图1-1 54101工作面平面位置图

1.3 煤层及顶底板情况
根据实际揭露，煤4-1层结构较简单，厚度变化较小，煤层厚度2.6～3.8m，平均厚度3.4m，含矸1～3层，夹矸厚度0.1～1.2m，倾角4°～13°。煤4-1层直接顶板多以劣质油页岩为主，厚度在0.63-3.85m之间，平均2.44m；少量为黑色泥岩顶板，平均厚2.05m。底板以灰黑色泥岩及砂质泥岩为主,厚度在0.40-5.98m之间，平均1.83m。顶底板裂隙不发育。
2 孔中电法探测技术
(1)电法探测理论基础
在煤层开采过程中，顶底板围岩受力状态改变，岩体裂隙发育程度也会有所改变。由地电场勘探理论可知，当岩层在自然状态下，电阻率值与其岩性和其所赋存的环境有关，在高地应力作用下，岩层原生裂隙被压密，固体颗粒接触面积加大，根据欧姆定理其电阻率值减小；当应力超过岩体本身强度时，岩体产生破裂，固体颗粒接触面积减小，电阻率值升高。而岩体电阻率值的变化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特征进行探测。
孔中电法探测的理论基础是岩石的电阻率差异。通过开采前的电法测试，可得到煤层围岩原始应力状态下的电阻率图像，将此时的地电场特征作为背景；在开采期间的定期观测，可得到围岩在应力失衡及重新分布下的电阻率连续变化图像。将开采期间观测的地电场特征与背景场特征进行比较，可以得到不同阶段的地电场变化情况。通过对地电场变化特征进行分析，从而得到围岩裂隙发育规律。若裂隙带内无充填含水体，裂隙带的电阻率值会明显升高，升高的幅度越大，则裂隙发育越完全；若电阻率值没有明显变化区域，即为未破坏区。
(2)电法勘探基本原理
一般说来煤系地层中泥岩、页岩类岩石电阻率值为一至几十欧姆·米，砂岩电阻率值在数十至数千欧姆·米，煤层的电阻率通常为数百至数千欧姆·米。煤层开采之后，由于顶底板岩石的变形与破坏程度不同，在顶板方向依次形成顶板冒落带、裂隙带，经大量研究发现，不同的破坏带具有显著的电阻率差异，适宜于采用电阻率法来观测覆岩破坏过程。通常在工作面巷道中向工作面开采方向施工顶板钻孔，钻孔控制高度通常大于估计的顶板裂缝带高度。钻孔施工在回采采动影响前进行，一般距工作面距离在100m以上。在观测钻孔内布置电极后，需对电极钻孔注浆封闭以确保电极点耦合良好。随工作面向钻孔逐渐推进，钻孔电法探测系统将采集并记录采动前、采动影响过程中的电性参数，通过电阻率参数变化情况，分析冒落带和裂缝带发育高度及动态变化规律。
将直流电源的两端通过两个电极A、B向地层供电，在井下的导电全空间建立起稳定电场，通过测量电极M、N观测稳定电场的分布状态。该稳定电场的分布状态决定于不同电阻率的岩层(或矿体)的赋存状态。所以，观察稳定电场的变化和分布，可以了解岩层的地质情况。

图2-1  均匀电场分布

图2-2  井下低阻和高阻异常体对电流的吸引和排斥作用

如存在导电性不同或受到不同破坏程度的岩层，它们会影响电场的分布(如图2-2)，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，当井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；而当井下存在有良导体时，它将对电流有“吸引”作用，使大部分电流通过其本身。同样，完成岩体对电流有“吸引”作用，受到破坏的则对电流有“排斥”作用。这样，在井下观测到的电场将发生畸变，通过对畸变电场的分析，判断井下不同导电性地质体的赋存状态，这就是电阻率法的基本原理。
当通过供电电极A、B向地层发送电流I时，就在井下电阻率为ρ的均匀全空间建立起稳定的电场。在MN处观测电位差△UMN大小。均匀全空间电阻率计算表达式为：

其中称为装置系数，其单位为m。装置系数K的大小仅与供电电极A、B及测量电极M、N的相互位置有关。当电极位置固定时，K值即可确定。
在均匀各向同性的介质中，不论布极形式如何，根据测量结果，计算出的电阻率始终等于介质的真电阻率ρ。这是由于布极形式的改变，可使K值和I及△UMN也作相应的改变，从而使ρ保持不变。在实际工作中，常遇到的地电断面一般是不均匀和比较复杂的。当仍用四极装置进行电法勘探时，将不均匀的地电断面以等效均匀断面来替代，故仍然套用(2-1)式计算井下介质的电阻率。这样得到的电阻率不等于某一岩层的真电阻率，而是该电场分布范围内，各种岩石电阻率综合影响的结果，称之为视电阻率，并用ρs符号表示。因此视电阻率的表达式为:

这是电阻率法中最基本的计算公式。电阻率法更确切地说，应称作视电阻率法，它是根据所测视电阻率的变化特点和规律去发现和了解井下的电性不均匀体，揭示不同地电断面情况，从而达到探查目的。
(3)孔中电法探测方法
孔中电法探测技术，是基于电法勘探原理，利用井下钻场，施工顶板钻孔，在孔中埋设电极的方法对煤层回采中其顶板覆岩的裂隙带发育情况进行动态观测，结合裂缝发育机理可有效确定覆岩破坏的分布范围。

