基于陣列式并行電法的掘進前方富水性探測

邱占林，吳超凡，陳文榮，王 磊，黃俊南，曾桂玲

（1.龍巖學(xué)院 資源工程學(xué)院，福建 龍巖 364012；2.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007；3.龍巖學(xué)院 礦井水害防治研究所，福建 龍巖 364012；4.福建省121地質(zhì)大隊，福建 龍巖 364021）

近年來，礦井水害逐漸成為福建小煤礦的首要地下災(zāi)害，嚴重制約礦井的正常安全生產(chǎn)[1-2]，因而超前預(yù)測、預(yù)報水害就成為福建小煤礦亟需解決的關(guān)鍵安全技術(shù)問題，其首要任務(wù)是查明掘進前方含水、富水性情況。福建小煤礦一般采用傳統(tǒng)的鉆探手段進行超前探水工作，但效果不佳，存在成本高、效率低等缺點，且存在“一孔之見”等局限性[1，3]。而物探技術(shù)作為福建地區(qū)煤礦探放水工作的有效補充手段，已被廣泛應(yīng)用，并取得了一定的地質(zhì)效果，但其僅限于傳統(tǒng)直流電法、高密度電法及高分辨電法等常規(guī)測試技術(shù)[4-7]。由于上述方法自身適用條件等限制，往往無法達到準確探明掘進迎頭前方富水性的目的。陣列式并行電法是繼傳統(tǒng)電法發(fā)展起來的新一代電法數(shù)據(jù)采集方法，主要基于陣列式、分布式、擬地震式思想開發(fā)的電法技術(shù)，改變了常規(guī)電法的數(shù)據(jù)采集方式，可實現(xiàn)同步、瞬時、快速連續(xù)獲取地電場信息，極大地提高了井下勘探的效率和采集的電法數(shù)據(jù)量，為并行電法反演提供更加全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4，8-10]，從而更真實地反映目標地質(zhì)體的基本情況。而且該技術(shù)對含、富水性所指示的低阻體響應(yīng)異常靈敏、分辨力異常強，現(xiàn)場施工中可充分利用巷道空間任意布置供電、測量電極，形成快速、同步掃描，尤其是在掘進迎頭超前探水中具有無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢[11-12]。然而，福建煤礦已開展的礦井水害電法超前探，雖已積累了較多的實踐經(jīng)驗、取得了較大的應(yīng)用效果[1，2，5，10]，但在巷道空腔效應(yīng)及其他干擾校正、異常提取及偏移疊加處理等理論研究方面還存在較大缺陷。陣列式并行電法勘探在削弱干擾影響及改進技術(shù)處理的基礎(chǔ)上，有效地解決了目前這一缺陷，其精度及可靠性將得到更大的提高，對礦井水害防治提供更有效的參考，因此具有較大的理論和現(xiàn)實意義。

1 陣列式并行電法超前探測技術(shù)原理

礦井直流電阻率法[1，13]超前探測技術(shù)在地下巷道掘進迎頭前方超前探測過程中，主要是依據(jù)常規(guī)單極-偶極電阻率法測量原理，在均勻介質(zhì)探測中，則利用單點電源A供電，另一供電電極B置于“無窮遠”，點電源A形成的等電位面為球面，通過觀測測量電極M、N間的電位差，該電位差為UMN所夾球殼內(nèi)巖體的綜合電性響應(yīng)[14]（圖1）。為了獲取掘進迎頭前方異常體的地電信息，就需要在其后方根據(jù)井下不同的工作環(huán)境進行電極布置，短時間內(nèi)完成多個供電點不同組合測試，實現(xiàn)多極供電礦井直流電法超前探（圖2）。通過依次滾動布設(shè)多極供電測量電極對，以單正、單負、正負正3種方式進行供電，并控制并行電法儀使其逐個供電，實時、同步取得測量電極對之間的電位差△UMN，并按如下公式計算視電阻率值：

