煤礦電法集成勘探系統及其應用研究

劉寶寶，郭 純，楊海濤

煤礦電法集成勘探系統及其應用研究

劉寶寶，郭 純，楊海濤

(焦作煤業(集團)有限責任公司科學技術研究所，河南 焦作 454002)

為解決現有煤礦電法探測技術存在的電測深、電剖面、電透視需分多次施工且采集數據量少等方面的不足，借鑒并行電法數據采集思路，應用“矩形波型”電極布置方式結合“多裝置數據提取”技術，設計一種電法集成勘探系統。實驗結果表明：應用該系統可一次布線、一輪供電完成電測深、電剖面、電透視等多種電法施工方式的原始數據采集工作，提取出多種電法工作方法和裝置類型的測量數據，綜合處理得到多種地電場的三維勘探結果，同時相同施工條件下多種成果相互對比，提高物探成果解析的精細度和可靠性。研究成果對現有的傳統直流電法、高密度電法、并行電法、電透視法等電法技術取長補短、融合創新、集成應用，實現工作面煤巖層富水性的高效、精細、立體探測。

電法；集成勘探；矩形波型；高效采集；數據提??；三維勘探

我國是世界上產煤量最多的國家之一，部分煤礦水文地質條件復雜。隨著煤礦開采規模的擴大、開采深度的增加，開采時所承受的水壓越來越大，井下突水事故呈增加趨勢[1-2]，安全形勢嚴峻。

目前國內外對煤礦工作面頂底板巖層富水性的探查方法主要有直流電法(含電測深法、電剖面法、高密度電法等，下同)、音頻電透視法、瞬變電磁法等電磁法技術[3-4]，這些技術憑借著對含水體反應靈敏的特點，成為目前井下富水性探測最常用的方法[5]。隨著礦井生產規模更加大型化，采區自動化、機械化水平不斷提高，礦井對水害探查工作提出了“高效、全區域、三維立體”的目標要求。瞬變電磁法抗金屬干擾能力差，在巷道采用工鋼、U鋼和錨網支護、且常堆放有大量鐵器的條件下，探測效果較差；單一的直流電法、音頻電透視法等電法探測，只能得到局部結果、且施工效率低；現有的并行電法技術雖然可以同步完成電測深和電剖面探測，但無法同時完成軸向電透視探測工作，無法高效得出全區域的三維立體成果，滿足不了現場需求[6-8]。

為解決現有電法探測技術存在的不足，本文作者根據直流電法、電透視法等多種勘探方法的工作原理和施工方式，設計出一種電法集成勘探系統，同時將各種電法勘探結果在相同施工條件下進行對比解釋，以期提高勘探成果解析的精細度和可靠性。

1 電法集成勘探系統原理

電法集成勘探系統是以傳統的直流電法、電透視法等礦井電法技術為基礎，以并行電法技術為主體[9-10]，應用矩形波型電極布置方式、多裝置數據提取、三維立體成像等多項創新技術、工藝，分別在礦井電法的現場施工方式、數據采集方式、數據提取及綜合應用方式、供電方式、資料處理及顯示方式等多個方面進行創新和改進，實現一次布線、一輪供電完成電測深、電剖面、電透視等各種電法施工方式的海量原始數據采集工作，并從原始數據中提取出各種電法工作方法(電測深法、電剖面法、電透視法)和電法裝置類型(如二極裝置、三極裝置、四極裝置、軸向單極—偶極裝置、赤道單極—偶極裝置等)的測量數據[8]，經過全區三維處理、多種成果對比、立體及切片化顯示，在避免或減弱巷道金屬干擾影響的同時，對直流電法、高密度電法、并行電法、電透視法等多種電法技術取長補短、融合創新、集成應用[11-18]，實現工作面煤巖層富水性的高效、精細、立體探測。

2 電法集成勘探系統布置方式

電法集成勘探系統主要基于矩形波型測量電極布置方式、以并行模式完成現場數據采集，是多芯電纜和矩陣探測電極的高效組合應用，電極呈“矩形波型”按照固定的行間距和列間距布置于巷道底(或頂)板內，并依次連接于多芯電纜上，多芯電纜與現場主機連接。該系統有兩種工作方式：單邊式和包圍式。

2.1 單邊式工作方式

供電電極、測量電極布置在工作面的上下巷道內(圖1)，也可布置在同一條巷道內(這種工作方式無法完成電透視勘探)，按照并行電法方式采集數據，實現一次布線、一輪供電完成一條巷道內的電測深、電剖面及單邊電透視勘探的數據采集工作；然后按照相同的布置方式，2條巷道裝置互換，完成整個工作面的所有原始數據采集工作。

