高承压岩溶水体上煤层开采主要采用疏水降压和带压开采两种方法(吴基文等，2009; 李彩惠，2010)，但随着开采深度的增加，疏水降压难度大，不仅浪费了大量宝贵的水资源，而且疏放时间长，影响生产接替，所以这种方法基本不用.目前主要采用底板注浆加固与含水层改造方法，实现煤层带压开采(李自黎，2006；胡荣杰等，2011).但以往对未注浆底板的采动变形破坏特征进行了较多研究，而对注浆后底板的采动效应特征研究较少.鉴于此，本文以恒源煤矿Ⅱ615工作面为对象开展了这方面的研究工作.

底板采动效应受多种因素影响，包括开采工艺、工作面尺寸、地质和构造条件等.工作面回采过程中，相对于底板某一位置的采动效应是动态变化的，其间采动效应所反映的是应力的不断调整、变化，并导致岩层产生相应的变形.当底板内应力调整和岩层变形趋于稳定后，采动效应所反映的是底板扰动深度及该深度范围岩层的变形破坏程度(吴基文等，2010).

20世纪80年代以来，全国已进行了许多有关底板采动破坏的现场观测.常用的观测方法有钻孔注水法、电磁波法、钻孔声波法、超声成像法和震波CT技术等(张金才和刘天泉，1990；高延法和李白英，1992；王希良等，2000；王连成，2000；张红日等，2000；关英斌等，2003；施龙青等，2004；张平松等，2006；高召宁和孟祥瑞，2011).但是，现场观测受技术方法条件的限制，对岩层变形与破坏的判断准确率低.如钻孔注水法为点式间断观测，难以确切反映底板采动破坏的变化形态和破坏深度；地震波法现场施工中震源操作不易控制，工序烦琐；张文泉等(2000)采用钻孔注水系统和刘传武等(2003)采用声波检测技术进行了底板采动破坏过程的连续探测研究，但受方法本身所限，在施工难度及探测精度等方面都存在一定的不足；电磁波法(如瞬变电磁法)主要用于中深部水文勘探，抗干扰能力较直流电阻率CT技术低，受人为设施干扰大，存在浅部勘探盲区，成本高等缺点.直流电阻率CT技术相对于电磁波法技术(施龙青等， 2009，2013)，理论方法比较成熟，施工技术简单，抗干扰能力强，且成本较低.为此，本次研究采用电阻率CT探测技术，结合皖北煤电集团恒源煤矿Ⅱ615综采工作面回采过程中孔-巷间观测剖面进行动态数据采集与处理，为底板注浆效果评价和矿井水害防治提供更加科学的参数依据. 1 孔巷间电阻率CT法测试原理 1.1 底板采动效应电阻率CT响应原理

电阻率对煤层底板采动破坏的响应明显(张朋等，2011).工作面在开采过程中，破坏了原岩应力场的平衡状态，引起了应力重新分布.在老顶岩层尚未破断以前，老顶将被煤体所支撑，此时可将老顶岩层视为固支梁，它与采空区前后支撑体形成一完整的结构体系，承受上覆岩层的载荷，并把这种载荷向四周传递，形成支承压力.随着回采工作面的推进，上覆岩层形成的结构经历稳定—失稳—再稳定的周期性过程，以及采空区为岩体的移动提供了自由空间，促使采场周围的应力再次发生改变，在工作面前方形成了超前支承压力，它随工作面推进而不断推移.在工作面后方，采空区冒落矸石将逐渐进入压实状态，支承压力逐渐恢复到原岩应力状态，由于支承压力的作用，对采场周围岩层变形产生影响.