式中：ρs為視電阻率，Ω·M；△UMN為 MN 之間電位差，V；I為電流，A；LAM為 A、M 間距離；LAN為 A、N間距離；LMN為M、N間距離。

圖1 超前探工作原理

陣列式并行電法是在多極供電直流電阻率法的基礎(chǔ)上，集成高密度、高分辨率電法的優(yōu)勢，基于分布式、擬震式和陣列式的設(shè)計思路提出的一種電法數(shù)據(jù)采集方法。根據(jù)陣列分布式電極觀測裝置及信號傳輸?shù)牟煌?，并行電法陣列勘探?shù)據(jù)采集方式主要有2種：AM法和ABM法[4，8-9]（圖3）。

1）AM 法采集方式，即圖3（a）的單點電源場：首先將供電電極置于1號電極位置，其余n-1個電極可同步、實時測量，并與參照電極之間構(gòu)成電壓時間序列，即時記錄電流（i=1）和每個測量電極的電壓值（i=2，3，4，…，n），智能電極自動保存并處理電壓數(shù)據(jù)，而各智能電極將嚴格按照已設(shè)定的數(shù)據(jù)格式將數(shù)據(jù)上傳主機。然后供電電極移到2號電極位置，記錄電流（i=2）和每個測量電極的電壓值（U=1，3，4，…，n），并即時上傳；依次類推，直到供電電極移到n號電極；供電電極每移動到下一個電極，將記錄該處電流值和所有測量電極的電位值。

2）ABM法采集方式，即圖3（b）的雙點電源場：首先將供電電極A置于1號電極，供電電極B置于2號電極，其余n-2個電極可同步、實時測量，并記錄電流I12，i值（i是根據(jù)實際的時間設(shè)置而取的值）和每個測量電極的電壓 U12，k，j值（j是根據(jù)實際的時間設(shè)置而取的值，k=3，4，5，…，n）；然后使供電電極A保持不動，供電電極B移則到3號電極，記錄電

流 I13，i值和每個測量電極的電壓 U13，k，j值（k=2，4，5，…，n）；依次類推，直到供電電極B移到n號電極；接著供電電極A則置于2號電極，供電電極B將置于3號電極，其余n-2個電極可實現(xiàn)同步、實時測量，記錄電流 I23，i值和每個測量電極的電壓 U23，k，j值（k=1，4，5，…，n）；依次類推，直到供電電極 A 移動到（n-1）號、供電電極B移動到n號電極。期間，供電電極A、B每移動1次，均要記錄其電流值及各測量電極的電位值。

圖2 不同供電方式及超前探工作原理

圖3 陣列式并行電法采集方式及電位變化情況

2 技術(shù)校正與處理改進

為了提高陣列式并行電法超前探測精度和可靠性，需要在設(shè)定的供電方式和既定的供電時間的基礎(chǔ)上，通過一定的技術(shù)影響校正、優(yōu)化數(shù)據(jù)處理及方法改進，以此增強表達掘進巷道迎頭前方煤巖體視電阻率的分布情況，據(jù)此判斷掘進前方低阻異常。

2.1 技術(shù)校正

2.1.1 巷道空腔影響校正

巷道空腔的存在使得其周圍點電源場的分布不同于全空間地電場分布，引起視電阻率曲線基本特征發(fā)生明顯的變化[15]，需要對其進行影響校正。而巷道空腔影響下的視電阻率ρss與全空間視電阻率ρsq之間存在如下關(guān)系：

式中：ρsq為視電阻率，Ω·M；KD為無量綱，正系數(shù)LAB為供電極距，m；S 為巷道橫截面積，m2。

2.1.2 非迎頭前方地質(zhì)體干擾校正

井下現(xiàn)場探測時，除巷道掘進前方異常響應(yīng)外，主要有巷道內(nèi)金屬物、頂?shù)装?、巷道兩幫等非探測目標異常體（電磁干擾體）及層狀空間各向異性的影響，各種異常反應(yīng)相互疊加，造成異常地電信號難以分辨，易引起誤判。多極供電觀測系統(tǒng)下（圖1（b）），多個供電電極因空間位置不同對同一異常體具有不同的空間響應(yīng)關(guān)系，通過幾何聚焦法（圖4）可實現(xiàn)有效信號與干擾信號分離，達到排除非掘進迎頭正前方干擾的目的[3]。

