基于COMSOL掘進巷道直流電法超前探測研究

郝耀軍，李 浩，武 藝

（西山煤電集團西曲礦，山西 太原 030200）

0 引言

煤礦巷道掘進時，如果存在水害威脅，一定要采取先探測后采掘的措施。當異常體存在于巷道迎頭前方時，要進行超前探測來發現異常體。礦井直流電法超前探測技術與一般的電測深的原理有所不同，因此所選擇的裝置也有所不同，直流電法超前探測所選的測量裝置一般是單點供電的三極AMN裝置，該裝置在超前探測中對含水異常體有較好的探測效果和較高的異常分辨率。本文通過有限元分析軟件進行數值模擬與生產實例相結合，總結出巷道掘進迎頭前方地質異常體對測量結果的影響規律，為礦井直流電法超前探測資料的解釋提供理論依據，也能夠對實際測量中采集數據的反演解釋工作提供指導[1]。

1 勘探方法原理

礦井直流電法與地面電阻率法原理相同，雖然選用的測量裝置不盡相同，都會有供電電極對大地進行供電，形成穩定電流場，在供電電極所在的測線（其余位置）設置測量電極，測得電位數據將用于計算地層的視電阻率。對于礦井直流電法來說，按照事先設定好的測線將供電以及測量電極布設在被測巷道底板或者側幫上，通過改變測量電極位置從而達到觀測供電電極形成穩定電流場的分布以及變化特征，利用上述的測量數據來超前預測巷道前方的構造異常情況，從而達到超前探測的目的。

三極AMN裝置是最早應用于礦井直流電法超前探測的裝置，如圖1所示。目前廣泛應用于超前探測巷道迎頭前方的地質異常體。在三維空間介質中利用單點電源A進行供電（另一供電電極B設置在相對無窮遠處），并且將M、N用作測量電勢差。超前探測與電測深原理不同，因此相應的操作方法有所不同，超前探測電極布設方法：將供電電極A固定到巷道迎頭上，M、N測量電極處于測線上，并且位于A點后方，所測電位差為△UMN，記錄點處的電場強度與供電點A和測量電極M、N的距離有很大關系，記錄點為兩測量電極的中點。在巷道迎頭處進行超前探測時，當巷道的垂直截面尺寸都小于記錄點到A點距離時，巷道對測量結果影響較小；當巷道的垂直截面尺寸都大于記錄點到測量點距離時，巷道對測量結果影響很大，當這種影響不可被忽略時，按照視電阻率公式計算視電阻率值，然后進行消除巷道影響處理，就可以得出沿巷道的視電阻率剖面曲線[3]。

圖1 AMN裝置超前探測原理圖

2 礦井直流電法超前探測異常體數值模擬

2.1 有限元數值模擬原理及流程

直流電法正演模擬是將事先設定好的的地電模型利用數值計算來求解穩定場的分布情況。利用COMSOL Multiphysics進行地電模型正演數值模擬過程，結合下述的流程圖分析，詳細步驟如圖2所示：

1）首先根據分析問題需要選擇三維空間模型，選擇軟件的電流(ec)模塊，研究狀態為穩態。

2）進行全局變量設置和幾何模型構建，然后全部構建幾何模型形成聯合體，根據地電模型需要，對幾何聯合體進行點、邊界和域的定義，便于對地電模型各部分賦值等工作。

3）根據實際情況，進行地電模型的材料設置，然后對靜電場的點電源進行賦值，以及接地邊界的定義。

4）地電模型的網格剖分，地電模型的主體劃分為自由剖分四面體網格，無窮遠層狀介質，網格剖分成薄層掃掠形式。由于建立的模型較大需要對重點區域進行細致研究，就要

將重點部位網格細化剖分，細化的重點為巷道周圍以及異常體周圍。供電電極周圍網格超細化剖分。

5）地點模型數值運算，運算速度與模型劃分的總單元數有關，模型的單元數越多，數值計算的速度越緩慢。

6）地電模型的后處理過程，可以根據需要對正演模擬的數據集進行三維整體輸出，也可以進行截面數據輸出或者截點數據輸出。也可以利用COMSOL Multiphysics軟件進行地電模型的三維切片、一維、二維、三維圖組處理，然后輸出成果圖。

圖2 COMSOL Multiphysics數值模擬流程圖

2.2 多異常體并存對視電阻的影響

在實際生產中，往往遇到復雜的地層存在，有可能是高阻和低阻同時出現，通過礦井直流電法數值模擬總結復雜地層下視電阻率曲線變化規律，對于超前探測具有較好的指導作用，具有實際意義。

