面和巷道的含水层变化。
3.2 工程概况
3.2.1 工作面概况
112208工作面地表基本区域被第四系风积半固定沙丘和固定沙丘所覆盖，新近系保德组红土零星出露，以风蚀、风积沙漠及丘陵地貌为主。东部与13盘曲相邻，西部112207工作面正在回采，北至2-2开拓大巷，南部距离井田边界187m，工作面走向长5000m，工作面倾斜长350m。所采煤层为2-2煤，该煤层赋存于延安组第四段顶部。监测区域位于112208工作面，采用循环覆盖监测模式，待工作面回采至监测一定距离位重新布置监测系统，进行搬站，循环覆盖监测。
3.2.2 水文地质概况
112208工作面内主要含水层及富水性自上而下依次为第四系上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水含水层、风化岩基岩裂隙承压含水层、侏罗系中统安定组基岩裂隙承压含水层、侏罗系中统直罗组基岩裂隙承压含水层、侏罗系中统延安组第五段裂隙承压含水层。工作面上部的隔水层主要是新近系保德组红土及正常基岩中的泥岩和粉砂岩，红土层厚26～82.64m，平均61.86m。采空区导水裂隙带高度为152.013～175.573m，冒落带高度为21.263～49.089m,裂采比为26.21～30.27，冒采比为3.67～8.46。
3.3 观测系统布置
首次监测系统观测系统布置，监测区域走向长1600m，112208综采工作面胶带运输顺槽FS22点后32m向工作面切眼方向1600m，112207综采工作面辅助运输顺槽FS25-1点前25m处向工作面切眼方向1600m，监测电极间距为10m。本文以工作面退尺2000m～2790m监测范围进行分析说明。 4 数据处理与成果分析
登录防控系统，进入电法数据管理进行数据下载原始数据，使用KJ1054处理软件，新建工程，导入数据，自动(手动)成图，使用surfer软件成图；采用Earthlmager 3D软件进行联合反演生成三维切片成果。
4.1 112208胶带运输顺槽电法监测处理与分析 图4-1为112208胶带运输顺槽2022年6月8日～6月28日电法监测温纳三极视电阻率剖面图，限于篇幅，本报告中给出10张剖面成果图用于分析。
1)从整体剖面分析，纵向视阻率自浅部相对低阻区范围大于深部，即深部视电阻率整体高于浅部，此与地层岩性分布有一定对应性。横向受断层构造切割破碎影响，存在视电阻率不均一性，浅部自切眼2000m～2130m、2190～2460m、2490～2790m有连续的低阻区分布。深部地层自切眼2000～2690整体视电阻率较高，无明显相对低阻区；2690m～2790m段存在明显的相对低阻分布。
2)随时间变化的监测剖面中分析，自6月8日～6月16日监测剖面中视电阻率值的大小及分布规律均基本稳定，相对低阻分范围布整体变化较小。在6月20日～6月28日监测期间，在自切眼2700～2790m范围附近低阻区范围明显增大，可能受回采超前影响或顶板破坏因素所致，该现象产生的原因有待继续监测和分析。
3)工作面顶板水害电法监测的关键是监测发现深部岩体是否会出现持续阻值变低且扩大的区域。
4.2 112208辅助运输顺槽电法监测处理与分析
图4-2为112208辅助运输顺槽2022年6月8日～6月28日电法监测温纳三极视电阻剖面，限于篇幅，本报告中给出10张剖面成果图用于分析。
1）整体来看，辅助运输顺槽的视电阻稍高于胶带运输顺槽，且相对低阻区分布较均匀；
2）从整体剖面图分析，纵向分析视阻率自浅部低阻范围明显大于深部，即深部视电阻率整体高于浅部，此与地层岩性分布有一定对应性。存在视电阻率不均一性，浅部自切眼2000m～2240m、2480～2550m、2650～2790m有连续的低阻区分布；深部整体阻值较高，无明显不均匀相对低阻区分布。
3）随时间变化的监测剖面中分析，自6月8日～6月28日监测剖面中视电阻率值的大小及分布规律均基本稳定，低阻分布中心均基本保持不变。
4）在回采过程中辅助运输顺槽顶板深部岩层未监测到持续阻值变低且扩大的现象。
4.3 112208胶运、辅运顺槽电法反演处理与分析
(1)112208工作面顶板浅部段(40m)反演切片分析
(2)112208工作面顶板深部段(99m)反演切片分析
图4-3和图4-4利用胶、辅运顺槽监测数据进行三维联合反演的水平切片，取其中两个深度切片作为浅部岩层段和深部岩层段代表。水平切片更有利于对比两巷视阻率的差异及深部与浅部的差异。
1）胶带运输顺槽视电阻率明显大于辅助运输顺槽；
2）浅部视电阻率整体低于深部，且存在连续相对低阻区分布；靠近胶带运输顺槽侧退尺2020～2790m段存在较为明显相对低阻区异常分布；靠近辅助运输顺槽侧退尺2160～2500m、2520`2790m存在明显连续低阻区异常分布。深部整体视电阻率较高，在6月15日～6月24日靠近胶带运输顺槽侧2450～2600m范围附近低阻区范围增大，持续观察后未出现持续阻值变低且扩大的区域。
3)随时间变化的多次监测剖面中分析，反演切片中视电阻分布特征整体类似，低阻异常的中心位置基本保持不变，但相对低阻区的范围存在一定不稳定性，算法对电阻率变化的敏感性。
4.4 112208工作面电法监测6月份综合分析
从112208工作面电法监测成果分析可得到如下认识：
1)工作面顶板双巷电法连续监测反映出在未扰动区底板岩体视电阻率的总体稳定性，故有利于可靠对比回采引起的岩层破坏或富水性变化引起的电阻率变化；
2)112208工作面监测范围内深部岩层的视电阻率高于浅部且分布均匀，工作面胶带运输顺槽电阻率低于辅助运输顺槽，且胶带运输顺槽2020m～2790m段浅部地层存在较为明显的连续相对低阻区异常分布。
3)监测中发现在回采位置附近视电阻率逐渐升高且有一定反复不稳定特征。但未监测到深部含水地层出现低阻区且向浅部扩展现象。
5 结果验证
此矿11221工作面在使用KJ1054煤矿电法监测系统的长期监测中，暂未监测到深部含水地层出现低阻区且向浅部扩展现象，通过收集现场回采资料，本月工作面回采期间，未出现工作面出水情况，工作面涌水量基本无变化，与监测结果一致。
6 总结
电法监测是连续多次的电法探测，处理和解释工作量较大；从数据稳定性说明KJ1054监测系统很好的抑制了工作面生产用电对电法监测数据的影响。但受电极接地影响较大，因此要注意维护好现场电极、线缆及分站，确保监测数据连续性和有效性。
通过回采期间工作面的电法监测成果，显示出随着工作面持续回采，顶板岩层的视电阻变化规律，反映出顶板岩层的电性变化特征，从而分析工作面采掘活动对顶板岩层富水性变化的影响，为煤矿安全回采提供重要依据，对矿井安全生产具有重要的指导意义。