并行電法礦井水害探測技術(shù)研究與應(yīng)用

夏毅民，尹奇峰，鄭劉根，趙紅飛

(1.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230601; 2.中鐵四局集團(tuán)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(yè)人員的重大傷亡，并帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)工作面周圍巖層賦水異常區(qū)域及導(dǎo)水通道的判定是礦井水害防治的關(guān)鍵[1]。長期以來，礦井直流電法采用常規(guī)電法儀進(jìn)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(yù)測預(yù)防中發(fā)揮著重要作用[2]。其中，中國礦業(yè)大學(xué)自20世紀(jì)90年代以來采用活動(dòng)MN法施倫貝爾三極測深裝置對(duì)巷道周圍地質(zhì)異常體進(jìn)行探測并取得良好的應(yīng)用效果[3]；西安煤科院礦井電法研究室自1995年開始進(jìn)行巷道間直流電透視技術(shù)研究；山東科學(xué)技術(shù)大學(xué)也將直流電法應(yīng)用于礦井突水構(gòu)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(dòng)煤巖體電性動(dòng)態(tài)變化特征顯著，傳統(tǒng)直流電法勘探采集數(shù)據(jù)量有限且施工效率較低，無法滿足高效率煤礦開采的實(shí)際需求。針對(duì)此問題，劉盛東等[11-12]研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)并行電法，采用“分布式并行智能電極電位差信號(hào)采集方法”，能夠有效提高直流電法數(shù)據(jù)采集速度。因此，結(jié)合并行電法數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)，針對(duì)不同的礦井水害類型建立礦井巷道物理模型，并提出相對(duì)應(yīng)的觀測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：在工作面巷道內(nèi)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(tǒng)對(duì)巷道前方異常進(jìn)行定位分析。最終，將研究成果應(yīng)用于實(shí)際礦井水害探測工程，并取得了良好的應(yīng)用效果，為煤礦安全開采提供技術(shù)支持。

圖1 高密度電阻法裝置示意圖

圖2 溫納裝置數(shù)據(jù)采集示意圖

1 方法原理

直流電法勘探是以地下介質(zhì)的電阻率差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究人工電場的變化和分布規(guī)律，反演獲得探測區(qū)內(nèi)部介質(zhì)的電阻率分布特征[13-14]，進(jìn)而解決地質(zhì)問題的一種勘探方法。傳統(tǒng)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(shí)，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(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同步向右移動(dòng)，取隔離系數(shù)n=1得到第一層數(shù)據(jù)，再逐漸增大隔離系數(shù)使電極間距等比例放大，可得到第2層、3層，…，直到第n層數(shù)據(jù)，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(huán)采集方式易出現(xiàn)閑置電極，在巷道空間內(nèi)難以完成大數(shù)據(jù)量采集，工作效率較低且固定極距的設(shè)定會(huì)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(hào)采集方法”，即在供電的同時(shí)連續(xù)測量所有測量電極的電位歷時(shí)曲線，通過激勵(lì)獲得的電流和電位的時(shí)空曲線解編獲取任意電極的自然場、一次場、二次場的響應(yīng)電位，結(jié)合觀測系統(tǒng)參數(shù)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(shù)據(jù)采集過程中供電電極A循環(huán)至27號(hào)電極時(shí)，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(shù)據(jù)采集過程中，18號(hào)、41號(hào)電極承擔(dān)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(shù)據(jù)采集量。

此外，并行電法現(xiàn)場測量時(shí)，假設(shè)電極距為5 m，電極總數(shù)n=64，每次測量供電時(shí)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(wù)，且從AM法數(shù)據(jù)中能夠解編出二極裝置與三極裝置的電性參數(shù)，其中二極裝置的視電阻率數(shù)據(jù)總數(shù)為n(n-1)，三極裝置的視電阻率數(shù)據(jù)總數(shù)為n(n-1)(n-2)/3，比傳統(tǒng)高密度電法的采集效率提高(n-1)(n+1)/3倍；若采用ABM法進(jìn)行測量則半小時(shí)內(nèi)完成，同樣從中可解編出溫納、偶極與微分3種視電阻率數(shù)據(jù)，比常規(guī)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(shù)據(jù)采集