2.2 處理改進

2.2.1 建立偏移模型

偏移疊加處理模型如圖5。假設(shè)全空間均勻介質(zhì)條件下，點電源場形成的等位球面差是球殼內(nèi)地質(zhì)體的綜合響應(yīng)。為便于計算機及算法反演的實現(xiàn)，簡化為以供電點A為球心，測量電極MN中點O與A點的距離LAO為半徑的球面上具有相同視電阻率值ρs的等位面，并將探測區(qū)域劃分網(wǎng)格像素單元，球面所經(jīng)過的單元內(nèi)賦予電阻率值ρs（圖5（a）），其 ρs值計算如下：

圖4 幾何聚焦法原理

式中：φ （A （xA，yA，zA），R） 為球函數(shù)；R=LAO

2.2.2 偏移疊加處理及異常提取

多極供電觀測系統(tǒng)下（圖1（b）），每個供電點有多個不同半徑的球面，形成1組球面族，多個不同供電點可形成多個球面族；球面族之間依據(jù)探測目的給定的極距關(guān)系，具有多個相交區(qū)域，該分割區(qū)域單元內(nèi)一般具有多個電阻率值ρs。經(jīng)過多次詳細分析、研究后，將多個視電阻率值看作對該網(wǎng)格單元體的多次觀測樣本[15]，其樣本的期望就是該網(wǎng)格分割單元體的視電阻率值（圖5（b）），即

當n=0（無球面經(jīng)過單元）時單元內(nèi)視電阻率值為0；n≥1（至少有1個球面經(jīng)過單元）時網(wǎng)格單元內(nèi)視電阻率值依上式（4）計算。以此獲得掘進迎頭前方一定范圍內(nèi)視電阻率數(shù)據(jù)體，利用等值線追蹤再賦予冷暖色調(diào)，可直觀辨別掘進迎頭前方異常分布情況。當迎頭前方異常帶（如導(dǎo)水斷層）含水時，表現(xiàn)為相對低阻，顯示為冷色調(diào)；反之，富水性差的構(gòu)造異常則表現(xiàn)為相對高阻，暖色調(diào)顯示。

圖5 偏移疊加處理模型

3 應(yīng)用分析與效果評價

3.1 應(yīng)用分析

3.1.1 工程概況

龍巖市小井尖煤礦位于閩西南坳陷中部含煤條帶南塊段[16]，生產(chǎn)能力為9萬t/a。區(qū)內(nèi)地層出露較全，二疊系中統(tǒng)童子巖組（P2t）是該煤礦區(qū)主要的含煤地層，38#、39#煤層為該礦主采煤層，賦存于童子巖組第 1段（P2t1），局部可采 28#、29#煤層則位于童子巖組第 3 段（P2t3）[2，12]。礦區(qū)主要構(gòu)造樣式為新華夏系和龍巖山字型構(gòu)造，屬于南嶺緯向構(gòu)造體系的分支部分，是多因素綜合的構(gòu)造格局產(chǎn)物，總體呈現(xiàn)為向N傾斜的單斜構(gòu)造，局部發(fā)育斷層引起的次級褶皺；斷裂構(gòu)造則以正斷層和平移斷層為主，發(fā)育復(fù)合性質(zhì)的平移-正斷層，逆斷層較少。區(qū)內(nèi)基巖裂隙發(fā)育不均，局部發(fā)育垂直裂隙，主要為砂巖裂隙風化帶及砂巖裂隙帶含水層，斷層帶充水、導(dǎo)水性較弱，大氣降水是礦井水的主要補給來源。

3.1.2 探測物性基礎(chǔ)