在采动影响下，工作面前方底板岩层由于受超前支承压力的作用而处于增压区内，使该处的煤层底板受到压缩，岩层内部垂直于支承压力的原始裂隙出现闭合或压密，岩石电阻率有所降低，但幅度不大，该区称为压缩区.在工作面后方，由于采空区范围内底板应力的释放，这部分底板岩层从压缩状态转为膨胀状态，由于应力释放，还可能出现垂直裂隙与层间裂隙贯通，特别是在回采工作面后方10 m左右，膨胀比较剧烈，该区称为膨胀区，由于煤层底板岩性常为泥岩或砂岩，加之煤层回采时降尘喷水和顶板岩层淋水，底板破坏带多为含水状态，因此，因充水膨胀区岩石的电阻率大幅下降.当底板岩体处于采空区重新压实的冒落矸石下时，扩张的裂隙部分闭合，又从膨胀状态转为压实状态，重新压实区电阻率有所增高，但与原岩相比还是低阻.从已有的研究来看(赵贤任等，2008；刘树才等，2009；王家臣等，2010)，过渡区电阻率与原岩变化不大.因此，随着底板岩体经历原岩应力—支承压力增大—支承压力减小—支承压力恢复的变化，其电阻率也做出相应的变化，据此，通过开采前的电法背景测试，可得到原岩应力条件下的电阻率图像.在开采期间连续监测，可得到底板电阻率的连续变化图像；在开采后，持续监测一段时间，可得到其稳定后的电阻率图像.通过不同阶段的电阻率变化情况，可以准确地判断底板岩体的破坏程度和深度.

在此要说明的是，若破坏带内不含水，则破坏带的电阻率值会升高，升高的幅度越大，则破坏越完全，电阻率值没有明显变化区域，即为未破坏区；若破坏带内充水，则该破坏带内的电阻率值会明显降低.工作面底板的原始导升带在矿山压力和地下水压力作用下向上发展，低阻带会向上发展.

1.2 成像方法原理

孔间电阻率CT法是利用探测区内钻孔作为点源发射区或测量区而获得电场在空间上的分布特征的一种物探方法.由于电阻率与地层的岩性、岩石孔隙及孔隙中的流体性质有直接关系，因此孔间电法成像对于识别破碎带、断层、油气层、水源及污染等问题非常有用，孔间电法成像比常规电阻率勘探方法更高的分辨率.

孔间电阻率成像是在地面或者一钻孔中按一定间距设置源点，在地面或者是另一钻孔中设置一定数量的接收点，依次激发源点，在地下产生相应的稳定电流场，用接收点处测得的电位值来重构两孔之间介质物理性质差异的图像，从而解决煤田勘察和工程勘察等问题.其工作原理如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 孔间电法成像工作示意图Fig. 1 Schematic diagram of electrical imaging in boreholes

井下测试中是在1#钻孔中控制一路电极，2#钻孔中控制另一路电极，两孔64个电极即可形成一条测量线，通过不同位置电极点的组合实施连续测量，形成层析数据体，可以得到不同供电电极不同测量电极对应深度的电位值或电阻率值.依次交换供电电极，重复上面的步骤，直到完成设计的供电电极数目为止.

1.3 数据采集方式

数据采集仪器为并行电法仪，其最大优势在于任一电极供电，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，采集数据效率比传统的高密度电法仪又大大提高，是电法勘探技术的又一次飞跃.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数据反演，而且可进行高分辨地电阻率法反演.该系统的另一个特点是可实现数据的远程采集，通过仪器专用软件系统、数据Modem以及电话线的连接，实现电法数据的实时远程监测，大大减少现场的工作量，效果良好.

1.4 孔间电阻率反演

电阻率三维反问题的一般形式可表示为

Δd=GΔm，

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.Sasaki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Δm的算法为

(G^TG+ λ C^TC)Δm=G^TΔd

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.通过在钻孔间形成的电法测线，观测不同位置不同标高的电位变化情况，通过三维电法反演，得出孔间岩煤层的电阻率分布情况，从而对岩层富含水性等特征给出客观的地质解释.