模型設定：圍巖長度1100m，寬度500m，高度500m，供電點A在迎頭底板處，巷道長度500m，截面為6m的正方形，巷道電阻率為108Ω·m，供電電流設置為1A，電極間距為10m，測量裝置有三極AMN，下面3個模型設定了不同異常體存在情況。

圖3 兩個異常體分布示意圖

圖3 為兩個異常體共同影響下的電位分布圖，圖中上邊的是高阻異常體，下邊是低阻異常體。

模型1：單獨低阻體阻值10Ω·m，異常體截面平行于巷道，異常體截面為60×60m，厚度為6m，位于巷道迎頭側前方10×30m處。

模型2：單獨高阻體阻值3000Ω·m，異常體截面平行于巷道，異常體截面為60×60m，厚度為6m，位于巷道迎頭側前方10×30m處。

模型3：高阻低阻體共同存在，低阻體阻值10 Ω·m，高阻體阻值3000Ω·m，異常體截面都平行于巷道，異常體截面為60×60m，厚度為6m，位于巷道迎頭側前方10×30m處。

圖4 多異常體存在時視電阻率曲線對比圖

圖4 為不同異常體影響下的視電阻率曲線，從圖中可以看出：

1）當巷道側前方只有低阻體時，視電阻率曲線所顯示的低阻異常較明顯；當巷道側前方只有高阻體時，視電阻率曲線顯示的高阻異常幅度不大。

2）當巷道側前方高阻體和低阻體共同存在時，通過分析三條曲線異常變化趨勢可知，高阻體和低阻體共同作用時的視電阻率曲線，基本符合單獨高阻和單獨低阻視電阻率曲線異常疊加效果。

3 煤礦探測實例

3.1 南六盤區地質概況

西曲礦南六采區面積共1.6km2，區內溝谷樅橫、地形復雜，小煤窯眾多。區內上組煤有2.3#、4#煤，4#煤屬不穩定局部可采煤層，且4#煤層厚度變化較大。區內原勘探程度較低，礦井后續生產銜接任務無法開展。西曲礦現計劃對南六采區下組煤層進行回采，而該采區上覆煤層已基本全部被破壞。南六采區小煤礦分布較多，區內上組煤大部分被小窯破壞，小窯破壞程度、巷道位置及巷道內積水情況均不確定，為保證煤礦安全生產，提前做好預測預報工作，現利用直流電法對該區域皮帶下山巷道進行超前探測。

3.2 數據采集及成果解釋

本次井下超前探測數據采集使用的是WJDJ-4型高密度電阻率系統，沿巷道中心布置測線，電極間距為10m，測量電壓為144V，供電時間為500ms，采用三極AMN裝置進行數據采集，皮帶下山巷道內共布設了29個電極，本次井下超前探測工作巷道內停止了施工并關閉了用電設備，采集的數據較為穩定，采集數據質量好。

根據直流電法超前探測數值模擬二維視電阻率平面圖可知，當巷道前方有低阻異常時，所形成的二維視電阻率平面圖會顯示低阻異常，并且巷道前方的異常體規模越大，低阻異常范圍在圖中顯示的也越大。通過此規律分析解釋西曲礦南六采區皮帶下山的二維視電阻率分布情況[4]。

數據處理后得到電阻率色譜平面圖見圖5，平面圖寬度約50m，巷道位置如圖所示，實線為已掘巷道，用正數表示，虛線為未掘巷道，用負數表示，平面圖等值線為地層電阻率的對數值。

圖5 南六采區皮帶下山巷道超前探測電阻率色譜平面圖

迎頭前方85m范圍內地層電阻率基本為高阻顯示，電阻率對數值大于1，說明85m范圍內地層富水性不強，巷道能夠向前掘進；在迎頭前方85～105m范圍地層電阻率有所下降，電阻率對數值0.4～1，說明該范圍內地層裂隙相對發育，富水性有所增強；在迎頭前方105～130m范圍地層電阻率最低，電阻率對數值小于0.4,說明該位置范圍斷裂、裂隙比較發育，地層富水性強；迎頭前方130m以后范圍地層電阻率為高阻顯示，電阻率對數值大于1，說明該位置巖性變化，為奧灰反映[3]。后經鉆探驗證，與物探結果基本吻合。

4 結論

1）當有多個異常體存在巷道迎頭前方時，所測得視電阻率曲線異常是由所有異常體影響的疊加結果。通過實例驗證數值模擬，利用數值正演模擬形成二維視電阻率平面圖，總結規律指導反演解釋工作。

2）直流電法超前探測技術在實際探查工作中，測量條件雖復雜，數據規律起伏較大，但該方法在掘進前方富水性探測的應用中，仍有較為明顯的效果。