图2-3 孔中电法探测技术装置示意图

3 现场施工布置
根据探测任务及施工条件，孔1、孔2开孔位置在54101工作面3#导线点前34.5m处(如图3-1)。

图3-1 监测钻孔位置图

现场施工钻孔的技术参数见表3-2。

表3-2 现场监测钻孔参数表

4 成果分析
4.1 1#孔数据分析
图4-1为2024年10月2日、2024年10月18日探测视电阻率结果图，工作面回采位置距离孔口位置分别为178m、141m，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。钻孔控制范围内，整体岩层视电阻率值在40～120Ω·m之间，反映在受到开采破坏前上覆岩层的电阻率背景。

(a)2024年10月2日探测视电阻率背景值图

(b)2024年10月18日探测视电阻率背景值图
图4-1 2024年10月2日、2024年10月18日探测视电阻率背景值图

随着工作面的继续回采，受采动应力影响区域的逐渐扩大，部分受影响区域的视电阻率值也继续升高。图4-2为2024年10月23日至2025年1月2日探测电阻率结果图，工作面回采到钻孔孔底，距孔口距离由135m至0m。探测剖面中随着工作面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。而且，受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，形成垮落带和裂隙带。

(a)2024年10月2日探测视电阻率背景值图

(b)2024年12月8日探测视电阻率背景值图

(c)2024年12月10日探测视电阻率背景值图

(d)2025年1月2日探测视电阻率背景值图
图4-2 2024年10月2日至2025年1月2日探测电阻率结果图

通过1#孔2024年11月28日至2025年1月2日探测视电阻率剖面图，当回采位置靠近钻孔位置时，随着工作面的继续推进，探测范围内距孔底位置煤层顶板高度在9.5m和28.8m处，出现明显视电阻率分带现象，且在探测后期基本保持稳定，表明在这一阶段裂隙带发育充分，分析分别为垮落带和导水裂隙带的发育高度。
从视电阻率值方面，在0-9.5m层段，探测后期岩层电阻率值基本在200-300Ω•m之间，为平均背景值的3～5倍；在9.5-28.8m层段，探测后期岩层电阻率值基本在160-200Ω•m之间，为背景值的2～3倍。
根据1#孔探测成果，54101工作面垮落带探测发育高度约9.5m，导水裂隙带探测发育高度约28.8m。
4.2 2#孔数据分析
图4-3为2024年11月18日、2024年11月22日探测视电阻率结果图，工作面回采位置距离孔口位置分别为158.4m、146.6m，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。钻孔控制范围内，整体岩层视电阻率值在40～90Ω•m之间，反映在受到开采破坏前上覆岩层的电阻率背景。

(a)2024年11月18日探测视电阻率背景值图

(b)2024年11月22日探测视电阻率背景值图
图4-3 2024年11月18日、2024年11月22日探测视电阻率结果图

随着工作面的继续回采，受采动应力影响区域的逐渐扩大，部分受影响区域的视电阻率值也继续升高。
图4-4为2024年12月6日至2025年1月2日探测电阻率结果图，工作面回采过钻孔孔底，距孔口距离由77.4m至0m。探测剖面中随着工作面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。而且，受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，形成垮落带和裂隙带。

(a)2024年12月6日探测视电阻率背景值图

(b)2024年12月20日探测视电阻率背景值图

(c)2024年12月29日探测视电阻率背景值图

(d)2025年1月2日探测视电阻率背景值图
图4-4 2024年12月6日至2025年1月2日探测电阻率结果图

通过2#孔2024年10月12日至2025年1月2日探测视电阻率剖面图，当回采位置靠近钻孔位置时，随着工作面的继续推进，探测范围内距孔底位置煤层顶板高度在9.4m和29.2m处，出现明显视电阻率分带现象，且在探测后期基本保持稳定，表明在这一阶段裂隙带发育充分，分析分别为垮落带和导水裂隙带的发育高度。
从视电阻率值方面，在0-9.2m层段，探测后期岩层电阻率值基本在200-300Ω•m之间，为平均背景值的3～5倍；在9.2-29.2m层段，探测后期岩层电阻率值基本在140-200Ω•m之间，为背景值的2～3倍。
根据2#孔探测成果，54101工作面垮落带探测发育高度约9.2m，导水裂隙带探测发育高度约29.2m。
5 探测成果
综合以上分析，煤层采动过程中，顶板煤岩体结构受应力作用破坏后表现为视电阻率值不断升高，并且随着工作面的推进，高阻区也逐渐向孔口移动。在工作面正上方及前方受周期应力作用，岩体压实或松散时表现为视电阻率不断发生变化。
根据覆岩破坏电阻率值典型特征，结合区域基本地质条件，分析认为该煤层开采破坏后：
(1)垮落带最大发育高度为9.2m。与背景电阻率值相比，该段岩层电阻率值变化大，最大能达到4倍以上，为破坏垮落区的响应特征。参考54101工作面采高为2.80m，计算得出垮落带监测孔范围内54101工作面的垮采比为3.28。
(2)导水裂隙带最大发育高度为29.2m。与背景电阻率值相比，该段岩层电阻率值变化较大，总体达到2倍以上，为岩层裂隙发育区的响应特征。参考54101工作面采高为2.8m，计算得出导水裂隙带监测孔范围内54101工作面的裂采比为10.4。
6 结束语
通过工作面回采期间的孔中电法监测成果，可以很清晰的显示出随着工作面回采的不断推进，监测视电率剖面表现出一定规律，煤层顶板煤岩体结构受到集中应力破坏后表现为视电阻率不断升高，并且随着工作面向孔口推进，高阻区也逐渐向孔口移动，在工作面正上方及前方受周期应力作用，表现为视电阻率值不断改变，说明岩体在压实或松散的状态变化，直至达到稳定。通过孔中电法监测技术获得了54101工作面采后覆岩破坏资料，为矿井采场的合理化布置提供科学依据及安全保障，对矿井安全生产具有重要的指导意义。