2 Ⅱ615工作面底板采动效应孔巷间电阻率CT法监测与分析 2.1 Ⅱ615工作面概况

Ⅱ615工作面位于Ⅱ61采区中上部右侧，设计为倾斜长壁、综采工作面.工作面走向长475~590 m，倾斜宽为213 m.工作面风巷标高为-428.0~-461.8 m，机巷标高为-452.2~-482.1 m，切眼标高为-428.0~-452.2 m.6煤层厚度1.9~3.3 m之间，平均为2.8 m，为稳定的中厚煤层，可采储量38.1万吨.根据工作面钻孔揭露资料，恒源煤矿Ⅱ615工作面6煤层底板平均厚度47 m，上部主要由泥岩、细砂岩组成，局部夹粉砂岩条带，下部由深灰色致密海相泥岩组成，其下为太原组薄层灰岩，6#煤层开采主要受太原组灰岩溶水影响.根据现有资料计算，Ⅱ615工作面6煤底板承受太原组灰岩水压为2.40~2.94 MPa，其突水系数大于临界值.电法探查结果表明：Ⅱ615工作面底板共有8个赋水异常区，容易引起灰岩水沿砂、泥岩段岩层裂隙通道涌出，给煤层回采造成水害威胁，为此，实施了Ⅱ615工作面底板钻探探查注浆加固和灰岩含水层注浆改造等工作.

2.2 Ⅱ615工作面底板电阻率CT法现场施工技术方法

2.2.1 工程布置与施工

1)钻孔位置：在工作面机巷中专门设置钻场，施工底板钻孔电法探测系统，布置2个倾角不同的钻孔，进行钻孔间电法成像.钻孔的技术参数见表 1，1#和2#探测孔均为俯角孔，两个钻孔在同一垂直剖面上，形成有效的探测与监测空间.结合钻探资料，对孔中各个电极布置进行了合理安排，图 2为钻孔地质剖面及电极总体布置示意图.其中，1#钻孔中60 m长度内共布置32个电极，电极间距为1.2 m；2#钻孔中60 m长度共布置60个电极，电极间距为1 m，两者所形成的探测区间有利于进行全电场数据采集.

表 1(Table 1)

表 1 现场监测钻孔参数表 Table 1 Parameters of monitoring broehole in the field 孔号 与机巷夹角/° 与煤层夹角/° 孔径/mm 孔深/m 套管长度/m 钻孔控制范围 1# 30 俯10 91 60.0 7 垂高距煤层底板9 m，平距52 m 2# 30 俯30 91 61.2 7 垂高距煤层底板35 m，平距52 m

表 1 现场监测钻孔参数表 Table 1 Parameters of monitoring broehole in the field

图 2

Fig. 2

图 2 监测钻孔地质剖面和电极布置示意图Fig. 2 Schematic diagram of monitoring borehole geological section and electrode arrangement

2)钻孔施工程序

(1)开孔与注浆：本次测试工程布置在钻窝中进行.现场由地质技术人员放孔后紧贴内帮指向切眼开钻，开钻孔径为127 mm，终孔孔径均为91 mm.当钻进10 m左右时，安装套管7 m，并加锁口后注浆封闭.然后重新开启锁口，扫孔钻进至预定深度.

(2)正常钻进及测斜：严格按照给定的钻孔参数正常钻进，全取芯，编录钻孔岩芯柱状图，终孔后测斜.

(3)孔内安装：钻孔到位后即时进行现场安装.钻孔1布置32个电极，电极间距1.2 m；钻孔2布置60个电极，电极间距1.0 m.

(4)注浆封孔：孔中电极及各种传感器安装完成后进行注浆封孔，注浆必须等排气孔返浆后方可结束.

探测钻孔结构如图 3所示.

图 3

Fig. 3

图 3 探测钻孔结构示意图Fig. 3 Schematic diagram of detection hole structure

(1)数据采集

现场电极安装完毕后，首先将两孔中电极连接线按设计顺序接好，并布置好必要的电极电位参照点(无穷远极B极与N极).待钻孔中水泥浆固结后，开始测量背景电阻率值.在回采工作面距监测钻孔120 m以前时，均可视为非监测灵敏阶段，通常回采工作面每推进20~40 m采集一次数据.在回采工作面距监测钻孔孔口60 m以内时，为监测灵敏阶段，回采工作面每推进约5 m采集一次数据.为更好地观测采后底板破坏稳定情况，需将孔中电缆置入铁管内向外延伸40 m，以保护电极电缆来观测工作面推过钻孔后的情况.工作面回采至孔口，完成了整个现场数据采集任务.现场每天实际采集数据在4组以上，包括0.5 s~50 msAM数据3组和0.2 s~100 msABM数据三组，目的是加强对数据采集有效性的验证.对于电阻率变化较大的时间，每天选取其中较为稳定的一组进行数据反演与解释，另两组作为对比参考.监测过程中总共采集数据29个工作日，采集有效物理数据点数350784个.