巷道掘進過程中，煤巖體的電性變化因其性質(zhì)差異或存在導(dǎo)水構(gòu)造而不同。童子巖組煤系地層導(dǎo)電性因巖性的不同而出現(xiàn)較大變化，一般而言，煤層、灰?guī)r或富水性差的巖土體通常表現(xiàn)為相對高電阻率值；而裂隙發(fā)育、斷層帶等富水區(qū)域則表現(xiàn)為相對低電阻率值，但福建小煤礦發(fā)育的高變質(zhì)無煙煤常表現(xiàn)為相對低阻特征[12]。當探測范圍內(nèi)存在異常體（如導(dǎo)水斷層）時，其視電阻率ρs較圍巖表現(xiàn)為低阻；當斷層破碎帶不導(dǎo)水時，ρs則表現(xiàn)為相對高電阻率值。因此，可利用分析ρs值的變化來達到超前預(yù)測、預(yù)報掘進前方電性異常，進而定位低阻異常靶區(qū)，據(jù)此判斷富（含）水性等水文地質(zhì)情況。

3.1.3 探測布置

為了獲取小井尖煤礦+620水平東運巷掘進迎頭前方100 m范圍內(nèi)電性異常分布情況，采用陣列式并行電法對其進行超前探測，力求對探測區(qū)域內(nèi)可能存在的富水區(qū)做出評價。

井下探測工作于2018年1月17日在該礦+620水平東運巷距掘進迎頭5 m處開始向其后方布置陣列式并行電法采集觀測系統(tǒng)。本次超前探測現(xiàn)場施工布置依據(jù)掘進巷道實際環(huán)境條件，根據(jù)點電源場“球?qū)ΨQ”工作原理，以距離該巷迎頭位置5 m處為1號電極點（起點位置）布置并行電法測線，以2.5 m電極距向迎頭后方布置電極64個，測線總長為157.5 m（圖6）。采用單正供電方式，0.5 s恒流時間，AM法數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場完成測試工作量：n（n-1）=4 032，n=64，n 為電極數(shù)[4，8]。

圖6 井下超前探測現(xiàn)場布置

3.1.4 數(shù)據(jù)處理

由于陣列式并行電法數(shù)據(jù)采集較常規(guī)串行數(shù)據(jù)采集更優(yōu)，數(shù)據(jù)量更大（AM法增加1 364倍；ABM法增加1 890倍）[4]，且具有井下全空間、全電場觀測特征，因此在數(shù)據(jù)處理上比較特殊。

首先，以1號電極點位置為坐標原點O定義坐標系，并沿掘進巷道走向規(guī)定為x軸正方向，垂直掘進巷道走向左方為y軸正方向，頂板方向則規(guī)定為z軸正方向（圖6）；接著，需要將電法數(shù)據(jù)解編，輸入相應(yīng)電極點坐標，并導(dǎo)出解編數(shù)據(jù)；然后，剔除畸變電流、電壓值；最后，計算視電阻率并進行網(wǎng)格化處理，再求解Jacobi矩陣和AGI反演，獲取真實ρs值后進行Surfer軟件成圖。同時，根據(jù)現(xiàn)場記錄情況進行曲線校正、道間均衡、偏移疊加、同側(cè)異常消除等處理，使之消除其他信號干擾，更加突出目標異常，精度得以進一步提高。

3.1.5 結(jié)果分析

通過上述方法校正及改進處理后得到該礦+620水平東運巷掘進前方超前探測視電阻率擬斷面圖（圖7）。圖7中不同的色調(diào)代表不同阻值的視電阻率，其中暖色調(diào)表示高阻值，冷色調(diào)表示低阻值。由此判別標準分析本次陣列式并行電法超前探測結(jié)果認為：①該巷道掘進迎頭前方100 m范圍內(nèi)有2處低阻異常區(qū)，分別命名為YC1和YC2，其中YC1低阻異常區(qū)位于掘進巷道迎頭前方0～22 m范圍內(nèi)，其視電阻率值介于10～25 Ω·M。若非巖性變化，則推斷為砂巖裂隙帶含水區(qū)，強富水性；再根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)資料，可排除導(dǎo)水斷層的可能。為該巷道掘進過程中重點防患的區(qū)域；②YC2相對低阻異常區(qū)則位于探測迎頭前方34～40 m范圍內(nèi)，其視電阻率值在25～35 Ω·M期間變化。據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料初步推測為局部發(fā)育的垂直裂隙含水，中等富水性，采掘過程中需要防患的區(qū)域；③在掘進迎頭前方27～31 m范圍內(nèi)存在1處低阻異常三角區(qū)域（約為35 Ω·M），可能是泥巖中夾有透鏡狀煤層。綜上可知，YC1較YC2低阻異常分布范圍大，且含水區(qū)一般小于35 Ω·M，建議對YC1和YC2低阻異常區(qū)域?qū)嵤┨椒潘@孔驗證，并加強掘進巷道的詳細地質(zhì)編錄，為后續(xù)跟蹤探測提供對比驗證。

