并行電法礦井水害探測技術研究與應用

夏毅民，尹奇峰，鄭劉根，趙紅飛

(1.安徽大學 資源與環境工程學院，合肥 230601; 2.中鐵四局集團工程有限公司，合肥 230022)

0 引言

在煤炭開采過程中，礦井水害易造成作業人員的重大傷亡，并帶來嚴重的經濟損失，對工作面周圍巖層賦水異常區域及導水通道的判定是礦井水害防治的關鍵[1]。長期以來，礦井直流電法采用常規電法儀進行單巷電測深法、電剖面法或高密度電法探測工作，并獲取巷道垂向地電信息來推斷巷道附近的巖層富水性，在煤礦水害預測預防中發揮著重要作用[2]。其中，中國礦業大學自20世紀90年代以來采用活動MN法施倫貝爾三極測深裝置對巷道周圍地質異常體進行探測并取得良好的應用效果[3]；西安煤科院礦井電法研究室自1995年開始進行巷道間直流電透視技術研究；山東科學技術大學也將直流電法應用于礦井突水構造探測，極大地提高了礦井探測效率[4-10]。然而，由于礦井工作面可利用的空間有限，且采動煤巖體電性動態變化特征顯著，傳統直流電法勘探采集數據量有限且施工效率較低，無法滿足高效率煤礦開采的實際需求。針對此問題，劉盛東等[11-12]研發的網絡并行電法，采用“分布式并行智能電極電位差信號采集方法”，能夠有效提高直流電法數據采集速度。因此，結合并行電法數據采集特點，針對不同的礦井水害類型建立礦井巷道物理模型，并提出相對應的觀測系統進行數據采集：在工作面巷道內布置線型測線，采用ABM法探測底板水害；在巷道超前探測中建立U型觀測系統對巷道前方異常進行定位分析。最終，將研究成果應用于實際礦井水害探測工程，并取得了良好的應用效果，為煤礦安全開采提供技術支持。

圖1 高密度電阻法裝置示意圖

圖2 溫納裝置數據采集示意圖

1 方法原理

直流電法勘探是以地下介質的電阻率差異為基礎，通過觀測和研究人工電場的變化和分布規律，反演獲得探測區內部介質的電阻率分布特征[13-14]，進而解決地質問題的一種勘探方法。傳統高密度電法的裝置類型包括α、β和γ三種[15-16]，如圖1所示，其中最常用的α溫納裝置在測量時，通過A、B電極向地下供電，M、N電極測量電位差，AM=MN=

NB=AB/3為一個電極間距，A、B、M、N逐點同步向右移動，取隔離系數n=1得到第一層數據，再逐漸增大隔離系數使電極間距等比例放大，可得到第2層、3層，…，直到第n層數據，如此不斷掃描測量獲得如圖2所示的倒梯形斷面[17]。由此可見，高密度電法采用串行循環采集方式易出現閑置電極，在巷道空間內難以完成大數據量采集，工作效率較低且固定極距的設定會人為造成假異常。

并行電法采用“分布式并行智能電極電位差信號采集方法”，即在供電的同時連續測量所有測量電極的電位歷時曲線，通過激勵獲得的電流和電位的時空曲線解編獲取任意電極的自然場、一次場、二次場的響應電位，結合觀測系統參數反演獲得電阻率剖面[2]。并行電法工作方式分為AM法和ABM法，圖3(a)為AM法數據采集過程中供電電極A循環至27號電極時，其他測量電極M與公共參考電極N的電位差衰減曲線；圖3(b)為ABM法數據采集過程中，18號、41號電極承擔A、B供電電極，剩余測量電極M與公共參考電極N的電位差衰減曲線。由此可見，并行電法在供電測量過程中沒有閑置電極，從而極大地提高野外勘探的效率及數據采集量。

此外，并行電法現場測量時，假設電極距為5 m，電極總數n=64，每次測量供電時間為1 s，若采用AM法測量，測量自然場和一次場各1 s，128 s即可完成掃描采集任務，且從AM法數據中能夠解編出二極裝置與三極裝置的電性參數，其中二極裝置的視電阻率數據總數為n(n-1)，三極裝置的視電阻率數據總數為n(n-1)(n-2)/3，比傳統高密度電法的采集效率提高(n-1)(n+1)/3倍；若采用ABM法進行測量則半小時內完成，同樣從中可解編出溫納、偶極與微分3種視電阻率數據，比常規高密度電法儀采集方式的效率至少提高了n(n-1)(n+1)/3倍[18-19]。