圖1 電法集成勘探系統單邊式工作方式

2.2 包圍式工作方式

在工作面的上下巷道內均布置矩形波型供電、測量電極(圖2)。

圖2 電法集成勘探系統包圍式工作方式

按照并行電法方式采集數據，實現一次布線、一輪供電完成整個工作面的所有原始數據采集工作。

3 多裝置數據提取技術

電法集成勘探系統具有“多裝置集成”的特點，可以進行“多裝置數據提取”，即利用不同的電極組合，提取出電測深、電剖面、電透視等多種電法工作方式的測量數據，經處理得到多種地電場的二維或三維勘探結果，多種成果相互補充、對比驗證、綜合分析，提高物探成果的精度和質量。

3.1 電測深和電剖面勘探數據提取

如圖3所示，可以在原始數據中，分別對應電極組1、4、5、8、9、…(上排)和2、3、6、7、10、…(下排)提取出2組并行電法數據，利用并行電法處理軟件直接提取出二極裝置、三極裝置的電流、電位等數據，進行電測深和電剖面數據的處理和解釋。

圖3 電測深和電剖面勘探裝置數據提取

也可以根據四極裝置與三極裝置關系的計算式(1)和偶極裝置與三極裝置關系的計算式(2)，計算得出四極、偶極等電法裝置的視電阻率數據，進行多種裝置數據處理和異常對比解釋。

3.2 電透視勘探數據提取

應用“多裝置數據提取”技術能夠于海量原始數據中提取出“軸向單極–偶極法”和“赤道單極–偶極法”等多種電透視裝置數據。

如圖4所示，對每個供電點，利用軟件從原始數據中提取出測量電極數據組“1,2、3,4、5,6、7,8、…、–1,n…”進行“軸向單極–偶極”電透視法勘探解釋；仿照高密度溫納三極=1、=3、…模式提取出測量電極數據組“2,3、6,7、10,11、…、4,5、8,9、…”或“1,4、5,8、9,12、…、3,6、7,10、…”進行“赤道單極–偶極”電透視法勘探解釋。

4 三維立體成像

通過對“多裝置數據提取”技術得到的多種數據進行計算，可以得出電測深、電剖面、電透視的電流、電位、視電阻率數據，對這些不同勘探方式的數據可以單獨進行處理、解釋，也可以結合電極坐標對所有數據進行整合校正、歸一化處理，然后利用EarthImager3D、Voxler等軟件進行全區反演、三維成圖，得到巖層富水性的三維立體成果圖及數據，并可進行多個方向、任意深度的切片提取，直觀、精細、多方位地分析巖層的富水性分布狀況。

圖4 電透視勘探裝置數據提取

5 工程實例

九里山礦15091工作面主采二1煤層，屬穩定煤層，走向長度425 m，平均煤厚5.5 m，回采范圍內斷層、裂隙較多，底板含水層水壓高、水量大、補給豐富。其底板主要含水層為L8、L2、O2灰巖含水層，均為高承壓含水層。工作面回采前，需探明煤層底板下方巖層的富水性分布情況，評估工作面回采時的水患威脅性，為水害防治工作提供參考依據。

5.1 物探施工布置

圖5為15091工作面電法集成勘探施工布置示意圖。15091工作面回風巷和運輸巷布置方式一致，每條巷道布置2站(排列)，每站布置128個電極，矩陣電極行間隔5 m，列間距3 m，每條巷道電極排列總長度為445 m。透射電極布置在對面巷道，每個透射電極間距50 m。

5.2 勘探結果

圖6為15091工作面底板視電阻率橫向切片圖。圖中可以看出，探測范圍內工作面底板存在5個低阻異常區，分別標記為Y1、Y2、Y3、Y4和Y5。

圖5 15091工作面電法集成勘探施工布置

圖6 15091工作面底板視電阻率橫向切片

結合現場探測條件、礦方水文地質資料及各方向切片圖的特點分析，物探結論為：Y1僅位于煤層底板淺層區域、往深部延伸較少，工作面回采時，此低阻區附近不會發生底板出水；Y2僅位于煤層底板深部、距離二1煤層較遠，工作面回采時，此低阻區附近發生底板出水的可能性較小；Y3、Y5兩個低阻區位于煤層底板下方L8灰巖附近、距離二1煤層較近，工作面回采時，這2個低阻區附近不排除發生底板出水的可能性；Y4位于煤層底板下方L8灰巖附近、距離二1煤層較近且淺深部溝通，工作面回采時，此低阻區附近容易發生底板出水。

