0 引 言
工作面顶板存在若干层坚硬的砂岩，往往为影响覆岩破坏的关键层或亚关键层[1]。覆岩主关键层位置会影响顶板导水裂隙带高度，当主关键层与开采煤层距离小于7～10倍采高时，顶板导水裂隙带将发育至基岩顶部[2-3]。对于厚松散层薄基岩坚硬顶板综采工作面，导水裂隙带高度是否能够发育到基岩面，是影响工作面安全回采的重要问题。安徽淮南潘谢矿区为隐伏式煤田，覆盖巨厚新生界松散层，由于基岩风化带距松散层底部含水层较近，掌握导水裂缝带高度对于水害防治及安全回采工作具有重要的意义[4]。
近年来前人在煤层工作面采用钻孔法对覆岩破坏进行了多种研究及应用，取得了良好的效果，确定覆岩变形与破坏的方法包括：采用井下钻孔注水法观测沖洗液消耗量变化 [5]；采用微震法观测采煤时诱导的微小地震事件 [6]；采用钻孔-巷道震波CT法监测采动影响顶板岩层速度变化 [7] ；采用钻孔光纤法监测岩层应变变化 [8]；采用钻孔电法监测岩层电性特征变化 [9-11]等。特别是采用钻孔电法探测，得到了广泛的研究与应用[9-14]，从覆岩破坏电性特征变化的数值模拟、相似物理模型实验，到煤层工作面覆岩破坏的现场实测，对钻孔电法监测覆岩破坏进行了系统的研究，取得了良好的效果，钻孔电法监测技术得到了广泛的应用。
由于坚硬顶板岩层垮落常滞后工作面形成悬臂梁[15]，前人尚无类似覆岩条件电法监测研究，能否采用钻孔电法监测导水裂缝带高度，能否反映出采动影响范围，是有待解决的问题。本文通过潘北矿工作面覆岩钻孔电法监测，分析工作面采动过程的电性参数变化特征，较好地反映了厚松散层薄基岩坚硬顶板岩层导水裂隙带发育情况及采动影响范围。
1 覆岩破坏钻孔电法监测原理
根据覆岩破坏直流电场理论计算及现场探测应用文献资料，采用崩坍法开采的煤层工作面，煤层开采后，对于未充水的老空区，覆岩破坏的“三带”具有不同的电阻率值特征：垮落带电阻率值最高，通常为原岩电阻率值的3倍以上；裂缝带电阻率值明显升高，通常为原岩电阻率值的1.5倍以上；弯曲下沉带电阻率值略有增加[10-13]。
在煤层工作面回采影响前，在工作面巷道向煤层顶板施工钻孔，钻孔内布置电极系统，注浆封孔确保电极耦合良好。在巷道中将钻孔电极电缆与电法仪相连，采集电法数据。随工作面逐步向钻孔推进，能够得到电极供电电流和视电阻率参数，可以反映出钻孔控制范围覆岩破坏的动态变化过程。
2 工作面概况及电法监测施工
淮南矿业集团潘北矿12128工作面，上覆第四系松散层厚338 m，煤层开采受第四系松散地层水威胁。工作面走向长610 m，倾向长130 m，所采8煤属二叠系下石盒子组，平均煤厚3.2 m，煤层倾角20°。煤层顶板基岩厚约50 m，顶板23.5 m以下为细砂岩和中砂岩地层，23.5 m以上至基岩面主要为砂质泥岩和泥岩地层(图1)。监测钻孔孔口距开切眼594 m，钻孔方位沿煤层走向，孔深70 m。钻孔测斜后安装电极电缆系统，然后注入水泥浆封闭钻孔，确保电极耦合良好。钻孔施工过程中存在淋水现象，注浆封闭后停止淋水。孔内电极电缆为高强度抗拉抗压电缆，电极间距1.8 m，共39个电极(图2)。由于33～39号电极位于钻孔金属套管内，受金属套管影响近于等电位，不能反映岩层电阻率值特征，不做分析。
图1 电法监测钻孔布置
Fig.1 Layout of borehole of electrical monitoring
从采煤工作面距钻孔孔口435 m时开始监测，到距钻孔孔口8 m时最后一次有效数据采集，数据采集情况见表1。采用并行电法仪定期下井人工采集数据，数据采集方式为AM法。裂高钻孔控制段采高2.9～3.6 m，平均采高3.4 m。
表1 数据采集日期与对应的采煤工作面距离
Table 1 Date of data acquisition and distance of corresponding mining face
日期距离/m日期距离/m日期距离/m2010-03-094352011-02-26932011-03-06482010-03-194102011-02-27882011-03-07412010-04-203852011-02-28832011-03-09352010-05-243702011-03-01782011-03-10292010-07-243082011-03-02722011-03-11232010-08-312982011-03-03682011-03-12162011-02-241042011-03-04612011-03-1382011-02-25982011-03-0554——