(2)数据处理

电法数据处理主要是先进行数据解编—电流、电位奇异点剔除—多种装置数据提取—AGI文件格式转换，然后将转换数据文件导入专用孔间电阻率透射CT成像软件进行数 据反演，获得孔巷间岩层电阻率图像.根据稳定电流场的分布规律，结合直流电法观测系统布置情况，为获得合理有效测试区域内电阻率分布情况，需将探测区域划分成网格单元.

孔巷间电阻率CT反演是利用AGI软件进行数据反演的.将经过预处理的电流电位数据体及其相应的坐标文件导入后选用孔间ERT方法，反演方法采用收敛程度较高的阻尼最小二乘法(Damped Least Squares)，正演计算时利用测试区域内平均视电阻率作为初始模型，通过有限元法(Finite Element Method)计算模型响应数据，获得初始模型正演视电阻率值，然后将该模拟计算视电阻率值与实测视电阻率值不断进行比较、拟合，最终使得正演计算值与实测值趋于一致或误差最小，此时各划分网格单元内的模型电阻率值便是反演电阻率值，提取并利用Surfer作图软件绘制可得孔巷间的电阻率等值线图.

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.

2.3 孔间电阻率CT监测成果

2.3.1 背景电阻率

图 4为底板岩层背景视电阻率成像结果剖面.从图中可以看出，在回采工作面距监测范围较远时(离孔口120 m以上)，电阻率值总体较低(<150 Ω·m)，其中泥岩段电阻率更低，仅在40 Ω·m以下，而细砂岩和粉砂岩段电阻率值稍高为50~150 Ω·m，其地层岩性变化特征较为明晰，为后续煤层采动影响时岩层变形与破坏电阻率值对比提供了良好的基础.

图 4

Fig. 4

图 4 底板岩层钻孔视电阻率成像剖面图(背景值)Fig. 4 Resistivity imaging profiles of the bottom strata in borehole(background)

为提高对岩层变形与破坏的电性差异的分辨率，本文对观测电阻率数据采用比值法进行计算，将每次测试值ρ_i与背景电阻率测试值ρ₀相比，即获得异常系数

这样可以突出异常区，则γ大于或小于1的位置为电性异常区域.对每一次测试数据进行计算与对比，即可找出底板岩层变形与破坏规律.

2.3.2 采动变化过程

井下采集数据共29次，由于采集数据量大，为了突出底板岩层受采动影响的变化特征，这里仅取其中几个关键位置视电阻率测试分布值与背景电阻率测试值作比值，形成的比值剖面图较好地表达了底板岩层电性参数的变化，其变化过程较明显.简述如下：

当工作面推进至距孔口70.5 m处，工作面推进还没有进入监测区域，底部岩层整体视电阻率值基本没有变化，分析为未受采动影响，见图 5a.

图 5

Fig. 5

图 5 钻孔探测区域岩层视电阻率比值分布图Fig. 5 Distribution diagram of strata resistivity ratio for borehole exploration area

随着工作面的推进，底部岩层视电阻率值开始发生变化.当工作面推进至距孔口62.2 m处，比值大于1的区域出现(见图 5b)，表明局部电阻率值有所增加，其中在切眼前方附近底板岩层电阻率值较背景值显著增大，分析为采动应力超前效应引起.

当工作面推进至距孔口50.4 m处，局部视电阻率值继续增加，横向破坏显著，尤其在底板深度14 m以浅的局部岩层变形与破坏特征相对明显(见图 5c).