圖7為15091工作面探測三維立體成果圖，是利用全空間三維電阻率反演技術對回風巷、運輸巷采集的全部數據進行反演，參考全空間層狀模型，形成工作面底板視電阻率三維立體圖(含三維切片數據體)，能夠直觀、精細、多方面地分析巖層在任意位置、任意方向的富水性分布范圍、發育變化趨勢及水害威脅性等，精準劃分煤巖層的相對貧、富水區域。

圖7 15091工作面探測三維立體成果

5.3 驗證情況

九里山礦對15091工作面的5處低阻異常區采取了鉆探驗證，結果顯示，5處低阻區域內布置在煤層底板L8灰巖附近的鉆孔出水量均較大，最大為19.2 m3/h；布置在煤層底板附近的鉆孔出水量小或無出水?？傮w上看，物探低阻區內的平均單孔涌水量是正常區域(低阻區以外區域)平均單孔涌水量的1.80倍，物探低阻區內的平均單孔注漿量是正常區域平均單孔注漿量的3.41倍，說明物探低阻區是相對富水區，物探結論準確、可靠。

目前，利用電法集成勘探系統已在多個礦井的工作面進行試驗，根據各個工作面的鉆探資料和回采資料進行驗證，物探低阻區內的平均單孔涌水量均大于正常區域的平均單孔涌水量，礦井根據物探結果對低阻區域采取相應的防治水措施后，回采過程中沒有發生出水情況，說明該系統得到的物探結論準確、可靠。

6 結論

a.煤礦電法集成勘探系統是借鑒并行電法數據采集思路，發明并應用“矩形波型”電極布置方式結合“多裝置數據提取”技術，可以一次布線、一輪供電完成電測深、電剖面、電透視等多種電法施工方式的原始數據采集工作。

b.利用多裝置數據提取技術可以從原始數據中提取出多種電法方法分支、工作方法和裝置類型的測量數據，綜合處理得到多種地電場的三維勘探結果，極大提高數據利用率，多種成果相互補充、對比驗證、綜合分析，進一步提高水文物探成果解析的精細度和可靠性。

c.對直流電法(含電測深法、電剖面法、高密度電法、并行電法)、電透視法等多種電法技術取長補短、融合創新、集成應用，實現工作面煤巖層富水性的高效、精細、立體探測。

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Research on the integrated electric exploration system for coal mines and its application

LIU Baobao, GUO Chun, YANG Haitao

(Science and Technology Research Institute of Jiaozuo Coal and Industrial CO. LTD., Jiaozuo 454002, China)

In order to overcome the shortcomings of the existing electrical prospecting technology in coal mines, such as multiple construction of electrical sounding, electrical profile and electrical penetration and a scarcity of data collected, an integrated electrical prospecting system is successfully designed, absorbing the idea of parallel electrical data acquisition, and applying the “rectangular wave” electrode layout mode combined with the “multi device data extraction” technology. The experimental results show that the system can complete the original data acquisition of electrical sounding, electrical profile, electrical perspective and other electrical construction methods with one-time wiring and one-round power supply, and extract the measurement data of various electrical methods and device types. After a comprehensive process, the 3D exploration results of various geoelectric fields are obtained. At the same time, results under the same construction conditions are compared with each other to improve the precision and reliability of the analysis of geophysical exploration results. The existing electrical methods such as traditional direct current method, high-density method, parallel method and electric perspective method should be integrated to complement each other in an innovative manner, so as to realize efficient, fine and three-dimensional detection of water bearing capacity of coal and rock strata in the working face.

electrical method; integrated exploration; rectangular wave pattern; efficient acquisition; data extraction; 3D exploration

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TD745

A

1001-1986(2021)05-0247-06

2021-01-30；

2021-04-25

河南能源焦煤公司研究開發項目(2019-19)

劉寶寶，1985年生，男，河南焦作人，工程師，從事礦井地質、物探工作. E-mail：38893155@qq.com

劉寶寶，郭純，楊海濤. 煤礦電法集成勘探系統及其應用研究[J].煤田地質與勘探，2021，49(5)：247–252. doi: 10.3969/ j.issn.1001-1986.2021.05.027

LIU Baobao，GUO Chun，YANG Haitao. Research on the integrated electric exploration system for coal mines and its application[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：247–252. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.027

(責任編輯 聶愛蘭)