筆者主要采用并行電法對(duì)巷道底板及掘進(jìn)前方含水異常體進(jìn)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(shí)驗(yàn)?zāi)＞?，首先設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)沙土，在模擬巷道底板布置線型觀測系統(tǒng)，共布置16個(gè)電極(其中測量電極14個(gè)，無窮遠(yuǎn)電極B和N布置在模型邊界，防止距離過近產(chǎn)生的電場對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)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(diǎn)建立坐標(biāo)系，則異常體坐標(biāo)為(0.23 m，0.05 m，0.15 m)。由于線型觀測方式無法實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道前方異常體探測，因此在上述模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)改進(jìn)的U型觀測系統(tǒng)對(duì)巷道前方異常進(jìn)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(gè)電極，其中14個(gè)測量電極布置成U型觀測系統(tǒng)，無窮遠(yuǎn)電極B和N遠(yuǎn)離巷道工作面布置，單位電極間距為5 cm，則U型框?qū)挒?.15 m，長為0.30 m，巷道前方5 cm處放置一低阻金屬體。實(shí)驗(yàn)中采用并行電法ABM裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用正負(fù)正供電形式，供電時(shí)間為0.5 s。

2.2 數(shù)據(jù)處理分析

從采集數(shù)據(jù)體中提取溫納對(duì)稱四極裝置數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并利用RES2DINV進(jìn)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(jì)算程序，使用了根據(jù)準(zhǔn)牛頓最優(yōu)化非線性最小二乘新算法。巷道底板探測實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果如圖5所示，圖中色標(biāo)由藍(lán)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(shí)值，完成模擬巷道底板地質(zhì)異常體探測。模擬巷道掘進(jìn)前方探測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖6所示，圖中巷道迎頭前方0.20 m處出現(xiàn)明顯的藍(lán)色低阻異常區(qū)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(jìn)后的U型觀測系統(tǒng)能夠?qū)ο锏谰蜻M(jìn)前方含水異常體進(jìn)行有效探測，達(dá)到巷道超前探測目的。

圖7 實(shí)際探測并行電法觀測系統(tǒng)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(shí)際應(yīng)用

實(shí)際礦井水害探測工程位于山西運(yùn)城杜家溝煤礦，其工作面屬于太灰水帶壓開采，煤層頂?shù)装逡陨皫r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(xiàn)少量淋頭水和滲水，對(duì)巷道正常掘進(jìn)施工產(chǎn)生影響。為確保安全生產(chǎn)，需要提前查明巷道底板及掘進(jìn)前方太灰水及奧灰水富水區(qū)域和導(dǎo)水因素，以便采取相應(yīng)的防治水措施。根據(jù)前期研究成果，本次水害探測工程采用并行電法分別對(duì)巷道底板及掘進(jìn)前方含水異常體進(jìn)行探測，并分析了探測區(qū)的含賦水地質(zhì)構(gòu)造分布狀況。

首先，以線型觀測系統(tǒng)在回風(fēng)巷底板布置64個(gè)電極，電極間距為5 m，探測總長為315 m，為防止無窮遠(yuǎn)B極對(duì)數(shù)據(jù)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(shí)際探測中布置多條測線；利用U型觀測系統(tǒng)進(jìn)行超前探測時(shí)，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(gè)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(shí)際數(shù)據(jù)采集以ABM法進(jìn)行，數(shù)據(jù)采集參數(shù)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(shí)間約半小時(shí)。經(jīng)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(qū)域，形態(tài)為上小下大，且發(fā)育較深，具有巖溶塌陷特征。后經(jīng)礦方鉆孔驗(yàn)證，K1和K2異常區(qū)分別施工2個(gè)鉆孔，鉆孔達(dá)到底板50 m左右時(shí)出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。圖9(a)和圖9(b)為U型觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)反演后巷道前方200 m范圍內(nèi)的電阻率分布圖，圖9(a)中超前探測表明在當(dāng)日探測迎頭前方80 m處出現(xiàn)一處明顯的異常界面(圖中紅線標(biāo)出)，該異常界面兩側(cè)電阻率差異明顯，巷道前方80 m以內(nèi)阻值相對(duì)較低，而80 m后出現(xiàn)相對(duì)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(qū)，且呈條帶狀分布，解釋為導(dǎo)水裂隙帶，后經(jīng)巷道掘進(jìn)也驗(yàn)證了上述探測成果。

4 結(jié)論

利用并行電法數(shù)據(jù)采集技術(shù)，分別設(shè)計(jì)線型與U型觀測系統(tǒng)，對(duì)不同礦井水害類型開展理論模擬與實(shí)踐應(yīng)用研究。在巷幫或底板布置線型觀測系統(tǒng)，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(tǒng)，結(jié)合并行電法多通道優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)前方異常的多次疊加，提高探測精度。研究結(jié)果表明，在有限的礦井巷道空間內(nèi)，并行電法系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)高密度電法的多極測量功能，同時(shí)具有連續(xù)快速并行掃描電場的優(yōu)勢，極大程度提高數(shù)據(jù)采集效率與可靠性，能夠?yàn)榈V井水害的探查、預(yù)報(bào)提供更加完備的技術(shù)支持。