圖3 并行電法AM法與ABM法電位衰減趨勢

圖4 并行電法物理模型與電極布置

圖5 底板高阻異常體探測電阻率剖面

圖6 超前探測低阻異常體電阻率平面圖

2 模型測試分析

2.1 模型建立與數據采集

筆者主要采用并行電法對巷道底板及掘進前方含水異常體進行探測研究。選擇長1.20 m×寬0.30 m×高0.50 m的玻璃槽作為實驗模具，首先設計如圖4(a)所示的巷道底板異常體探測模型，其中模擬巷道尺寸為1.00 m×0.20 m×0.10 m，模型中填充高度約0.3 m的實驗沙土，在模擬巷道底板布置線型觀測系統，共布置16個電極(其中測量電極14個，無窮遠電極B和N布置在模型邊界，防止距離過近產生的電場對實驗數據產生干擾)，單位電極間距為2 cm，巷道底部放置一直徑為5 cm的高阻異常體，模擬過程中以水槽左下角為原點建立坐標系，則異常體坐標為(0.23 m，0.05 m，0.15 m)。由于線型觀測方式無法實現對巷道前方異常體探測，因此在上述模型基礎上設計改進的U型觀測系統對巷道前方異常進行定位分析，模擬巷道尺寸改為0.80 m×0.20 m×0.10 m，如圖4(b)所示，在模擬巷道中共布置16個電極，其中14個測量電極布置成U型觀測系統，無窮遠電極B和N遠離巷道工作面布置，單位電極間距為5 cm，則U型框寬為0.15 m，長為0.30 m，巷道前方5 cm處放置一低阻金屬體。實驗中采用并行電法ABM裝置進行數據采集，采用正負正供電形式，供電時間為0.5 s。

2.2 數據處理分析

從采集數據體中提取溫納對稱四極裝置數據進行分析，并利用RES2DINV進行反演處理，該二維反演程序是基于圓滑約束最小二乘法的反演計算程序，使用了根據準牛頓最優化非線性最小二乘新算法。巷道底板探測實驗處理結果如圖5所示，圖中色標由藍色到紅色反映電阻率由低到高的變化趨勢，從圖5分析可知，在(0.15 m，0.23 m)處有明顯高阻異常(圖中黑線圈位置)，其位置與正演模型吻合，且電阻率逼近真實值，完成模擬巷道底板地質異常體探測。模擬巷道掘進前方探測實驗數據處理結果如圖6所示，圖中巷道迎頭前方0.20 m處出現明顯的藍色低阻異常區域(黑色虛線劃出)，同樣與物理模型布置的低阻異常體位置一致，說明通過改進后的U型觀測系統能夠對巷道掘進前方含水異常體進行有效探測，達到巷道超前探測目的。

圖7 實際探測并行電法觀測系統示意圖

圖8 巷道底板探測視電阻率圖

圖9 巷道前方探測視電阻率圖

3 實際應用

實際礦井水害探測工程位于山西運城杜家溝煤礦，其工作面屬于太灰水帶壓開采，煤層頂底板以砂巖為主，由于裂隙相互溝通，局部巖層中存在裂隙含水，施工過程中已出現少量淋頭水和滲水，對巷道正常掘進施工產生影響。為確保安全生產，需要提前查明巷道底板及掘進前方太灰水及奧灰水富水區域和導水因素，以便采取相應的防治水措施。根據前期研究成果，本次水害探測工程采用并行電法分別對巷道底板及掘進前方含水異常體進行探測，并分析了探測區的含賦水地質構造分布狀況。

首先，以線型觀測系統在回風巷底板布置64個電極，電極間距為5 m，探測總長為315 m，為防止無窮遠B極對數據采集造成干擾，將B極放置在巷道外，測線布置如圖7(a)所示，實際探測中布置多條測線；利用U型觀測系統進行超前探測時，由于巷道空間有限，巷道寬度僅為12 m，為最大限度提高探測深度及效率，只在巷道迎頭布置三個電極，電極間距為5 m，其余電極沿兩條平行測線均勻布置于底板，整體呈U型，電極間距也為5 m(圖7(b))。

實際數據采集以ABM法進行，數據采集參數為0.5 s恒流，50 ms的采樣間隔，采集電流為單正方式，則單次采集時間約半小時。經反演處理得到巷道底板(圖8)與超前探測(圖9)電阻率分布圖，圖8(a)和圖8(b)分別為兩條線型測線獲得的底板電阻率剖面圖，在K1、K2處存在明顯低阻異常區域，形態為上小下大，且發育較深，具有巖溶塌陷特征。后經礦方鉆孔驗證，K1和K2異常區分別施工2個鉆孔，鉆孔達到底板50 m左右時出現涌水現象。圖9(a)和圖9(b)為U型觀測系統數據反演后巷道前方200 m范圍內的電阻率分布圖，圖9(a)中超前探測表明在當日探測迎頭前方80 m處出現一處明顯的異常界面(圖中紅線標出)，該異常界面兩側電阻率差異明顯，巷道前方80 m以內阻值相對較低，而80 m后出現相對高阻，初步分析此異常界面為斷層；圖9(b)中在巷道前方K3處有明顯的低阻異常區，且呈條帶狀分布，解釋為導水裂隙帶，后經巷道掘進也驗證了上述探測成果。

4 結論

利用并行電法數據采集技術，分別設計線型與U型觀測系統，對不同礦井水害類型開展理論模擬與實踐應用研究。在巷幫或底板布置線型觀測系統，測量其電位分布，能夠有效探明底板含水異常；在巷道超前探測中，在靠近巷道迎頭建立U型觀測系統，結合并行電法多通道優勢，可實現前方異常的多次疊加，提高探測精度。研究結果表明，在有限的礦井巷道空間內，并行電法系統不僅具有傳統高密度電法的多極測量功能，同時具有連續快速并行掃描電場的優勢，極大程度提高數據采集效率與可靠性，能夠為礦井水害的探查、預報提供更加完備的技術支持。