表面伪3D时间延迟电阻率（ERT）技术揭示了超厚煤层中滞后水涌的时空演化机制

《Scientific Reports》：Surface pseudo-3D time-lapse ERT reveals the spatiotemporal evolution mechanism of lagged water inrush in ultra-thick coal seams

　　

摘要

在陕北风成沙地区，对超厚煤层进行全机械化顶煤垮落开采过程中形成的导水裂隙具有显著的非线性和滞后特性，这使得水涌灾害难以被发现和预测。为克服干地表沙层的高阻力屏蔽效应以及深层微弱信号的提取难题，本研究在曹家滩煤矿122105工作面建立了一套地面伪三维时序高密度电阻率成像（ERT）监测系统，采用了“人工湿润土壤+深埋电极”技术。结合各向异性约束反演与时序成像技术，通过现场矿井水文数据对开采引起的覆岩破坏动态过程进行了可视化分析。研究结果表明：(1) 水涌中心并不位于开采前进线，而是表现出明显的“时空滞后”特征，滞后距离约为110米，这与高位关键层断裂的极限跨度高度吻合；(2) 滞后的水涌通道在三维空间中呈现“漏斗形”结构（顶部宽、底部窄），表明其形成是由于关键层断裂时上部分离“集水区”与下部剪切“导流管”之间的流固耦合作用；(3) 电阻率成像（T2）捕捉到的通道连接时刻与矿井涌水高峰完全同步，随后24至48小时内涌水量迅速达到峰值（310立方米/小时），证实了流场与地电场响应之间的高度一致性；(4) 采空区中的导水通道具有自修复能力；当滞后距离超过150米时，由于垮落区的压实作用，通道底部会优先闭合。基于这些发现，提出了将监测视野调整至工作面后方0-150米范围内的预防措施，并提出了“在漏斗区实施高位拦截、在压实区实施低位排水”的立体控制策略。