電阻率法在覆巖破壞測試中的應用

摘 要：研究煤層上覆巖層在采動過程中的破壞特征是保證礦井安全開采的關鍵環節，確定巖體的破壞高度對開采工藝的選擇、安全煤柱的留設以及水害防治等具有重要意義。采用電阻率法監測某工作面煤層開采前、后的動態變化，劃分出巖體的破壞帶，為后續煤層的開采提供參考依據。

關鍵詞：覆巖；電阻率；動態監測；破壞帶

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.081

礦井煤層在開采過程中，由于原巖體應力場發生了告便，造成上覆巖層逐漸失穩形成彎曲下沉帶、導水裂縫帶和垮落帶。隨著礦井開采深度的不斷加大，開發力度不斷加強，高覆蓋層、大應力場的研究對礦井安全開采極為重要。本文在介紹幾種常見覆巖破壞的監測技術的基礎之上，采用電阻率測試某礦井上覆巖層在開采前后的動態響應，為煤層頂板“三帶”的劃分借鑒作用。

1 覆巖破壞測試方法

（1）數值模擬和物理模型法。模擬法包括數值模擬和相似材料的物理模型模擬，是最為常見的兩種研究煤層頂板破壞規律的技術手段。數值模擬法以其具有模型構建簡單，參數設置方便等優勢，在覆巖破壞中不可或缺的技術手段，不過礦井地質條件復雜多變，往往假設的模型與實際情況存在較大的出入，實際應用中應加以重視。物理模型模擬是基于相似原理的理論之上[1]，通過在室內構建礦井地質環境、煤層厚度、礦井壓力以及開采工藝等參數，研究巖層在開采過程的變形特征。同樣該方法也存在與實際礦井環境存在出入的問題[2]。

（2）地球物理法。地球物理方法是依據巖土體之間物理性質的差異為研究對象，利用儀器測定覆巖的變化特征，進而判斷出巖體的破壞高度。地球物理法在實際應用過程中，具有快速、準確和經濟等優勢，在工程應用中發揮很大的優勢。目前，應用于覆巖破壞的物探手段主要有淺層地震法，電阻率法，瞬變電磁法，聲波測井等。但是物探方法屬于間接手段，每種方法都有特定的使用條件，因此應用過程中應注意合理選擇。

（3）冒落鉆孔探測法。鉆孔法是一種最直接的探測方法，可直接揭露出破壞區的巖體特征，但是，所得到的數據只能反映鉆孔通過時的覆巖裂隙發育情況，不能得到其動態過程，并且只是一孔之見，難以全面放映出巖體的破壞特征[3]。

2 工程應用

（1）工程概況。某礦區為巨厚新生界松散層覆蓋條件下的全隱蔽式井田，根據井田鉆探資料，井田內地層從新到老依次為第四系、第三系、二疊系、石炭系和奧陶系等。由于井田面積較大，所處地質條件差異性大，不同采區和工作面采后覆巖破壞高度變化大，為保證安全開采對采取工作面開展覆巖破壞高度探測是必要的。

工作面推進中巖層的電性在縱向和橫向上發生的變化，代表了覆巖破壞和裂隙發育特征。因此，通過測取覆巖不同高度處巖層電阻率變化來分析其變形與破壞規律，這是電法監測覆巖破壞的地質基礎。導水裂隙帶發育僅為一定高度以下巖層電阻率所發生的變化，每次測試時以采動未影響到的巖層電阻率分布作為基礎，通過動態測試可以從時空規律上直觀分析巖層的破壞過程和規律[4]。

（2）探測布置及分析。為了研究巖體“三帶”的破壞高度，采用電阻率法動態監測開采前后上覆巖層的變化規律?，F場首先在工作面回風順槽布置2個鉆孔，每個鉆孔布置一定的電極，根據孔中埋設電極所測電阻率的變化探測覆巖破壞特征，鉆孔如圖1所示。在工作面開采前，采用探測儀器采集一組電阻率數據作為背景值，如圖2（a），背景值作為后續巖體破壞特征的參比。在工作面開采過程中，實施連續監測工作，進一步評價探測煤層開采后覆巖破壞“垮落帶”、“導水裂縫帶”的高度及覆巖破壞的形態變化特征。

數據處理時，先以煤層頂板為坐標0點，向上為正，向工作面切眼方向為橫坐標正向。所有電阻率結果圖像均采用統一圖標，藍綠色（冷色調）為較低電阻率值區，紅色調為較高電阻率值區。工作面距孔口距離16.1～3.9m見圖2（b）。采空區電阻率值顯著升高到400Ωm以上，電阻率值呈現明顯的分帶現象，垂高10m以下，電阻率值最高，普遍達400～500Ωm以上；垂高10～43m，電阻率值高低不均達300～500Ωm，為裂縫帶發育不均勻的反映；垂高43m以上，電阻率值多為100～200Ωm，分布相對均勻，電阻率值相對較低，為彎曲下沉帶的范圍?！叭龓А卑l育情況： 垮落帶高度為11m；導水裂縫帶高度為43m。

3 結論

本文在介紹覆巖破壞測試方法的基礎之上，采用電阻率法對煤層上覆巖體進行監測，監測成果為礦井的安全開采提供保障。

參考文獻：

[1]李向陽，李俊平，周創兵等.采空場覆巖變形數值模擬與相似模擬比較研究[J].巖土力學，2005，26（12）：1907-1912.

[2]劉向紅，劉盛東，胡彩春.原位探測技術在覆巖破壞監測中的應用[J].煤炭科技，2009（01）：44-46.

[3]吳榮新，張衛，張平松.并行電法監測工作面“垮落帶”巖層動態變化[J].煤炭學報，2012，37（04）：571-577.

[4]高召寧，鄭志偉，應治中.電法測試技術在覆巖破壞監測中應用[J].中國煤炭，2015（03）：36-39.

作者簡介：趙紅宇（1989-），男，安徽宿州人，本科，助理工程師，主要從事煤田地質勘察工作。