3.2 效果評價

3.2.1 數(shù)據(jù)采集質(zhì)量評價

圖7 小井尖煤礦+620水平東運巷掘進前方超前探測成果

陣列式并行電法勘探是基于電磁場基本原理，其數(shù)據(jù)采集質(zhì)量好壞與電磁場信號強弱密切相關(guān)。一般在導(dǎo)電性強的介質(zhì)中產(chǎn)生的渦流較強；反之，則產(chǎn)生較微弱的電磁場信號。而且井下還存在用于頂板支護的錨網(wǎng)、用于運輸鋪設(shè)于底板的鐵軌及兩幫施工的加固錨桿等相對較強的金屬電磁場干擾影響，改變了原有地電場的電流分布，不利于電流場的傳播，且易引起電場信號采集時表現(xiàn)不均勻突出，導(dǎo)致電阻率異?；?。因此，現(xiàn)場施工時必須根據(jù)井下實際工作過程，記錄并盡量避開金屬物體干擾。而本次探測采用單正供電方式，電流強度滿足探測需求，保證了較強的電磁場信號，且電位值與圖2（a）中AM法單點電源場所示的情況較為相似，電位數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)，具有正常分布特征，較少出現(xiàn)突變異?；c。表明所采集的數(shù)據(jù)信噪比良好，質(zhì)量相對較高。

3.2.2 探掘?qū)Ρ闰炞C評價

在后期掘進過程中，礦方根據(jù)超前探成果，實施長度為22 m的探水鉆孔，出現(xiàn)較大涌水現(xiàn)象，出水量達16.7 m3/h，水體清澈，且鉆探過程中并未發(fā)現(xiàn)巖性變化或?qū)畼?gòu)造，與YC1低阻異常區(qū)情況較為吻合。當掘進至探測迎頭前方28 m處時，出現(xiàn)厚度不穩(wěn)定的無煙煤，與推測結(jié)果基本一致。后續(xù)對YC2所指示的靶區(qū)進行鉆探驗證，發(fā)現(xiàn)當鉆孔向前推進3.5 m后，開始有少量水滲出，水量也隨著繼續(xù)鉆進而逐漸增大，涌水量可達3.4 m3/h，同時發(fā)現(xiàn)垂直裂隙局部較發(fā)育，與超前探測結(jié)果相符。礦方根據(jù)探測及驗證結(jié)果及時對YC1進行工程注漿處理，對YC2采取疏水降壓，消除了低阻異常區(qū)水體的威脅，確保了礦井的安全生產(chǎn)。說明本次陣列式并行電法超前探測效果較為可靠。

4 結(jié)語

1）陣列式并行電法勘探技術(shù)是一種擬震式全電場同步觀測技術(shù)，在采集效率、數(shù)據(jù)量、抗干擾能力、方法校正與處理等方面具有獨特的優(yōu)勢，可實現(xiàn)多種裝置數(shù)據(jù)的快速、即時、同步測量。

2）探掘驗證結(jié)果證實該電法技術(shù)作為福建小煤礦掘進巷道迎頭前方富水性超前探是可行的，具有較好的應(yīng)用推廣前景，可為福建礦井水害防治提供新的可靠手段。

3）福建煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，高變質(zhì)無煙煤阻值低，需要聯(lián)合多種物探方法，相互對比、綜合驗證，方可達到較好的地質(zhì)效果。而且本次超前探僅僅是二維面上的嘗試工作，至于三維立體探測則是今后的發(fā)展方向。