图2 钻孔地质剖面
Fig.2 Geological section of borehole
3 电法监测结果
3.1 电极电流
每次采集数据，所用仪器及供电电源相同，供电电压相对恒定，监测电极电流的变化主要源于工作面采动影响。由于各电极点的供电电流直接反映了各点的接地电阻大小，因此，电极电流的变化可以反映各电极所在位置接地电阻的变化[14]。而接地电阻与岩石电阻率值成正比[16-17]，电极电流值的变化也反映了岩石电阻率值的变化，电流值增大，反映岩石电阻率值变小；电流值减小，反映岩石电阻率值增大。采集数据经解编后，可以得到各电极的供电电流值。以数据采集日期为横轴，电流值为纵轴，得到各电极电流值变化图(图3)。
图3 电极电流值变化
Fig.3 Variation of electrode current values
根据日期的先后顺序，电流值的变化可分为4个阶段：
1)2010年3月9日到2011年2月24日为Ⅰ阶段，采煤工作面距钻孔孔口435～104 m。1号电极和4号电极电流值较稳定，电流变化幅度小于10 mA，受采动影响不明显；2号电极电流先下降后上升，最终电流约为初始值的90%；5号电极电流下降幅度约30%；其余电极电流均显著下降，降低幅度50%～70%。
2)2011年2月24日到2011年3月5日为Ⅱ阶段，采煤工作至距钻孔孔口逐减104～54 m。各电极电流值稳定，电流变化小于5 mA，受采动影响不明显。
3)从2011年3月5日到2011年3月11日为Ⅲ阶段，采煤工作面距钻孔孔口54～23 m，进入钻孔控制范围。1号电极和2号电极电流有所下降，最终电流值与监测初始值相当。5号电极电流显著上升，恢复到监测初始值，反映了该处的砂质泥岩裂隙得到了压实闭合，导致电流显著回升。18号电极电流先上升后下降，变化幅度小于10 mA，该电极位于细砂岩和砂质泥岩界面，受采动影响明显。其余电极电流略有变化，变化幅度小于5 mA。
4)从2011年3月11日到2011年3月14日为Ⅳ阶段，采煤工作面至钻孔孔口逐减23～0 m。3月12日1～16号电极电流强度降低到1 mA以下，反映该范围电极可能由于裂隙发育而悬空或已损坏，为坚硬直接顶板岩层垮落所导致。3月13日除24、26、28、30—32号电极电流在10 mA以上，其余电极电流均在2 mA以下，反映该范围裂隙很发育；1～23电极电流在1 mA以下，可能已经损坏。2011年3月14日工作面推进至钻孔孔口，所有电极均受破坏。
3.2 钻孔测线视电阻率
采集数据经解编后，利用WBD电法软件进行温纳三极高密度视电阻率法反演。以钻孔孔口为原点，沿钻孔方向为水平轴正向，得到沿钻孔测线高密度视电阻率成像图，再与钻孔地质剖面图(图2)相叠加，得到钻孔视电阻率结果变化图(图4)。
图4 钻孔视电阻率成像变化
Fig.4 Variation of apparent resistivity imaging in borehole
2010年3月9日开始监测时，采煤工作面距钻孔孔口435 m，所测结果代表了电法监测的背景电阻率值。测线38 m以下视电阻率值200～600 Ω·m，为中砂岩和细砂岩地层；测线38 m以上视电阻率值多小于200 Ω·m，主要为砂质泥岩和泥岩地层(图4a)。
2010年3月19日至2010年8月31日，工作面距钻孔孔口410～298 m。测线38 m以下视电阻率值有所波动；测线38～60 m范围视电阻率值逐渐增加到200～1000 Ω·m，受采动超前作用影响明显；测线60 m以上范围，视电阻率值略有升高，受采动超前作用影响不明显(图4b—图4e)。
2011年2月24日工作面距钻孔孔口104 m，测线38 m以下视电阻率值有所升高；测线38—60 m范围视电阻率值总体下降，但局部范围视电阻率值升高；测线60 m以上范围，视电阻率值略有降低(图4f)。2011年2月24日至2011年3月11日，视电阻率结果相似，局部范围视电阻率值有一定波动(图4f—图4i)。2011年3月12～13日半数以上钻孔电极悬空或受到损坏，视电阻率成像不能反映覆岩破坏情况。
4 综合分析
4.1 采动超前影响