随工作面推进，岩层视电阻率比值分化较为明显，与背景电阻率测试值对比表明，岩层变形与破坏特征通过电阻率比值增加的特征反映更为清晰，发生了较大的变化，局部视电阻率比值达到3以上，其中在深度14 m内的砂泥岩组成部位，为视电阻率比值变化突出位置，见图 5d-g.

2.4 底板变形与破坏特征分析与评价

受采动影响，煤层底板岩层发生变形和破坏，岩层破碎后向上进入采空区，岩石碎胀，电阻率值升高数倍以上.底板下部的岩层“弯曲变形带”带内，岩层中较少有裂隙发育，但由于上部岩层破坏，其下部岩层会逐个向上弯曲变形，在岩层界面附近常有裂隙或真空离层发育，在离层裂隙发育阶段，视电阻率值明显升高，局部闭合后视电阻率值下降.

结合岩层背景电阻率值大小，以及岩层变形与破坏过程中电阻率值的变化特征，可确定岩层破坏的电性判断标准.从电性参数比值剖面图中可知：底板下方14 m内岩层视电阻率比值差异大，其变化达1.0~3.0倍左右，说明其电阻率的变化较背景值成倍发生，为裂隙发育所致，特别是底板深度6~8 m以内，电阻率的比值多在2.5~3.0以上，可以看作为底板破坏强烈段；而底板下方14 m以深的部分岩层，测试过程中电阻率比值整体保持为1左右，局部稍有变化，可以看成未发生破坏区域.

根据底板破坏岩层视电阻率比值典型特征，结合区域基本地质条件，分析认为：6煤层开采过程中底板岩层变形与破坏的最大深度为14 m左右，该段岩层电阻率比值整体较高，基本上超过背景电阻率值1.5倍以上，有的甚至达到3倍以上，为典型的底板破坏带特征.

从底板破坏带与工作面位置关系来看(图 5b-g)，可以比较与分析底板破坏前缘与工作面位置的相对关系.底板破坏位置多表现出一定的超前工作面位置，超前距离为0~10 m，此超前距离的裂隙发育为采动应力的综合影响范围.

通过底板跨孔电法CT监测，结合工作面地质资料综合分析，认为：

(1)Ⅱ615工作面6煤层开采过程中底板破坏带深度为14 m左右，该段岩层电阻率比值整体较高，基本上超过背景电阻率值1.5倍以上，有的甚至达到3倍以上，为典型的岩层破坏特征，其中8 m深度以内为岩层破坏裂隙特别发育范围.

(2)煤层底板破坏存在一定距离的超前影响，该范围通常为0~10 m.

恒源煤矿曾在Ⅱ614工作面开展了底板破坏深度监测研究工作.该面为恒源矿井二水平首采面，采用疏水降压方法，实现了煤层的安全回采.该面在回采期间采用震波CT技术对底板采动破坏特征进行了探测，结果为：Ⅱ614工作面在综采条件下，其煤层底板采动破坏分带特征明显，呈“两带”分布，其中底板岩层破坏带在0~9.8 m范围，而裂隙发育带在9.8~14.9 m范围(李运成，2006).

与Ⅱ614工作面监测结果相比，底板破坏均存在分带性(吴基文等，2010)，但与本次探测的底板破坏深度存在差异，如表 2所示.同样的开采条件，注浆后底板破坏深度减小了，说明底板注浆加固和含水层改造后对抑制底板破坏有较显著的效果.

表 2(Table 2)

表 2 恒源矿井底板注浆前后破坏深度探测结果对比 Table 2 Detection results of coal seam floor’s failure depth before and after grouting in Hengyuan Coal Mine 工作面名称 标高/m 宽度/m 开采方式 底板破坏深度/m 备注 强破坏带 裂隙带 Ⅱ615 -430~-460 213 综采 8.0 14.0 底板注浆 Ⅱ614 -430~-460 130~190 综采 9.8 14.9 底板未注浆

表 2 恒源矿井底板注浆前后破坏深度探测结果对比 Table 2 Detection results of coal seam floor’s failure depth before and after grouting in Hengyuan Coal Mine