2010年3月19日工作面距钻孔孔口410 m，电极电流值及视电阻率图像已发生明显变化，随后到2011年2月24日工作面距钻孔孔口104 m，大多数电极电流值持续下降，而视电阻率值总体也不断增大，说明钻孔控制范围岩层地电场已受采动影响，顶板高度0～40 m工作面采动超前影响范围可达410 m。而在淮南矿业集团张集矿工作面砂质泥岩顶板电法监测时，采动作用超前影响范围为60 m[14]，说明厚松散层薄基岩坚硬岩层顶板的采动作用超前影响范围更大。
同一监测条件下，电极电流值的变化反映了电极所在位置接地电阻的变化[14]。2011年2月24日6—32号电极电流值已下降了50%～70%，说明这些电极控制岩层的电阻率有显著升高[16-17](图3a—图3e)。这种电性参数变化可能不是由于采空区周边岩层变形与垮落导致，主要依据有：①电法监测时采空区向外侧电阻率升高的裂隙带范围为10～30 m[14]；②微震监测时微震事件主要集中在采空区外50 m内，反映了采空区外侧裂隙带范围小于50 m[3]；③由工作面巷道内液压支架压力监测表明，工作面采动超前支承压力范围距采空区为15～20 m[18]。
由于厚松散层底部存在含水层，本工作面顶板基岩段仅50 m厚，而风化带厚度30 m左右[4]，顶板岩层存在风化裂隙水，在覆岩钻孔施工中存在明显淋水。根据钻孔电法监测的各电极自然电位值(U0)变化(图5)，2010年4月20日6—12号电极、5月24日6—17号电极，自然电位值由低到高；由于地下水流动在自然电位场上具有 “水流方向上为高电位、背水流方向为低电位”的特征，说明垂高25～38 m范围存在地下水由上向下的运移，导致该范围电阻率值升高而其下部电阻率值有所下降(图4c,图4d)。2011年2月24日以后6—17号电极自然电位，自然电位值“由低到高现象”不明显，说明垂高25～38 m范围无明显的地下水运移。本次监测前期的电极电流值显著下降和视电阻率值显著升高是由于采动影响风化带裂隙水含量减少所导致[19-20]，裂隙水减少的通道可能为岩层层面附近裂隙或采动应力超前影响诱发的裂隙。
图5 自然电位变化
Fig.5 Variation of spontaneous potenlial values
4.2 覆岩破坏
由钻孔视电阻率成像变化知(图4)，钻孔深度60 m以下视电阻率值显著高于监测开始时的视电阻率值，反映了导水裂缝带的发育范围；钻孔深度60m以上视电阻率值监测过程中无显著变化，反映了弯曲下沉带的电性特征。
由电极电流值变化知(图3)，在钻孔电极未破坏前，1～5#电极控制部分总体表现出较高的电极电流值，略低于监测初始值，反映岩层电阻率值变化不大，为弯曲下沉带特征。6—32号电极均受采动影响，电极电流值显著下降，为裂隙带范围。2011年3月12日1—16号电极可能由于裂隙发育而悬空或已损坏，采空区上方坚硬直接顶板岩层已垮落，滞后工作面位置16 m；3月13日1—23号电极悬空或已损坏，反映采空区上方坚硬顶板岩层继续垮落，滞后工作面位置9 m。可见，顶板的关键层垮落滞后工作面为9～16 m，反映了顶板关键层的悬空长度。3月11日1—5号电极下方岩层在采煤工作面后方23～29 m(图6)，根据顶板悬空长度，推断其下方坚硬顶板岩层已经垮落，导水裂缝带高度未发育到垂高37 m以上；由于垮落带的范围距钻孔电极位置相对较远，在图6中无明显反映。本工作面顶板垂高37 m以上为砂质泥岩和泥岩，由于风化泥岩具有亲水性、遇水软化及隔水性等特点，有利于抑制煤层开采破坏裂隙在其间的产生和发展[4]，5号电极处的电流值变化反映了该位置风化砂质泥岩裂隙在采动应力作用下存在闭合现象(图2a)。
图6 覆岩破坏解释
Fig.6 Interpretation of overburden failure
综上所述，本工作面的导水裂隙带高度为37 m，导水裂缝带未发育到基岩面。
4 结 论
1)厚松散层薄基岩坚硬顶板工作面钻孔电法监测过程，弯曲下沉带内电极电流值和视电阻率值较为稳定，受采动影响程度较小；导水裂缝带内，受采动影响风化带裂隙含水量减少，电极电流值明显下降，视电阻率值明显升高，顶板高度0～40 m工作面采动超前影响范围可达410 m左右。
2)工作面导水裂隙带高度为37 m，导水裂缝带未发育到基岩面，风化砂质泥岩裂隙在采动应力作用下存在闭合现象。
3)工作面坚硬顶板砂岩地层为覆岩破坏的关键层，控制采空区顶板岩层的垮落过程，坚硬顶板垮落滞后工作面9～16 m。
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